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一、氫能的大規(guī)模應用及運儲問題
氫能被廣泛認為是未來清潔能源體系中的重要組成部分，預計將在多個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模應用。特別是交通領(lǐng)域、分布式發(fā)電與熱電聯(lián)供、工業(yè)用氫、儲能介質(zhì)。
未來大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)時，由于風能、太陽能等具有間歇性，氫能可用于大規(guī)模、長周期的能量儲存，實現(xiàn)能源供需平衡。
氫氣的運輸與存儲是實現(xiàn)氫能廣泛應用的一個主要技術(shù)瓶頸，因為它在常溫常壓下體積龐大且易燃易爆。以下是氫氣運輸和儲存面臨的問題：
1. 體積密度低：氫分子是已知最小的分子，導致其在標準條件下的密度極低，需要很大的空間來儲存。
2. 安全性問題：氫氣具有很高的燃燒能量（爆炸極限范圍較寬），這意味著它在泄漏時存在較大的安全隱患，尤其是在高壓條件下。
3. 壓縮儲存：為了提高儲氫效率，通常采用高壓氣體儲存，如將氫氣壓縮至350-700 bar的壓力進行車載存儲。但高壓容器的設計、制造和維護成本高，并且對材料性能要求苛刻，以防止因氫脆等問題引發(fā)的安全風險。
4. 液化儲存：另一種方法是將氫冷卻到約-253°C使其液化，大大減少其體積，但這需要復雜的液化設備以及高度絕熱的容器，同時液氫的生產(chǎn)、儲存和運輸能耗較大。
5. 物理吸附或化學吸附：研發(fā)新型的儲氫材料，如金屬氫化物、碳基材料等，通過物理吸附或化學反應儲存氫氣，以達到更高密度的儲存。然而，這些技術(shù)往往存在吸放氫速率慢、循環(huán)穩(wěn)定性差或成本高的問題。
二、“氫脆”及發(fā)生的機理
在氫氣的存儲及運輸過程中，會發(fā)生“氫脆”。氫脆（Hydrogen Embrittlement）是指金屬材料在吸氫后其機械性能顯著降低，尤其是在應力作用下容易發(fā)生不延展的脆性斷裂現(xiàn)象。這種斷裂通常表現(xiàn)為突然、無明顯塑性變形的特點，使得原本具有足夠強度和韌性的材料變得非常脆弱。
1. 氫原子擴散與吸收：氫原子可以通過多種途徑進入金屬內(nèi)部，如電化學腐蝕過程中產(chǎn)生的氫氣分子分解為氫原子，或是在焊接、酸洗等高溫處理過程中由水分或其他含氫介質(zhì)分解而產(chǎn)生。
2. 氫在晶界聚集：由于氫原子體積小，可以輕易穿過金屬晶粒間的晶界，導致在晶界處聚集。這些氫原子會增加晶界的能量，使金屬內(nèi)部的應力集中度增大。
3. 位錯釘扎與氫陷阱：氫原子能夠嵌入金屬材料中的缺陷位置，如空位、位錯線等，形成氫陷阱，阻礙位錯運動，降低材料的塑性和韌性。
4. 微觀裂紋的產(chǎn)生與擴展：在應力作用下，氫原子的存在會促進金屬中微裂紋的萌生和快速擴展，尤其是沿著晶界或第二相顆粒周圍發(fā)展，最終可能導致材料在低于正常屈服強度的應力水平下發(fā)生脆性破壞。
三、“氫脆”的危害
氫脆是一種嚴重的金屬材料失效形式，其危害性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
