《Process Safety and Environmental Protection》：Explosive shock effects of type III hydrogen storage tank (70
MPa) with protective barriers: Full-scale explosion tests and fluid-solid coupling analysis
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氢储罐爆炸防护研究：70MPa-48L储罐在半封闭环境中的爆炸实验及数值模拟表明，保护屏障显著降低峰值超压（93.69%），但3米处超压反增19.33%。实验依据GTR 13-II标准，测得1322秒火暴露后储罐内压从68.6升至112.3MPa，引发爆炸。超压衰减随距离增加，5.1米处衰减79.61%，10.1米处40.02%。数值模拟验证了模型准确性，为氢能基础设施防护提供数据支撑。
郝申宇|贝丽|韩冰|刘艳|戴兴涛|胡俊|郑金阳|邹林志
大连理工大学化学工程学院，中国辽宁省大连市116024
摘要
本研究报道了一项实验，该实验中一个70 MPa、48 L的高压氢储存罐在半封闭试验场中的保护屏障下发生了灾难性破裂。实验结果表明，在1322秒的GTR 13-II标准火灾测试期间，罐内的压力从初始的68.6 MPa上升到了112.3 MPa（增加了63.70%），最终导致爆炸性故障。沿着爆炸排气方向的测量峰值超压从465.60 kPa显著衰减到47.85 kPa，这一衰减过程发生在距离爆炸中心3米（P1）到10.1米（P4）的不同位置。防爆墙有效地减轻了超压效应。在相同距离的测量点（大约5.1米、7.2米和10.1米），防爆墙后面的测量点相对于对角线测量点的超压衰减率分别为79.61%、78.59%和40.02%。此外，使用AUTODYN软件对这一情况进行了数值模拟。通过比较有无防爆墙的模拟结果，发现防爆墙将其后的峰值超压降低了93.69%，但使距离爆炸排气口3米处的峰值超压增加了19.33%。
引言
氢能源作为清洁能源系统的关键组成部分，在实现全球碳中和目标中发挥着重要作用。鉴于化石燃料过度消耗导致的环境污染，中国明确提出了“二氧化碳峰值排放和全面忠实实施碳中和”的战略目标。通过调整能源结构来有效控制温室气体排放是实现这一目标的关键（李，孙，2020年）。氢燃料电池汽车（HFCVs）的发展被视为未来十年内广泛使用零碳能源的最有前景的方法之一。HFCVs在接下来的十年内具有最广阔的发展前景，并将为构建碳中和社会提供重要支持（马等人，2024年；汗等人，2021年）。作为HFCVs的核心基础设施，氢加注站（HRS）通常配备工作压力超过70 MPa的高压氢储存系统（雷迪等人，2014年；雷迪等人，2017年）。然而，在火灾、碰撞或泄漏等极端工作条件下，高压氢储存系统仍然存在显著的安全隐患（肖等人，2024年）。
目前，国内外学者已经对高压氢储存罐（HSTs）的爆炸特性进行了一系列实验研究。表1总结了不同类型HSTs的火灾测试结果。关于氢罐火灾过程的理论研究，尚等人（2024年）利用GM(1, N)模型准确预测了车载高压HSTs在火灾过程中的临界爆破压力。李等人（2010年）通过事故后果分析表明，复合型HSTs在暴露于火灾环境中时在6至12分钟内存在极高的爆炸风险。因此，深入研究高压HSTs的爆炸特性及其危险机制具有重要的工程意义。
然而，在氢储存应用中，最具破坏性的爆炸载荷源于高压储存容器破裂产生的超压（韩等人，2025a）。Kundriakov等人（2022年）揭示了化学能在隧道内氢罐破裂时对爆炸波强度的影响。王等人（2023a）构建了一个适用于预测不同距离处峰值压力的分析模型，该模型结合了III型储罐（35 MPa – 6.8 L）的破裂后果。验证结果显示，在距离爆炸源7至15米的范围内，峰值超压的预测误差仅在2.8%到26.8%之间。高压氢罐在典型事故情景下的最终承压能力也得到了分析（郝等人，2016年）。Park等人（2023b）在半封闭空间内实验研究了IV型70 MPa HST的爆炸特性，记录到4.2米处的峰值超压为111 kPa，并报告了高速碎片对防爆墙的破坏。然而，这项研究并未包括对保护屏障后面爆炸危害的实验观察。这一研究空白指出了后续相关研究的方向。
