氫氣是一種很有前景的解決方案。從氫氣的產生到最終使用，安全可靠地處理氫氣是在各種應用中充分發(fā)揮氫氣作為零排放燃料源潛力的關鍵。
然而，氫氣的存儲和傳輸卻面臨著一些獨特的挑戰(zhàn)。氫是元素周期表中的第一個元素，由一個帶正電的質子和一個帶負電的電子組成。它是最小、最輕的原子。在不斷發(fā)展的氫能經濟中，氫需要以液態(tài)和氣態(tài)形式處理。氫的液化溫度為-252.9°C(-423°F)，液態(tài)氫的密度是氣態(tài)氫的140倍。以液態(tài)形式運輸和儲存H2的效率更高，但在使用時，H2卻是氣態(tài)。因此，氫氣系統(tǒng)中使用的金屬會受到兩種現(xiàn)象的影響。
1、低溫脆化：隨著溫度的降低，金屬會失去一些延展性。
2、氫脆：原子氫會擴散到金屬中并導致脆化。
在這里，脆化是指金屬在氫氣環(huán)境中的延展性和抗斷裂及抗疲勞能力與在空氣中和室溫下的抗斷裂及抗疲勞能力相比發(fā)生下降。這些問題會導致系統(tǒng)故障，造成安全風險、增加停機時間和帶來經濟損失。隨著氫能行業(yè)的不斷擴大，解決這些系統(tǒng)建設難題對于氫燃料作為一種長期、可持續(xù)的燃料解決方案被廣泛采用至關重要。
那么，氫能領域的專業(yè)人員如何才能建造經久耐用的氫氣處理系統(tǒng)？關鍵要牢記，材料對于氫氣存儲至關重要。流體系統(tǒng)采用特殊配方的優(yōu)質不銹鋼，能夠更好地抵御氫氣存儲的固有挑戰(zhàn)。以下常見問題將解釋規(guī)范制定者在選擇氫氣存儲元件材料時應如何考慮以及應考慮哪些因素。
【問】：什么是低溫脆化？
【答】：低溫脆化是指隨著溫度的降低，延展性、韌性、抗疲勞性和抗斷裂性降低。奧氏體不銹鋼只發(fā)生輕微的低溫脆化，而鐵素體鋼(低合金鋼和鐵素體不銹鋼)則更容易發(fā)生低溫脆化。因此，奧氏體不銹鋼是液氫系統(tǒng)的黃金標準。
【問】：氫如何滲透到金屬中？
【答】：氫分子(H2，藍色)可以離解成原子氫(H，紅色)并滲透到金屬中。氫原子聚積在應力集中處，如裂紋尖端或微觀結構特征處，如晶界、夾雜物或沉淀物。在某些情況下，原子氫可轉化為雙原子氫。
【問】：什么是氫脆？
【答】：氫脆會降低金屬的抗疲勞和抗斷裂性能。超高強度材料的氫脆現(xiàn)象更為嚴重。
雖然不銹鋼與氫的相容性通常比許多其他金屬要好，但并非所有不銹鋼都具有同樣的抗氫脆性能。
奧氏體不銹鋼的特點是具有面心立方(FCC)晶體結構、中等強度和天然高延展性。雖然它們與氫的相容性通常比許多其他金屬要好，但并非所有不銹鋼都具有同樣的抗氫脆性能。
【問】：使用對氫脆更敏感的不銹鋼會有什么潛在后果？
【答】：選擇對氫脆更敏感的材料會導致系統(tǒng)完整性更容易失效。
與延展性損失相比，抗疲勞能力的降低更令人擔憂。延展性是指材料在失效前在拉伸應力作用下能夠承受塑性變形的程度。設計得當?shù)脑粫惺軐е滤苄宰冃蔚膽ΑＯ喾矗捎趬毫ρh(huán)、振動或其他使用負荷造成的周期性負荷會導致疲勞引發(fā)的緩慢累積的損壞和失效—疲勞是指由于重復應力或負荷造成的鋼材強度減弱。如果材料受到水等腐蝕性環(huán)境因素的影響，系統(tǒng)或元件失效的可能性會進一步加劇。
當然，元件失效會導致一系列不良后果，包括：
①潛在的安全問題
②維護或維修導致的停機時間過長
③元件更換更頻繁
④氫氣逸散到環(huán)境中導致可持續(xù)性問題
⑤資產的總運營成本和總所有權成本會更高
⑥具有很低鎳含量的鐵素體合金會顯著變脆，而鎳含量介于10％與30％之間的奧氏體合金則表現(xiàn)出相對較小的脆化。
【問】：如何區(qū)分高質量不銹鋼和低質量不銹鋼？
【答】：事實證明，含鎳量較高的高質量不銹鋼更適合處理H2，尤其是在較長的使用壽命內。
美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)要求316不銹鋼配方中的鎳含量至少為10%，但鎳含量至少為12%的316不銹鋼更適合應對氫能行業(yè)的獨特挑戰(zhàn)。鎳含量有助于穩(wěn)定不銹鋼的微觀結構，使其更能抵抗氫脆。在測試中，我們發(fā)現(xiàn)氫脆對含12%鎳含量的316不銹鋼的拉伸延展性影響很小。
鎳含量至少為12%的316不銹鋼更適合應對氫能行業(yè)的獨特挑戰(zhàn)。鎳含量較高的不銹鋼有助于防止氫脆。
雖然鎳含量較高的316不銹鋼通常是氫能系統(tǒng)結構的理想選擇，但在某些情況下，特定應用的性能標準(如需要優(yōu)先考慮材料強度或耐腐蝕性)可能會使另一種材料成為理想選擇。在這些情況下，正確的系統(tǒng)設計和維護可有助于防止脆化。像世偉洛克這樣的組織會繼續(xù)研究和了解氫對其他合金的影響，可以幫助您做出明智的決定。
