氫能源車液氫閥門密封性能判定方法與真實介質試驗研究

魏金瑩，宋建軍，劉 斌

（北京航天試驗技術研究所，北京 100074）

0 引言

隨著全球氣候環境保護形勢日益嚴峻，氫能在世界范圍內備受關注，能源供給改革成為當下社會政治、經濟、技術關注的熱點。預計到2030年，全球燃料電池乘用車將達到1 000萬輛至1 500萬輛。為了滿足燃料電池車對氫的需求，必須配備氫氣或液氫瓶，而液氫存儲量遠遠大于氫氣氣瓶，是車載儲氫瓶的發展趨勢。自1990年日本武藏大學研制了第一輛液氫動力車以來，眾多國家開始研究突破液氫動力車相關的關鍵技術。2019年北汽福田正式公布全世界第一款液氫重卡32T型。相應地，車載液氫瓶和液氫瓶閥門及其質量必然受到重視。液氫易燃易爆，如果液氫閥門密封性能不達標，將存在很大安全隱患。為了保證閥門的密封性能，必須采用合理的檢測方法。目前液氫閥門低溫內漏檢測在液氮溫區下進行，外漏用常溫下的氦質譜檢漏方法檢測，都不能反映液氫工況下的實際泄漏情況。本研究模擬真實工況，采用液氫介質，檢測閥門的低溫動作、溫度循環性能和泄漏情況，并提出液氫閥門密封性能檢測方法和合格性要求，為氫能源車液氫閥門型式試驗提供參考。

1 現有液氫閥門密封性能檢測依據

1.1 常規液氫閥門密封性能檢測依據

由于液氫易燃易爆，對試驗設施和人員的安全要求較高，加上價格昂貴，市場上不易獲得，目前國內外液氫閥門制造商對于液氫閥門的泄漏檢測均采用低溫閥門的相關標準，用液氮進行檢測。眾多企業采用浸漬法，以國際標準ISO 28921-1-2013《Industrial valves.Isolating valves.for low temperature applications.Design，manufacturing and production testing》作為依據[1]，檢測液氫閥門的密封性能，試驗裝置如圖1所示。該標準的適用范圍為：公稱尺寸為DN10～DN900、公稱壓力為1.6～25 MPa、溫度為77～223 K。該標準不包括DN＞100、公稱壓力為25 MPa的閥門。從以上溫度適用范圍來看，該標準明顯不包括液氫閥門測試，由于沒有相應標準，很多廠家依然采用此標準來檢測液氫閥門。該標準對閥門內漏測試要求如表1所列。閥門外漏指標為：閥桿和閥蓋周邊不能超過5×10-5（體積分數）或者閥桿直徑上每毫米漏率不超過1.78×10-7Pa·m3·s-1；閥蓋或閥體連接處密封直徑上每毫米漏率不超過1.78×10-8Pa·m3·s-1。試驗過程中應連續10 s以上泄漏量或漏率值不超過以上指標。

圖1 浸漬法試驗裝置Fig.1 Impregnation testdevice

表1 ISO 28921-1標準閥座最大允許漏率Tab.1 M aximum allowable seat leakage rate perm illimeter of nom inalseat diameter

目前國內沒有專門針對液氫閥門檢測的標準，閥門廠家主要根據GB/T 24925-2019《低溫閥門技術條件》中規定的相關測試流程及標準進行檢測，其中內漏試驗如圖2所示[2]。GB/T 24925-2019中的測試裝置不僅可以用氦氣，也可以用氮氣作為測試氣體。該標準規定：如果閥門有逸散性測試要求，須按照JB/T 12622《液化天然氣閥門性能》進行檢測[3]，將閥門從試驗容器中取出，用氦檢漏儀迅速檢查閥門填料處、閥體和閥蓋連接處的密封性能，具體方法見GB/T26481-2011《閥門的逸散性試驗》附錄A[4]。要求如表2所列。GB/T 24925-2019適用范圍是：公稱壓力為1.6～40 MPa、公稱尺寸為DN15～DN1200、介質溫度為77～244 K的法蘭、對夾和焊接連接的低溫閘閥、截止閥、止回閥、球閥和蝶閥[2]。其他低溫閥門亦可參照使用。

圖2 低溫閥門內漏試驗原理圖Fig.2 Typicalschematic of cryogenic valve testing principle

表2 GB/T 24925-2019《低溫閥門技術條件》低溫密封性能試驗要求Tab.2 Sealing p roperty requirem entsof low tem perature valve in GB/T 24925-2019（Low tem perature valve-Technicalspecifications）

1.2 車載液氫閥密封性能檢測依據

1.2.1 全球氫燃料電池汽車技術法規（GTR13）[5]

