Ⅳ 型储氢罐在火灾中的性能：充氢状态的影响
该研究聚焦IV型氢存储罐在火灾中的性能，重点探究充电状态（SoC）对其耐火等级（FRR，即无热激活泄压装置或装置堵塞时的破裂时间）的影响，通过实验与数值模拟发现，当初始压力低于1/3额定工作压力（NWP，文中NWP=70MPa）时，罐体会泄漏而非破裂，这是因复合包覆层传入的热量足以熔化聚合物内衬（如HDPE），使氢气通过复合层微泄漏；同时还分析了罐壁厚度不均匀（穹顶区域更薄，导致FRR降低34%）、爆破压力比（BPR）（从2增至2.5时FRR提升43%）及复合树脂热分解温度（Td）与分解热（Hd）（Td升高16%时FRR提升27%，Hd翻倍时FRR提升23%，Td影响更显著）对FRR的作用，最终为罐体制备与安全设计提供参考。 01.研究背景与核心定义 车载氢存储罐在火灾中需满足FRR>50min以保证安全，此前研究多聚焦100% SoC（NWP=70MPa）场景，而实际行驶中SoC<100%，且实验发现初始压力低于1/3NWP时IV型罐会泄漏而非破裂，需探究其机制及多因素对FRR的影响。 依据SAE J2601，定义为压缩氢存储系统（CHSS）的氢密度与15℃下NWP时氢密度的比值×100%，即SoC=[ρ(P,T)/ρ(NWP,15℃)]×100%。 指热激活泄压装置（TPRD）未触发或被堵塞时，氢存储罐在火灾中的破裂时间，是衡量罐体火灾安全性的核心指标。 根据UN GTR#13等法规，碳纤维增强聚合物（CFRP）包覆罐的最小爆破压力（Pb.min）需≥2.25×NWP（70MPa罐Pb.min≥157.5MPa），BPR为Pb.min与最大加注压力（87.5MPa）的比值，区别于安全系数（SF，如70MPa罐SF=157.5/87.5=1.8）。 文中统一设定为70MPa，normative documents规定加注时压力范围为0.5MPa~87.5MPa（1.25×NWP）。 02.实验与模拟基础 36L、62.4L、244L三种容积的IV型氢存储罐，内衬材质为高密度聚乙烯（HDPE，熔点118-135℃）或聚酰胺（PA，熔点129℃），结构层为CFRP。 两组实验分别采用0.96m²的庚烷盘火焰、由4根管道组成的氢氧预混燃烧器（从两侧对准罐体）。 初始压力（70MPa、52.5MPa、35.6MPa、25MPa、17.8MPa、10MPa等）、火灾类型（engulfing fire、localised fire）。 36L罐70.3MPa（engulfing fire）6min32s破裂，70.6MPa（localised fire）5min20s破裂；17.8MPa（25% NWP）11min4s泄漏，且环氧树脂消失、碳纤维未燃烧。 采用已验证的“非绝热排放-火灾失效模型”，基于欠膨胀射流理论，考虑复合树脂热降解、内衬熔化及非稳态热传递。 固定热释放率/面积（HRR/A）=1MW/m²（此条件下FRR基本稳定，高于该值时火焰长度超出罐体，FRR不再降低），热流密度遵循公式q''=(-11.81・ln (t)+113.97)×10³；初始温度统一为293.15K（此时70MPa对应SoC=99%，288.15K时为100%）。 能准确复现实验中氢温度、压力变化、降压时间及FRR，如36L罐17.8MPa时700s泄漏的实验结果。 03.关键影响因素及实验/模拟结果 （1）SoC对FRR的影响 SoC通过改变初始压力影响罐体负载承受壁厚（Sload b），初始压力越低，Sload b越薄，树脂分解前沿需更长时间到达Sload b，FRR更长或内衬先熔化导致泄漏。不同容积罐体的临界状态如下表： （2）罐壁厚度不均匀对FRR的影响 复合罐采用filament winding工艺制造，侧壁（圆柱区）因螺旋+环向层叠加更厚，穹顶（尤其是圆柱端与凸台颈部之间）仅螺旋层，厚度更薄，导致穹顶更易在火灾中失效，具体差异如下表（以36L罐为例）： （3）BPR对FRR的影响 BPR通过改变罐体壁厚影响FRR，BPR越高，相同压力下Sload b占比越低，“负载+”（可热降解部分）越厚，FRR越长。