钢筋混凝土防爆墙通常设置在重要目标周围，具有较高的抗压强度和良好的防护效果（王等人，2023b）。Sielicki和?odygowski（2019年）对砖墙在爆炸载荷下的失效模式进行了实验和数值模拟，并研究了实际和计算爆炸波作用下的砌体墙。Hussein等人（2020年）研究了木-沙-木复合墙的爆炸抗性。实验结果表明，在墙中间高度0.6米处，压力降低了95%以上；而在距离不到一米的位置，压力衰减仅约为10%。Xu等人（2021年）重点研究了加筋石墙的防爆机制，发现墙后方2.15米范围内的爆炸波峰值超压衰减率可达43%。基于先前的研究，Park等人（2023a）通过在爆炸源侧面10.1米处设置屏障，研究了保护屏障对氢罐爆炸波的衰减效应。实验结果表明，屏障后面的峰值超压比前面减少了73.3%。这些研究结果可以为类似实验和研究提供参考。
本研究根据GTR 13-II标准规格，对一个III型HST（70 MPa – 48 L）进行了爆炸测试。实验结果提供了受保护屏障保护的储罐在爆炸过程中的外部场超压情况。结合能量转换理论，使用ANSYS软件中的Euler-Lagrange耦合算法进行了显式动态分析。通过预测的最大超压分布验证了数值模型的可行性。系统分析了保护屏障后面的折射超压分布特性以及超压对基础设施的破坏情况。此外，通过构建一个没有防爆墙的开放环境数值模型，研究了防爆墙在减轻爆炸危害方面的作用。分析了防爆墙的超压衰减特性，本研究的结果将为氢能源基础设施的HST爆炸安全防护提供支持。
实验设计
储罐爆炸测试于2025年2月在大连氢能源测试中心的特殊环境实验室进行，完成了国内首次符合GTR 13-Ⅱ标准的III型氢储存罐（70 MPa – 48 L）的爆炸测试。储罐内充满了压缩氢气。实验场地是一个矩形腔室结构，内部尺寸为25米（长）× 25米（宽）× 26米（高）。实验室配备了大量
数值模型的可行性分析
图4展示了高压HST爆炸过程的简化物理模型。高压HST的爆炸包括三个关键阶段：物理爆炸阶段（阶段I）、点火阶段（阶段II）和氢化学爆炸阶段（阶段III），这三个阶段几乎同时发生（Jankuj等人，2025年；王等人，2023年）。在第一阶段，由于氢的动能和热运动速率的增加，储罐内的压力上升
结论
本研究系统地研究了半封闭环境中高压氢储存罐（HST，70 MPa – 48 L）爆炸时的超压传播特性，并通过综合数值模拟和实验验证评估了防护措施的有效性。主要结论如下：
实验结果表明，在1322秒的火灾暴露期间，储罐内的压力从初始的68.6 MPa上升到了112.3 MPa（增加了
未引用的参考文献
(Zyskowski等人，(2004))
CRediT作者贡献声明
韩冰：项目管理、调查、概念化。刘艳：监督、资源协调。戴兴涛：监督、调查。胡俊：调查、数据管理。郑金阳：资源协调、项目管理、调查。邹林志：监督、资源协调。郝申宇：撰写——初稿撰写、可视化、方法论设计、数据分析。贝丽：撰写——审稿与编辑、验证、方法论设计、调查、概念化。
利益冲突声明
我们声明与可能不当影响我们工作的其他人或组织没有财务和个人关系，也没有任何形式的专业或其他个人利益涉及任何可能影响本文所述观点或手稿评审的产品、服务和/或公司。
致谢
本研究得到了国家市场调节用气瓶安全技术重点实验室开放项目（2023K01）和辽宁省博士研究启动基金计划（2025-BS-0020）的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