為了減少溫室氣體排放，有效地協調各國的安全技術要求、促進氫能源車的發展，提高公眾接受度，聯合國歐洲經濟委員會成立工作組，編寫了與現有燃油汽車安全要求相近、基于氫氣和液氫性能的《GTR13：Global technical regulation on hydrogen for fuel cell vehicles》（全球氫燃料電池汽車技術法規）。該法規是全球氫燃料電池汽車各部分性能考核的準則，各簽約國必須在其國內進行推廣。該法規第七章中關于液氫儲存系統的要求為非強制性可選項，這主要是因為相對于配備高壓氫氣瓶系統的氫能源車，配備液氫存儲系統的氫能源車實踐經驗有限并只限于示范車輛，沒有對安全要求進行全面評估，因此雖然規范對液氫儲存系統的要求已經通過相關技術討論，但沒有經過實際驗證，并非強制執行內容。

GTR規定了液氫閥門外漏試驗及指標要求，即在大氣壓和最大允許工作壓力間，測試零件不應該在閥桿、密封或其他接頭處出現泄漏，也不應該出現鑄孔。閥門外漏測試也分為環境溫度、低溫和高溫三種情況，其中針對低溫泄漏，試驗前應首先將閥門在最低操作溫度或在液氮溫度下預冷足夠時間以確保熱穩定性。試驗過程中，必須將試驗零件與氣源相連，并在氣源管路上安裝一個正壓截止閥和一個壓力表。壓力表測量范圍為0～（1.5～2.0）倍試驗壓力，精確度為量程的1%，安裝在正壓截止閥和試驗零件之間。試驗過程中，用表面活性劑測試泄漏情況，如果沒有發現氣泡或者漏率低于6.0×10-3Pa·m3·s-1為合格[5]。GTR未規定液氫閥門內漏檢測規范。

1.2.2 歐洲汽車指令（No.406/2010-EU）[6]

歐洲汽車指令No.406/2010-EU《歐洲議會和理事會關于氫能源車型式認證的第79/2009號法規（EC）》（Implementing Regulation（EC）No 79/2009 of the European Parliament and of the council on typeapprovalofhydrogen-poweredmotor vehicles）是歐盟為了確保氫能汽車能夠以安全可靠的方式加注燃料，所采用氫氣儲罐、液氫儲罐的統一規則。第三部分為液氫儲罐以外的零部件安全要求。針對液氫閥門，該指令與GTR完全相同，也要開展環境溫度、高溫和低溫外漏測試，且測試方法相同。規定在試驗過程中，在大氣壓和最大允許工作壓力之間，用表面活性劑測試泄漏情況，如沒有發現氣泡或者漏率低于2.78×10-9m3·s-1為合格，與GTR中的6.0×10-3Pa·m3·s-1相比，泄漏指標要求更高。

該指令在4.12章節提出了閥座密封測試（即內漏測試）要求：測試須在外漏試驗完成后進行，測試過程為：首先將試驗零件與氣源相連，且保持閥門關閉；在氣源管路上安裝一個正壓截止閥和一個壓力表；壓力表測量范圍為0～（1.5～2.0）倍試驗壓力，精確度為量程的1%，安裝在正壓截止閥和試驗零件之間；在保證閥門關閉的情況下，將閥門出口管浸入水中或在閥門進口側安裝一個流量計進行檢漏，流量計精度在±1%以內。

測驗過程中，在大氣壓至最大允許工作壓力間，閥門關閉的情況下，截止閥的最大漏率不超過2.78×10-9m3·s-1為合格；單向閥在出口關閉的情況下，在50 kPa至最大允許工作壓力間，漏率不超過2.78×10-9m3·s-1；如果單向閥用作安全裝置，加注連接件時漏率不超過2.78×10-9m3·s-1；減壓閥在0～0.9倍設定壓力情況下漏率不超過2.78×10-9m3·s-1[6]。

1.2.3 SAE J2579-2018《燃料電池和其他車輛中燃料系統標準》[7]

SAE美國機動車工程學會（Society of Automo?tive Engineers）成立于1905年，是國際上最大的汽車工程學術組織。SAE制定的標準廣泛為汽車行業和其他行業采用，并有相當部分被作為美國國家標準。其中該組織的SAE J 2579-2018《Technical In?formation Report for Fuel Systems in Fuel Cell and Other Hydrogen Vehicles》《燃料電池和其他車輛中燃料系統標準》第5章為車載儲氫系統的技術要求，5.1節明確了車載液氫系統結構組成及基本的安全要求，但并未專門針對液氫閥提出檢測要求，而是在附錄E部分提出了氫系統內外漏指標要求，其中自動閥門的內外漏要求為氫氣漏率不超過2.78×10-4～8.33×10-4Pa·m3·s-1。手動截止閥（兩通或三通閥）、限流閥、壓力調節閥、單向閥內外漏指標為氫氣漏率不超過2.78×10-4Pa·m3·s-1。溢流閥外漏要求為氫氣漏率不超過2.78×10-4～8.33×10-4Pa·m3·s-1，內漏指標應該滿足系統要求[7]。

