化石燃料工业系统产生的碳排放对环境造成了严重影响，这促使全球向可持续和环保的能源来源转变[[1], [2], [3], [4], [5]]。在这些能源来源中，氢因其环境兼容性和可持续性而成为最有前景的选项之一，可能是未来能源格局的一个有吸引力的解决方案[[6], [7], [8]]。这种无碳能源可以通过电解和重整反应等过程，利用水和水生物质等丰富的资源生产[[9], [10], [11], [12]]。因此，从资源可用性和长期能源安全的角度来看，氢是一种可持续的选择。然而，与可以在常温条件下储存的化石燃料不同，氢的极低密度使其经济高效储存变得极具挑战性。
为了广泛使用氢能源，开发高效安全的氢储存技术至关重要[[13,14]]。相关研究集中在气体、液体和固态氢储存上。通过使用金属氢化物进行液态和固态储存可以显著提高氢的体积能量密度，从而提高其储存效率[[15], [16], [17], [18]]。然而，要实现这些储存技术的商业化，需要克服诸如维持低温条件的高昂成本以及氢的相对较低解吸率等挑战[[19], [20], [21]]。另一方面，气体储存技术已经非常成熟，被用于LPG和天然气等燃料的储存[[13,22]]。由于氢的体积能量密度较低，通常需要在其高压下储存以提高储存效率[[23,24]]。因此，大多数商业化的氢能源基础设施都涉及高压气体氢储存[[22,25,26]]。特别是氢燃料加注站使用低合金钢容器来储存大量高压气体氢，因为这类容器具有较高的机械强度和成本效益[[27,28]]。
对于由低合金钢制成的高压储存容器，必须仔细考虑氢环境引起的氢脆潜在风险[[29], [30], [31], [32]]。氢脆是一种现象，其中氢原子扩散进入金属晶格，导致金属的延展性和韧性降低；这种扩散会促进裂纹的起始和扩展[[33], [34], [35]]。这种现象在用于制造高压气体氢储存容器的高强度低合金钢中尤为明显[[22,36]]。研究表明，在氢环境中，用于制造氢储存容器的低合金钢的疲劳裂纹扩展（FCG）速率和断裂韧性受到显著影响，这是由于氢脆的发生[[37], [38], [39], [40], [41]]。Yamabe等人对Cr–Mo钢进行了FCG测试，发现与常温空气相比，氢环境中的FCG速率显著加快；此外，断裂韧性也显著降低[[37]]。Hua等人报告称，在92 MPa的氢压力下，氢储存容器中的FCG速率比常温空气下快了大约30到50倍[[39]]。他们还注意到，FCG速率会随容器内部的几何位置而变化。Nguyen等人对从氢燃料加注站容器中获得的Cr–Mo钢试样进行了实验，观察到在99 MPa的氢压力下，试样的断裂韧性下降[[40]]。他们将这种下降归因于氢扩散导致晶界处原子间键的减弱。为了准确评估氢燃料加注站使用的高压氢储存容器的结构完整性和疲劳寿命，必须考虑氢环境中的FCG加速和断裂韧性降低。
有限元分析（FEA）作为一种实用、有效且高效的方法，已被广泛用于评估与加注站氢储存容器相关的复杂物理现象。大量研究考虑了内部压力变化以及裂纹的位置和大小，对这类容器的FCG行为和服务寿命进行了研究[[38],[42],[43],[44]]。Lee等人使用FEA估计了加注站氢储存容器的疲劳寿命，发现较大的内部压力变化会加速裂纹扩展并缩短服务寿命[[38]]。Ma等人进行了基于模拟的评估，指出氢储存容器的疲劳寿命取决于裂纹位置，而这又受到内部应力分布的强烈影响[[42]]。他们特别指出，圆柱体内的裂纹会导致更短的疲劳寿命和更高的结构脆弱性。Beak等人进行了FEA，研究了具有不同长宽比的氢储存容器中的应力强度因子（SIF）。他们观察到，长宽比较小的裂纹在厚度方向上的扩展更为明显[[43]]。全面的结构完整性评估应考虑充放电过程中固有的热瞬变。这种温度变化由于材料的膨胀和收缩而产生热应力，这些应力与压力引起的机械应力相结合。因此，准确预测热瞬变对于真实评估氢储存容器的疲劳寿命非常重要。在我们之前的研究中，我们开发了一个基于一维（1D）热力学的数值模型，用于预测充放电过程中氢储存容器内的氢状态[[45]]。当氢从25 MPa充至45 MPa时，内部温度升高了约14°C；而在放电过程中，内部温度降低了约36°C。充放电过程中氢储存容器内的这种温度变化会由于热收缩和膨胀的影响而改变容器内的应力分布。因此，在氢储存容器的结构分析中应考虑热效应，以准确预测疲劳寿命和在现实运行条件下的结构完整性。然而，在氢储存容器的疲劳寿命评估中，通常不会同时考虑温度和压力载荷条件。
在这项研究中，进行了顺序耦合的热传导-结构分析，以确定在温度和压力联合载荷条件下氢储存容器内的应力分布。基于这些结果，评估了存在裂纹时容器的结构完整性和疲劳寿命。本研究考虑了用于氢燃料加注站的350升SA-372钢高压气体氢储存容器。使用上述基于一维热力学的数值模型预测了容器在充放电过程中的压力和温度条件，并将这些预测条件用于耦合热传导-结构分析，以评估容器的应力分布和结构安全性。此外，还进行了疲劳分析，以根据应力幅度估计疲劳寿命。研究发现，在充放电循环过程中，氢储存容器始终处于弹性范围内。根据应力分布、应力幅度以及预测疲劳寿命最短的容器位置，选择了初始裂纹位置，并使用线性弹性断裂力学（LEFM）进行了FCG分析。分析中考虑了氢环境下的容器材料的FCG参数。结果发现，与周向裂纹相比，纵向裂纹的应力强度因子（SIF）相对较高；此外，纵向裂纹的疲劳寿命明显更短。在裂纹扩展过程中，初始扩展主要发生在深度方向，随着扩展的加速，表面长度的扩展变得更加明显。此外，还对具有初始裂纹的氢储存容器进行了结构完整性评估。基于FCG分析结果，提出了一种检测程序。本研究的结果强调了将实际循环载荷条件、裂纹前沿不对称性、局部应力变化和过渡行为与FCG分析相结合的重要性。这种整合有助于更合理和稳健地评估氢储存容器的结构完整性。
本研究的结果提供了对加注站使用的高压气体氢储存容器的全面理解。所提出的结构完整性和疲劳寿命评估方法有望提高氢基础设施系统的整体安全性和可靠性。特别是，研究结果表明，未来在氢利用设施的应用中，应改进氢储存容器的重新检测协议。
