氫氣瓶疲勞試驗系統方案研究

付俊宏，王 寶，趙曉龍

（1.長慶油田分公司物資供應處，陜西西安 710018；2.渤海裝備鉆采裝備銷售公司，天津 300280）

0 引言

隨著社會進步，工業發展對能源需求越來越大，并且對能源的要求及使用場合也越來越高。除了最常見的石油產品能源外，太陽能、風能和氫能等新型能源也走進了人們生活。氫能具有儲量豐富、燃燒值高、無污染，可再生、高效等優點，被認為是21 世紀最具前景的清潔能源之一，已廣泛應用于航天工業，車載能源。

氫的儲存有多種方式，例如，高壓氣體、低溫液體，或其他固體儲存方式。目前使用氫氣瓶儲存高壓氫氣作為主要方式被廣泛應用于車載能源，隨之帶來的是氫氣瓶使用的安全問題。本系統研究一套針對氫氣瓶在70 MPa 下頻繁充氣、放氣的疲勞測試系統，來評定氫氣瓶的安全性。

本系統主要實現氫氣瓶的疲勞試驗，模擬汽車氫氣瓶的充氣和放棄過程，并重復多次，直至氣瓶損壞。記錄充放次數和實施壓力、溫度。可進行車載儲氫氣瓶耐壓時間測定、車載儲氫氣瓶爆破壓力測試、車載儲氫氣瓶疲勞檢測等多種測試。試驗系統方案流程如圖1 所示。

1 試驗系統設計原理

137.9MPa（20 000 Psi）氫氣增壓系統核心部件選用美國進口Haskel 氫氣專用型氣體增壓泵，增壓效率高、使用安全可靠、壽命長。

系統氫氣輸入部分配置氣動閥、過濾器和壓力表，用于控制輸入路的通斷，監視輸入壓力。過濾器用于對輸入介質進行除雜處理（過濾精度5 μm）。壓力表用于實時顯示輸入介質的壓力。

圖1 試驗系統方案流程

系統分為兩級增壓，第一級用膜壓機，目前化工系統中經常用到的加氫設備，便于維修，工作時間長。安全級別高。排量大。第二級采用Haskel 氫氣專用型氣體增壓泵，在-40 ℃環境，將中壓容器中的氫氣增壓到137.9 MPa（20 000 Psi）。

測試工件時，在控制軟件中設定實驗壓力，軟件直接打開高壓容器與工件之間的低溫截止閥。低溫氫氣快速將工件充到需求壓力，關閉截止閥，保壓到額定時間，系統自動打開工件后端截止閥，控制軟件通過控制流量調節閥，泄壓速度。

泄壓分為兩步，第一步先開啟中壓之路，泄壓至中壓容器，壓力達到10 MPa 時，系統自動關閉中壓支路，打開低壓支路，將壓力泄到最低要求。

整個循環管路控制氫氣溫度，不能升溫過快，增壓過程中采用風冷降溫，泄壓路中也會通過溫控裝置，使氫氣控制在0 ℃以上。過程中實時檢測因溫度變化產生的壓力變化。

系統配置氮氣吹掃置換支路，試驗前需用高純氮氣吹掃置換系統和高壓釜內的空氣，置換次數不少于6 次，確保系統和高壓釜內的空氣被置換干凈。系統和高壓釜試驗完成后，需要泄放系統和高壓釜內的氫氣，再用高純氮氣吹掃置換，消除系統內的殘留氫氣存在的安全隱患。

考慮可能存在的突發情況（斷電等），系統內的泄壓氣動閥選用常開閥，其余氣動閥選用常閉閥。當遭遇突然斷電時，系統內的氣動閥恢復初始狀態，泄壓氣動閥打開，輸入氣動閥、空氣驅動閥、輸出氣動閥和吹掃氣動閥關閉。這樣可以確保氮氣/氫氣瓶組內的氣體不再輸送給系統，同時高壓釜內的氣體也封閉在高壓釜內，增壓系統停止打壓，同時泄放掉增壓系統管路中的氫氣。確保系統使用安全。

系統工作異常時，例如，系統超壓輸出，可以通過電器監控臺上的急停按鈕，實現系統緊急停車。按下急停按鈕后，系統內的氫氣輸入閥、氮氣吹掃閥、驅動空氣閥和氫氣輸出閥關閉，同時開啟泄壓閥，泄放掉系統內的氫氣壓力，保護系統使用安全。

考慮到系統使用安全，用戶現場配置氫濃度報警儀，當檢測現場氫氣濃度超標時，氫濃度報警儀報警，用戶應立即停止試驗，排查故障。

系統內的氫氣進行統一排放（包括安全閥的泄放），排放管路統一引出試驗坑，端部添加氫氣專用型阻火器，阻火器適用于室外工作。氫氣排放管路應高于試驗坑頂部1 m 以上高度進行排放，且滿足該介質（氫氣）排放的國家相關規定要求。

2 試驗系統功能及特點

（1）增壓系統內配有高壓管路、高壓閥門、過濾器及壓力表（高壓氫氣專用壓力表）等，均滿足該系統介質（100 MPa 高壓氫氣及氮氣）的使用要求且具有相應防爆功能。所有部件承壓選型均進行裕度設計，均超過增壓釜設計壓力的1.5 倍。