2 閥門泄漏指標的確定

2.1 閥門外漏指標的確定

低溫閥門標準ISO 28921-1和GB/T 24925-2019盡管被國內外眾多液氫閥門生產廠家所采用，但適用溫度范圍不低于77 K，因此該標準僅供液氫閥門生產者和使用者參考。假定一臺氫能源乘用車的車載液氫瓶置于后備箱內，后備箱容積為500 L，將上述指標按照標準ISO 28921-1換算后閥桿和閥蓋周邊漏率不大于0.25 Pa·m3·s-1。

按照GB/T 24925-2019換算后可得閥門填料密封處的漏率不大于5.56×10-3Pa·m3·s-1，法蘭墊片密封處的漏率不大于2.78×10-3Pa·m3·s-1。《GTR13：Global technical regulation on hydrogen for fuel cellve?hicles》（全球氫燃料電池汽車技術法規）規定的泄露量低于6.0×10-3Pa·m3·s-1，EN 406-2010-EU《歐洲汽車指令氫動力汽車供氫系統》規定的漏率低于2.78×10-4Pa·m3·s-1。目前國內沒有車載液氫閥泄漏標準，但對于車載氫氣瓶閥門出臺了標準GB/T 35544-2017《車用壓縮氫氣鋁內膽碳纖維全纏繞氣瓶》，該標準附錄B中提出了閥門外漏型式試驗要求：若在規定的試驗時間內沒有氣泡產生為合格，若檢測到氣泡，則應采用適當方法測量漏率，氫氣的漏率不應超過2.78×10-4Pa·m3·s-1[8]。考慮到液氫瓶閥門和氫氣瓶閥門均安裝在乘用車或商用車上，氫氣瓶閥門標準具有參考價值。型式試驗是新產品鑒定中不可缺少的環節，只有通過型式試驗，該產品才能正式投入生產。因此綜合考慮以上所有標準取最低限制，建議氫能源車液氫閥型式試驗外漏指標的最大值為2.78×10-4Pa·m3·s-1。

2.2 閥門內漏指標的確定

如前所述，由于國內外沒有專門的液氫閥門標準，標準ISO 28921-1和GB/T 24925-2019被液氫閥門廣泛采用。以冷態壓力為1.0×106Pa，公稱通徑為DN10的閥門為例,內漏測試時假定閥門流量計后端壓力均為常壓，即1.0×105Pa，則參照這兩個標準，內漏指標均分別以不超過5.0×10-2Pa·m3·s-1和0.1 Pa·m3·s-1為合格，閥門口徑越大，泄漏量指標越大。歐洲汽車指令No.406/2010-EU《歐洲議會和理事會關于氫能源車型式認證的第79/2009號法規（EC）》的泄漏標準為低于2.78×10-9m3·s-11，同樣假定閥門流量計出口壓力為常壓，相應的泄漏值為2.78×10-4Pa·m3·s-1。SAE J2579-2018《燃料電池和其他車輛中燃料系統標準》的泄漏指標為自動閥不超過2.78×10-4～8.33×10-4Pa·m3·s-1，手動閥不超過2.78×10-4Pa·m3·s-1。這兩個關于車載液氫閥的內漏標準明顯低很多，考慮到液氫的危險性，建議氫能源車型式試驗內漏指標采用各大標準的較低限，即2.78×10-4Pa·m3·s-1。

3 閥門泄漏檢測方案的確定

受某廠家委托對其氫能源車液氫閥門進行低溫動作、溫度循環及泄漏性能研究。低溫動作試驗即模擬真實情況，在液氫溫區下對閥門進行啟閉操作，考察是否有卡阻現象。溫度循環參考《GTR13：Global technical regulation on hydrogen for fuel cellve?hicles》的要求。該法規提出溫度循環試驗方法為：在最高允許工作壓力下對非金屬零件進行48次共96 h的溫度循環測試，試驗溫度從最低操作溫度到最高操作溫度，單次溫度循環時間為120 min，溫度循環試驗結束后再根據泄漏試驗進行測試。由于液氫閥門內有墊片填料等非金屬件，必須進行溫度循環試驗，而對于閥門本身也會經歷從最低開合溫度到最高開合溫度下的操作，有必要進行溫度循環試驗。為此課題組參照試驗要求對閥門進行溫度循環試驗，流程如圖3所示，其中帶銀色保溫材料的手動閥門為被測閥門，試驗過程中打開被測閥門、排放閥和放空閥，通過氫氣瓶增壓將液氫擠壓至被測閥門，當閥門后端溫度顯示為液氫溫區時關閉排放閥和放空閥，停止向被測閥門加注液氫，打開1#和2#吹除閥，并從1#吹除閥處連接氮氣氣源將閥門從液氫溫區逐步升溫至188 K。重復同樣操作48次共96 h完成閥門溫度循環試驗。