以36L罐为例，不同BPR的性能如下表： （4）树脂热性能（Td、Hd）对FRR的影响 树脂的热分解温度（Td）和分解热（Hd）决定分解前沿推进速度，进而影响FRR，且Td影响更显著。以36L罐（固定HRR/A=1MW/m²）为例，具体影响如下表： 04.研究结论与意义 IV型罐在SoC<1/3NWP（≈23MPa）时，火灾中会因内衬熔化泄漏而非破裂，Type III罐（金属内衬）无此安全特性。 罐壁厚度不均匀（穹顶薄）会显著降低FRR，制造商需优化缠绕工艺改善壁厚一致性。 FRR随BPR、Td、Hd的升高而提升，其中Td的影响最显著，BPR从2增至2.5时FRR提升幅度最大（43%）。 填补了“不同SoC下IV型罐火灾性能”的认知空白，扩展了非绝热排放模型的验证范围。 为罐体制备（如树脂选择、壁厚设计）和安全标准制定（如BPR取值）提供定量依据，助力氢燃料汽车安全推广。 提出后续研究方向：内衬聚合物类型（热固性vs热塑性）、火灾终止后泄漏行为、复合层纤维/树脂对泄漏的影响。 05.关键问题 问题1：IV型氢存储罐在火灾中“泄漏而非破裂”的核心机制是什么？该现象发生的临界条件（结合SoC、压力）是什么？ 核心机制是当罐内初始压力较低时，火灾中从复合包覆层传入的热量足以使聚合物内衬（如HDPE，熔点118-135℃）熔化，熔化后的内衬失去氢气阻隔功能，氢气通过本身不密封氢气的复合层发生微泄漏，且此时复合层尚未因树脂分解失去承载能力，因此罐体仅泄漏不破裂。临界条件为初始压力低于1/3额定工作压力（NWP=70MPa），对应不同容积罐体的SoC与压力如下：36L罐为17.8MPa（SoC=32.6%）、62.4L罐为30MPa（SoC=51%）、244L罐为32MPa（SoC=54%），且该临界压力会随树脂热性能（Td升高则临界压力升至35MPa）、爆破压力比（BPR升高则临界压力升至23MPa）变化。 问题2：在影响IV型氢存储罐FRR的多个因素（SoC、罐壁厚度、BPR、树脂热性能）中，哪个因素对FRR的改变幅度最大？请结合具体数据说明。 在所有影响因素中，爆破压力比（BPR）对FRR的改变幅度最大。具体数据：以36L、NWP=70MPa的罐体为例，当BPR从2提升至2.5时（提升25%），罐体在70MPa初始压力下的FRR从296s（4min56s）增至519s（8min39s），提升幅度达43%；对比其他因素：树脂热分解温度（Td）升高16%时FRR提升27%，树脂分解热（Hd）翻倍时FRR提升23%，罐壁从穹顶（薄）变为侧壁（厚）时FRR提升34%，均低于BPR提升25%所带来的43% FRR增幅。此外，若法规将BPR从当前的2.25降至2，FRR会从402s降至296s，降幅达26%，进一步体现BPR对FRR的显著影响。 问题3：IV型氢存储罐的罐壁厚度不均匀问题具体体现在哪里？该问题对罐体火灾安全性（FRR、泄漏临界压力）有何影响？制造商需如何应对？ （1）厚度不均匀的具体体现：因采用filament winding工艺，罐体侧壁（圆柱区）由螺旋层与环向层叠加而成，厚度较厚；穹顶区域（尤其是圆柱端与凸台颈部之间）仅为螺旋层，厚度较薄。以36L罐为例，侧壁CFRP厚度27.75mm、内衬厚度3.81mm，而穹顶CFRP厚度22.26mm、内衬厚度5.27mm，穹顶CFRP厚度比侧壁薄约20%。（2）对火灾安全性的影响：①FRR差异：70MPa初始压力下，穹顶FRR为402s，侧壁FRR为540s，穹顶FRR比侧壁低34%，罐体火灾中更易从穹顶破裂；②泄漏临界压力差异：穹顶区域泄漏临界压力为17.8MPa（SoC=32.6%），侧壁为29MPa（SoC=50%），穹顶需更低的初始压力才能避免破裂，增加了低SoC工况下的安全风险。（3）制造商应对措施：优化filament winding工艺参数（如调整螺旋缠绕角度、增加穹顶区域的缠绕层数），减少穹顶与侧壁的厚度差异，确保罐体各区域壁厚均匀，从而提升整体FRR，降低火灾中从薄弱区域（穹顶）破裂的风险。 本文参考：Performance of Hydrogen Storage Tanks of Type IV in a Fire:Effect of the State of Charge 来源：气瓶设计的小工程师
