氢安全知识分享丨关于氢安全事故统计综述

特嗨氢安全团队致力于氢安全方向的研究，发现一篇关于氢安全的优秀文献，特此推荐参阅。我们也为大家解读文献中氢安全的关键内容，包括氢气事故调查数据分析、泄漏和扩散、氢气点火和爆炸等研究。

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统计近20年间发生的120起

氢安全事故分析结果

① 事故地点

实验室占比最大为38.3%、其次为加氢站为10.6%和储运设施9.0%。

② 事故设备

管道/配件/阀门占比最大为32.28%，氢气储存设备占比为15.51%，车辆和燃油系统占比为12.66%，这些部件易发生事故，在日常巡检中须重点关注这三大部件。

③ 事故原因

管道/阀门/过滤器故障占比最大为35.7%，人为失误占比为14.2%，设计缺陷占比为12.07%

④ 伤亡情况

事故致死率为5.32%，是天然气的2倍。

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氢泄漏和扩散

① 泄漏流程

氢的泄漏和扩散是造成伤害的第一步。通常，微小的泄漏会迅速扩散而不会造成很大的危险，但大量的泄漏可能会产生喷射火焰和爆炸。此外，如果压缩氢气突然释放到空气中，在没有明显点火源的情况下也会自发点燃。下图展示了从氢气泄漏到发生危险的流程图。

② 泄漏扩散的两种“模式”

氢气在受限空间内泄漏扩散的两种“模式”分别为：

“填充”模式：在氢气在泄漏出口的速度小于声速时，在到达受限空间的顶部之前，会转化为羽流，羽流首先在天花板顶部以高浓度聚集，然后再逐渐向下扩散，在天花板顶部和扩散表面之间形成较大的浓度梯度。

“逐渐上升”模式：与“填充”模式相比，从喷嘴泄漏的氢气在接触到天花板时不会变成羽流，在天花板下方积聚的氢气-空气混合物的浓度持续增加，虽然顶部和底部之间存在浓度梯度，但两者之间的差距很小，所以当在空气中超过4%下限时，可燃浓度区显著增加。

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氢气的点燃和爆炸

氢气在空气中仅需非常低的点火能量就能点燃，当氢气以低点火能量点燃时，首先发生层流燃烧，之后，由于火焰不稳定性，各种压力之间的相互作用等原因，火焰会经历湍流燃烧，最终转变为爆炸。由于具备极低的最小点火能量的特性，当高压氢泄漏时很容易发生自爆。

① 最小点火能量(MIE)

氢气-空气混合物的最小点火能量(MIE)仅为0.018毫焦耳，而甲烷的MIE约为0.1毫焦耳。当氢气被混合到富氧环境中(O₂/(O₂+N₂))时，MIE可以低至0.0056毫焦耳。Ono等人使用电容火花放电方法分析了H2-空气混合物湿度和火花持续时间对MIE的影响，研究结果为H2-空气混合物湿度没有显著影响，当火花持续时间从5纳秒变化到1毫秒时，MIE大约为常数。

② 氢气自燃

氢气泄漏后的自燃现象归因于其具有极低的最小点火能量（MIE），根据英国金斯顿大学火灾与爆炸研究中心对 676 起氢气事故的统计，419 起火灾和爆炸事故（占事故总数的 62%）的点火源不明确，自燃被认为是可能的原因。

高压氢气泄漏自燃的机制主要存在以下主要的假设理论：

1）逆焦耳 - 汤姆逊效应；

2）静电点火；

3）扩散点火；

4）突然绝热压缩；

5）热表面点火；

6）机械摩擦和冲击；

③ 爆燃转爆轰（DDT）过程的模拟

当使用低点火能量点燃氢气-空气混合物时，首先会生成层流火焰，在适当条件下，火焰持续加速并产生若干压缩波，压缩波的叠加进一步产生冲击波，最终导致爆轰。爆轰过渡（DDT）发生迅速，通常在几微秒到几十微秒内就完成，DDT 的特点是爆燃的持续加速，随后突然转变为爆轰。

研究在光滑管中C2H2-O2混合物中爆轰过渡（DDT），弱点火后，首先形成层流火焰，燃烧的膨胀效应增加了背景流速；在边界层的作用下，流速表现出横向速度梯度，这导致火焰前沿拉伸并加速；火焰前沿逐渐增大，层流燃烧转变为湍流燃烧；背景流场流速的增加和湍流燃烧产生正反馈效应，导致火焰速度迅速增加。

Gamezo 等人在有障碍物的通道中对火焰加速和 DDT 的发生进行了模拟，研究发现，当火焰与剪切层相互作用并流回障碍物后方时，火焰表面积显著增加，且激波经过障碍物时反射会变得更强烈，导致碰撞后形成一个高温区域。在 0.906毫秒时，由于激波与障碍物的碰撞，温度超过820开尔文，一个热点出现，该热点持续存在并发展成火焰，最终与主火焰合并。

韩等人对薄管和厚管中的火焰加速和爆轰传播进行了数值模拟，研究结果是，在薄管中，火焰持续加速直至爆轰发生，而在厚管中，火焰加速先增加后减少，最终转变为爆轰传播。

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研究总结

由于未来氢气将在人们的日常生活中大规模应用，氢气也将从危险化学品转变为能源载体，研究自燃和爆炸问题变得非常重要。文章通过对氢安全事件进行分析得出，氢系统中管道/阀门/过滤器的故障是氢相关事故中最常见的原因。而氢气的低最小点火能量和宽广的可燃浓度范围，使其有可能自发点燃，通过对五种氢气自燃机制研究，发现任何由自燃引起的事故都是由两种或两种以上这些机制共同作用的结果。虽然目前我们对爆轰传播的机制已有充分了解，但仍很难详细预测。同时还要考虑人的安全，人们可能在日常生活中接触到氢能设备，如加氢枪等，在此过程中可能会产生安全事故，因此还应加强风险监测。

特嗨氢安全团队在多年涉氢场所安全管理与氢安全咨询过程中积累了大量氢安全实践经验，我们期待与行业同仁开展深度合作，共同推动氢能产业安全发展。