1. 突發(fā)性斷裂：氫脆導致金屬材料在未達到其正常屈服強度的情況下發(fā)生突然斷裂，這種斷裂往往沒有明顯的預兆，難以通過常規(guī)的無損檢測手段發(fā)現(xiàn)，因此增加了設備和結(jié)構(gòu)件因意外破裂而引發(fā)事故的風險。
2. 降低承載能力：當金屬內(nèi)部吸收了氫原子后，氫原子會在材料內(nèi)部的缺陷或裂紋尖端聚集，增大裂紋擴展所需的應力極小值，從而顯著降低了材料的韌性、延展性和承載能力。
3. 安全風險增加：在石油天然氣工業(yè)中，由于氫脆可能導致井下管柱的突然斷裂，進而造成井噴失控、著火等嚴重安全事故。在航空航天、橋梁建筑、汽車制造、船舶工程以及壓力容器等眾多領(lǐng)域，如果關(guān)鍵部件發(fā)生氫脆，都可能帶來災難性的后果。
4. 維護成本高昂：氫脆問題使得設備和結(jié)構(gòu)的使用壽命縮短，需要頻繁檢查和更換，增加了維護成本和停機時間，影響生產(chǎn)效率。
5. 難以預防與檢測：氫脆的發(fā)生過程有時是潛伏性的，尤其在腐蝕環(huán)境中或者經(jīng)過特定表面處理（如電鍍、化學清洗）后，氫原子更易滲透到金屬內(nèi)部。雖然可以通過恰當?shù)脑O計、選材、加工和熱處理工藝來減輕氫脆的影響，但徹底避免和實時監(jiān)測仍然具有挑戰(zhàn)性。
四、歷史上關(guān)于“氫脆”導致的重大事故
因氫脆導致的重大事故，尤其是在工業(yè)和軍事領(lǐng)域。氫脆是一種材料失效現(xiàn)象，當過量的氫進入金屬材料內(nèi)部并在應力作用下聚集時，會導致材料性能下降，尤其是韌性降低、易發(fā)生突然斷裂。以下是一些與氫脆相關(guān)的重大事故或事件：
1. 二戰(zhàn)期間的飛機失事：在第二次世界大戰(zhàn)中，有記錄表明由于高強度鋼部件受到氫脆影響，導致了某些戰(zhàn)斗機在飛行過程中發(fā)生結(jié)構(gòu)斷裂而墜毀。
2. 潛艇事故：20世紀初到中期，有多起潛艇事故被懷疑與氫脆有關(guān)。潛艇艇體所使用的鋼材在海水環(huán)境下接觸含氫介質(zhì)（如電池產(chǎn)生的氫氣）后，可能導致結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)不可預見的脆性斷裂。
3. 北海油氣平臺管道破裂：上世紀70年代末至80年代初，北海油田的部分輸油管道因為氫脆問題導致破裂，引發(fā)了對海上設施材料選擇和維護標準的重新審視。
4. 化工設備失效：化工行業(yè)中，特別是高壓容器和管道系統(tǒng)，在特定工藝條件下（如合成氨生產(chǎn)過程中的哈柏-博施法），如果處理不當，可能會產(chǎn)生氫脆，從而引發(fā)嚴重安全事故。
5. 橋梁及建筑結(jié)構(gòu)損壞：鋼結(jié)構(gòu)橋梁和建筑物中，電鍍、焊接或其他防腐處理過程中吸收的氫也可能引起氫脆，雖然這類事故相對較少見，但它們構(gòu)成了潛在的安全風險，并已在一些案例中得到確認。
五、解決“氫脆”問題的方法
材料選擇：選用抗氫脆性能好的合金或通過材料成分設計來提高其抵抗氫脆的能力。
表面處理：優(yōu)化表面處理工藝，避免引入過多氫原子，如采用低氫或無氫焊接技術(shù)，合理進行酸洗及鈍化處理。
預熱處理：對可能吸氫的工件進行適當?shù)念A熱處理，以加速氫的逸出。
后處理去氫：通過烘烤、熱處理等方式去除材料中的氫原子。
設計優(yōu)化：根據(jù)使用條件，在結(jié)構(gòu)設計上考慮減少應力集中點，減輕應力負荷，從而降低氫脆風險。