圖3 液氫閥門溫度循環試驗流程圖Fig.3 Flow chartof temperature cycle test for cryogenic valve

試驗過程中將液氫排放閥、被測閥門和放空閥打開，被測閥門逐漸降溫，但發現閥門在常溫時操作靈活，71 K時出現卡阻現象，到了液氫溫區之后卡阻現象嚴重，在常溫下用便攜式氫濃度探頭檢測閥門外漏為零，實際情況如圖4所示。其中在54 K溫度時將閥門開合兩次，操作困難，同時發現閥門密封性能急劇惡化，外漏數值從6.4×10-5（體積分數）增至2.7×10-4，再增至4.94×10-4，接下來的降溫過程中增至1×10-3（已達最大量程），實際泄漏數值肯定超過1×10-3。將閥門復溫后外漏又幾乎為零。

圖4 閥門溫度與泄漏量關系圖Fig.4 Correlation between valve temperature and leakage

由于此次試驗閥門卡阻嚴重，外漏量較大，無法應用于車載液氫瓶上，故無須進行試驗。由此可見隨著溫度降低，閥門性能下降明顯。同時如前所述，隨著閥門溫度升高，泄漏逐漸降低直至數值再度變為零，可見溫度對被測閥門密封性能影響很大。因此閥門泄漏試驗如果按照現有國際標準在液氫或液氮溫度下預冷足夠時間再用氫氣檢測（或其他氣體），此時氣體已經使閥門溫度升高，有可能檢測不到泄漏，但不代表閥門在液氫溫度下無泄漏，因此建議采用真實工況檢漏，試驗流程如圖5所示。系統吹掃置換完畢后，將試驗用液氫容器內加入液氫，用氫氣氣源增壓至閥門工作壓力后打開排放閥，增壓氣瓶可以使用氫氣或氦氣。在被測閥門打開的情況下測量閥門外漏數字流量計和水計泡器的泄漏量，閥門兩端設置溫度計，確保閥門到達液氫溫區。同時，考慮到外漏試驗液氫消耗量較大，增設了液氫回收儲罐和氫氣回收裝置，試驗中的液氫留存在液氫回收儲罐中，低溫氫氣經過加熱器后壓縮至氫氣儲罐中回收，而回收的液氫也可以再轉注至液氫試驗容器內繼續進行試驗，節約了成本。

圖5 氫能源車液氫閥門外漏試驗優化流程圖Fig.5 Optim ized flow chartof liquid hydrogen valve external leakage test forhydrogen powered vehicles

閥門內漏試驗過程如圖6所示，當閥門溫度達到液氫溫區后，關閉被測閥門，在放空閥后連接流量計和水計泡器進行計量。

圖6 氫能源車液氫閥門內漏試驗流程圖Fig.6 Internal leakage testof liquid hydrogen valves for hydrogen powered vehicles

測試過程中發現，一旦關閉被測閥門，被測閥門及前后管路很快升溫，被測閥門前后管路溫度在3 min內便從液氫溫區分別升高到86.4～103.6 K，而此時檢測到的氫氣泄漏量主要是被測閥門和放空閥之間的液氫氣化膨脹的氫氣量，并不是真實的泄漏數值，30 min后被測閥門溫度已達到200 K，內漏量幾乎為零。被測閥門管路溫度急劇上升，一方面是由于管路閥門絕熱性能較差；另一方面由于與環境溫度相差很大，一旦停止液氫流動，很容易引起溫度上升，無法保證在液氫溫區下測量氫氣的泄漏量。但考慮到液氫易燃易爆，用在氫能源車上必須嚴格檢測，考察液氫溫區下的泄漏量，為此建議參考圖7流程，將閥門浸泡在液氫里，用氦氣進行檢漏。為確保液氫閥門內部達到液氫溫度，建議在閥外壁和閥流向下游管路內安裝溫度傳感器，保證試驗的準確性。

圖7 氫能源車液氫閥門內漏試驗優化流程圖Fig.7 Optim ized flow chartof liquid hydrogen valve internal leakage test forhydrogen powered vehicles

4 結論

在試驗過程中，發現被試車載液氫閥門在常溫下動作性能和密封性能良好，在液氫溫區動作性能很差，且外漏增大，在復溫過程中各性能又恢復良好，為此建議采用液氫介質模擬真實工況進行檢測。經調研比較各個組織機構標準，將氫能源車液氫閥型式試驗密封性能規定在大氣壓～最大允許工作壓力下，內外漏不超過2.78×10-4Pa·m3·s-1為合格指標。同時考慮到被測閥門數量和類型較少，在今后的試驗過程中應開展大量試驗和研究，進一步優化質量評價體系。