（2）閥門入廠后全部逐個復驗，裝臺后再參加整機出產試驗。

（3）增壓系統所有管路、管件、閥門等出廠前，均進行1.5 倍設計壓力耐壓試驗。

（4）增壓系統管路無焊接，可有效降低介質氫氣被污染的概率。

（5）增壓系統管路和閥門進行嚴格的除油除雜清洗，確保管路潔凈，保證系統使用安全。

（6）增壓系統組裝完畢后，先采用高純氮氣作為檢測介質，按1.5 倍設計壓力進行耐壓試驗，合格后再按設計壓力進行致密性試驗（采用氦質譜檢漏），確保系統強度及氣密性要求。

（7）增壓系統與高壓釜組裝完畢后，按高壓釜的最高工作壓力進行整個系統致密性試驗，采用氦質譜檢漏方法。

（8）增壓系統和排放管路系統設置導靜電接地線，所有零部件至導靜電連接端子處的電阻值不得超過10 Ω，接地線截面積不小于5.5 mm2，消除系統靜電隱患。

（9）在增壓泵出口及高壓釜入口處各設置一個安全閥，高壓釜安全閥與高壓釜之間，以及高壓釜泄壓管路中不得設置其他連接閥門。安全閥的整定壓力不得大于增壓釜的設計壓力，安全閥的排放能力應能保證系統的安全性。

（10）在增壓系統和高壓釜的撬裝結構上設置一個氫氣泄漏報警裝置。

（11）系統氫氣泄壓統一匯流排放，泄壓管路端部安裝一只不銹鋼阻火器，阻火器為全天候室外型阻火器。排放管路應安裝在高于試驗坑頂部1 m 以上高度位置。同時在排放口張貼“氫氣排放，嚴禁明火”等危險標志。

（12）提供高壓釜加工接頭和配做接頭圖紙，以及2 套高壓釜堵頭和配做接頭。

3 電器測控監控系統

電器測控監控用于遠程控制氫氣增壓系統和監控測試坑內的情況。監控臺硬件采用PLC 作為下位機，進行邏輯控制、安全控制及信號采集；高品質工控機作為上位機，配置19 寸液晶顯示屏，方便用戶操作和觀察增壓系統的工作情況。

安全設計控制臺考慮接地保護，電源欠壓、缺項保護及漏電保護等，確保操作人員操作安全及元器件安全保護。

3.1 控制系統上位軟件的主要功能

（1）可在增壓過程中設定輸出壓力值和升壓速率，控制系統增壓過程。

（2）動態顯示參數和動畫伸縮條顯示參數；設備的運行、管道流通和閥門的工作狀態采用動畫設計，可隨時觀察設備狀態。

（3）監控氫濃度監測儀，現場氫濃度不正常時，系統報警。

（4）能獨立自動和手動遠距離操作完成測試過程，到達目標壓力亮光報警。

（5）系統安全可靠，系統達到最高自動停機設定壓力值后自動停機；具有過載保護功能及加載過程隨時停機功能。

3.2 上位軟件主要特點

根據獲得數據進行動態曲線繪制；靈活的參數設置和顏色設置；可輸出多種格式的曲線圖片；采用數據庫保存參數和曲線圖；靈活的報表輸出（Word 模板報表輸出功能）；時間軸和參數軸隨時間推進自行壓縮；實現實時曲線和相對曲線的顯示功能；數據庫存儲和查詢功能。能夠進行自動記錄壓力，動態曲線實時顯示及存儲。

3.3 試驗系統硬件配置

（1）控制系統采用符合人體工程學設計的控制臺型式，前臺板可拆卸，方便運輸和搬入控制室。控制臺需要防護門，不適用時可以上鎖保護。控制臺預留一臺液晶顯示器位置，方便用戶以后接入視屏監控。

（2）控制系統硬件采用研華工控機作為上位機，西門子PLC作為下位機，19 英寸液晶顯示器。

（3）控制臺附件采用施耐德或ABB 等進口品牌原器件、提高控制系統穩定性，減少系統維護。

（4）采用高精度線性電源和濾波器件為傳感器提供電源，防止外界干擾，提高數據精確度。

3.4 試驗系統軟件配置

（1）軟件制作為標準的安裝軟件，方便軟件管理和重裝系統后的軟件安裝。

（2）采用統一密碼管理，區分管理員和操作員，可進行不同的軟件功能操作。

（3）可輸出EMF、JPG 和BMP 等多種格式的曲線圖片。

（4）靈活的報表輸出（Word 模板報表輸出功能、用戶可以定制、修改報告格式和內容），可實現單一檢測報告、報告封面套打等功能。

（5）動態顯示參數和動畫伸縮條顯示參數；設備的運行、管道流通和閥門的工作狀態采用動畫顯示設計，使操作者能清楚系統的整個流程，動態觀察系統運行和參數變化情況。

4 結束語

本系統方案的實施可進行車載儲氫氣瓶耐壓時間測定、車載儲氫氣瓶爆破壓力測試、車載氣瓶疲勞檢測等多種評定，為設計制造提供準確數據支持，對產品使用來說，能更好了解氫氣瓶的使用，規避安全隱患。