揭秘70MPa车用高压储氢瓶阀液压爆破试验

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提及氢燃料电池汽车，“安全”一直是无法回避的关键问题。

众所周知，由于氢及燃料电池技术在我国普及度较低，氢气作为易燃、易爆品，在制备、储运、加注和使用过程中均有潜在的泄漏和爆炸隐患，氢安全成为氢能应用和大规模商业化推广的重要前提。

储氢系统作为燃料电池汽车不可缺少的组成部分，是影响燃料电池汽车使用安全和整体稳定性的重要因素之一，主要由高压气瓶、瓶阀、减压阀等零部件组成。其中，瓶阀作为储氢系统的关键一环，有密封气瓶、控制气体导通启闭的作用，一旦其安全质量出现问题，将会影响储氢系统及燃料电池汽车的正常使用，严重时还会引发安全事故。

因此，研发安全性高、密封性强，具有良好开关特性的车用高压瓶阀，保障储氢气瓶必须始终处于安全状态，成为高效解决储氢难题，推动氢能及燃料电池汽车产业化安全发展的关键因素。

日前，未势能源自主研发的首款70MPa车用高压储氢瓶阀正式发布，凭借高安全性、高集成度、高稳定性，小型化、轻量化、长寿命、低成本的技术优势，实现国产化高压阀门在攻坚“卡脖子”关键技术上的重要突破，填补自主企业在国内氢能产业的一项关键空白，引发市场强烈期待。

与此同时，该产品的安全性和有效性，也成为业界最为关注的话题之一。

70MPa车用高压储氢瓶阀

那么，70MPa车用高压储氢瓶阀究竟是否安全、是否符合安全技术要求、是否能够满足当前市场需求，未势能源研发人员又是通过哪些关键测试，保障其品质实现高安全性和高稳定性的呢？

对此，小编带着种种疑问，采访了未势能源储氢系统开发部专家，详细揭秘关键试验全流程测试，带您一起探寻70MPa车用高压储氢瓶阀背后的安全秘密。

01  专家讲述液压爆破试验原理175MPa下验证产品可靠性

据未势能源储氢系统开发部专家表示，为了保证高压瓶阀产品的安全性、可靠性及基本性能，在研发过程中需要进行大量试验，主要有液压爆破试验、液压循环、泄漏、氢气循环、耐振性、耐腐蚀性等试验。其中，液压强度爆破和泄漏密封式对整车氢安全有着重要的意义，在满足这两项基本的性能指标之后才可以继续进行后续的寿命耐久等试验。

液压爆破试验是通过增压设备按照一定的升压速率向瓶阀内加压，在瓶阀不泄漏、不破裂情况下，测试阀体中各个受压零件的最大耐压能力。

未势能源自主研发的70MPa氢气用高压阀门，在液压爆破测试过程中，设计工作压力为70MPa，主要由电磁阀、应急泄放阀、TPRD、手动截止阀组成，瓶阀PID如图1所示：


图1

根据GB/T35544要求，瓶阀的最小爆破压力应大于2.5倍工作压力，即175MPa。阀体材料为铝合金6061T6，屈服强度为320MPa，抗拉强度为350MPa。通过ANSYS workbench软件建立仿真模型、进行强度分析：



如图2所示，在175MPa的最小爆破压力作用下，阀体最大应力值为290MPa，小于阀体的屈服强度，满足设计强度要求。


图2

仿真结果如下：



02  先进的试验设备，满足高严苛测试标准

据专家介绍，未势能源储氢系统研发团队在产品研发过程中，遵循以客户需求为导向的“ V”流程正向开发理念，从产品研发的价值到产品质量的应用，尤其针对产品概念设定前的痛点研究，均进行了大量的科学数据分析和核心技术研究，并针对产品试制测试需求，相应地引进了多套欧美高端专业检测设备，建立了完善试验室等，从源头着手、从各个精细环节着手，全力保障其产品质量在应用过程中的安全，液压爆破试验室就是其中之一。


图3

未势能源液压爆破试验室测试专用设备为德国MAXIMATOR公司p17030型号液压爆破测试系统，该系统输出结果准确可靠，最高压力可达400MPa，压力传感器精度为0.25级，测试介质为Frezzium-60，具有压缩系数低、耐高低温的优点，设备实物如图3所示。


图4

专家指出，液循环系统能够模拟环境的温湿度和调整充入介质的温度，通过该试验过程中的失效模式分析，能够得出阀体开裂、应急泄放阀泄漏、手动阀泄露、TPRD破裂等可能存在的安全隐患问题，为改进产品工艺、保障质量安全提供重要技术支撑。


图5


图6


图7

在测试过程中，如图5所示，实际测试结果为介质从TPRD泄放口喷出，阀体及其他位置均未发生泄漏和破裂，与强度仿真结果相符。测试压力曲线如图6所示，最终爆破压力为233.58MPa。经拆解发现，失效方式为TPRD玻璃球破裂，密封圈破损，如图7所示。瓶阀中TPRD结构由玻璃感温球、密封圈、活门、支架及排放口组成，如图8所示，玻璃感温球受力方向为轴向，轴向最低承受载荷为4800N，受力面积为直径5.5mm圆孔，轴向最低承受压力为202MPa。因此，瓶阀玻璃球处破裂的爆破压力应大于202MPa，与实际测试结果一致。

经过多次抽样测试，未势能源自主研发的首款70MPa车用高压储氢瓶阀最小爆破压力大于214.72MPa，大于2.5倍的瓶阀工作压力（175MPa），其性能指标数据均达到预期设计要求，完全满足国标35544的测试要求。

另外，据专家透露，未势能源70MPa车用高压储氢瓶阀截止目前已经完成10余项关键测试，包括瓶阀液压爆破测试、液压循环测试、高低温内外漏测试等，测试结果显示，整体性能指标均达到预期设计要求，并满足市场高性能需求，该产品现已进入量产前最后测试阶段，生产制造工作也已初步启动，并计划于2020年下半年正式投放市场。

03  写在结尾

液压爆破试验是保证瓶阀安全性的最基本测试，总体来说对储氢系统的整体性能及燃料电池汽车的安全性能起着决定性作用。该试验的顺利通过，进一步验证了未势能源70MPa车用高压储氢瓶阀产品设计高稳定性和安全性特点， 且远超国际行业标准需求，为自主车载储氢系统及更高压高端部件研制提供了重要参考经验，引领我国氢能产业链关键技术实现向上突破。