氢气瓶疲劳试验系统方案研究

付俊宏，王 宝，赵晓龙

（1.长庆油田分公司物资供应处，陕西西安 710018；2.渤海装备钻采装备销售公司，天津 300280）

0 引言

随着社会进步，工业发展对能源需求越来越大，并且对能源的要求及使用场合也越来越高。除了最常见的石油产品能源外，太阳能、风能和氢能等新型能源也走进了人们生活。氢能具有储量丰富、燃烧值高、无污染，可再生、高效等优点，被认为是21 世纪最具前景的清洁能源之一，已广泛应用于航天工业，车载能源。

氢的储存有多种方式，例如，高压气体、低温液体，或其他固体储存方式。目前使用氢气瓶储存高压氢气作为主要方式被广泛应用于车载能源，随之带来的是氢气瓶使用的安全问题。本系统研究一套针对氢气瓶在70 MPa 下频繁充气、放气的疲劳测试系统，来评定氢气瓶的安全性。

本系统主要实现氢气瓶的疲劳试验，模拟汽车氢气瓶的充气和放弃过程，并重复多次，直至气瓶损坏。记录充放次数和实施压力、温度。可进行车载储氢气瓶耐压时间测定、车载储氢气瓶爆破压力测试、车载储氢气瓶疲劳检测等多种测试。试验系统方案流程如图1 所示。

1 试验系统设计原理

137.9MPa（20 000 Psi）氢气增压系统核心部件选用美国进口Haskel 氢气专用型气体增压泵，增压效率高、使用安全可靠、寿命长。

系统氢气输入部分配置气动阀、过滤器和压力表，用于控制输入路的通断，监视输入压力。过滤器用于对输入介质进行除杂处理（过滤精度5 μm）。压力表用于实时显示输入介质的压力。

图1 试验系统方案流程

系统分为两级增压，第一级用膜压机，目前化工系统中经常用到的加氢设备，便于维修，工作时间长。安全级别高。排量大。第二级采用Haskel 氢气专用型气体增压泵，在-40 ℃环境，将中压容器中的氢气增压到137.9 MPa（20 000 Psi）。

测试工件时，在控制软件中设定实验压力，软件直接打开高压容器与工件之间的低温截止阀。低温氢气快速将工件充到需求压力，关闭截止阀，保压到额定时间，系统自动打开工件后端截止阀，控制软件通过控制流量调节阀，泄压速度。

泄压分为两步，第一步先开启中压之路，泄压至中压容器，压力达到10 MPa 时，系统自动关闭中压支路，打开低压支路，将压力泄到最低要求。

整个循环管路控制氢气温度，不能升温过快，增压过程中采用风冷降温，泄压路中也会通过温控装置，使氢气控制在0 ℃以上。过程中实时检测因温度变化产生的压力变化。

系统配置氮气吹扫置换支路，试验前需用高纯氮气吹扫置换系统和高压釜内的空气，置换次数不少于6 次，确保系统和高压釜内的空气被置换干净。系统和高压釜试验完成后，需要泄放系统和高压釜内的氢气，再用高纯氮气吹扫置换，消除系统内的残留氢气存在的安全隐患。

考虑可能存在的突发情况（断电等），系统内的泄压气动阀选用常开阀，其余气动阀选用常闭阀。当遭遇突然断电时，系统内的气动阀恢复初始状态，泄压气动阀打开，输入气动阀、空气驱动阀、输出气动阀和吹扫气动阀关闭。这样可以确保氮气/氢气瓶组内的气体不再输送给系统，同时高压釜内的气体也封闭在高压釜内，增压系统停止打压，同时泄放掉增压系统管路中的氢气。确保系统使用安全。

系统工作异常时，例如，系统超压输出，可以通过电器监控台上的急停按钮，实现系统紧急停车。按下急停按钮后，系统内的氢气输入阀、氮气吹扫阀、驱动空气阀和氢气输出阀关闭，同时开启泄压阀，泄放掉系统内的氢气压力，保护系统使用安全。

考虑到系统使用安全，用户现场配置氢浓度报警仪，当检测现场氢气浓度超标时，氢浓度报警仪报警，用户应立即停止试验，排查故障。

系统内的氢气进行统一排放（包括安全阀的泄放），排放管路统一引出试验坑，端部添加氢气专用型阻火器，阻火器适用于室外工作。氢气排放管路应高于试验坑顶部1 m 以上高度进行排放，且满足该介质（氢气）排放的国家相关规定要求。

2 试验系统功能及特点

（1）增压系统内配有高压管路、高压阀门、过滤器及压力表（高压氢气专用压力表）等，均满足该系统介质（100 MPa 高压氢气及氮气）的使用要求且具有相应防爆功能。所有部件承压选型均进行裕度设计，均超过增压釜设计压力的1.5 倍。

（2）阀门入厂后全部逐个复验，装台后再参加整机出产试验。

（3）增压系统所有管路、管件、阀门等出厂前，均进行1.5 倍设计压力耐压试验。

（4）增压系统管路无焊接，可有效降低介质氢气被污染的概率。

（5）增压系统管路和阀门进行严格的除油除杂清洗，确保管路洁净，保证系统使用安全。

（6）增压系统组装完毕后，先采用高纯氮气作为检测介质，按1.5 倍设计压力进行耐压试验，合格后再按设计压力进行致密性试验（采用氦质谱检漏），确保系统强度及气密性要求。

（7）增压系统与高压釜组装完毕后，按高压釜的最高工作压力进行整个系统致密性试验，采用氦质谱检漏方法。

（8）增压系统和排放管路系统设置导静电接地线，所有零部件至导静电连接端子处的电阻值不得超过10 Ω，接地线截面积不小于5.5 mm2，消除系统静电隐患。

（9）在增压泵出口及高压釜入口处各设置一个安全阀，高压釜安全阀与高压釜之间，以及高压釜泄压管路中不得设置其他连接阀门。安全阀的整定压力不得大于增压釜的设计压力，安全阀的排放能力应能保证系统的安全性。

（10）在增压系统和高压釜的撬装结构上设置一个氢气泄漏报警装置。

（11）系统氢气泄压统一汇流排放，泄压管路端部安装一只不锈钢阻火器，阻火器为全天候室外型阻火器。排放管路应安装在高于试验坑顶部1 m 以上高度位置。同时在排放口张贴“氢气排放，严禁明火”等危险标志。

（12）提供高压釜加工接头和配做接头图纸，以及2 套高压釜堵头和配做接头。

3 电器测控监控系统

电器测控监控用于远程控制氢气增压系统和监控测试坑内的情况。监控台硬件采用PLC 作为下位机，进行逻辑控制、安全控制及信号采集；高品质工控机作为上位机，配置19 寸液晶显示屏，方便用户操作和观察增压系统的工作情况。

安全设计控制台考虑接地保护，电源欠压、缺项保护及漏电保护等，确保操作人员操作安全及元器件安全保护。

3.1 控制系统上位软件的主要功能

（1）可在增压过程中设定输出压力值和升压速率，控制系统增压过程。

（2）动态显示参数和动画伸缩条显示参数；设备的运行、管道流通和阀门的工作状态采用动画设计，可随时观察设备状态。

（3）监控氢浓度监测仪，现场氢浓度不正常时，系统报警。

（4）能独立自动和手动远距离操作完成测试过程，到达目标压力亮光报警。

（5）系统安全可靠，系统达到最高自动停机设定压力值后自动停机；具有过载保护功能及加载过程随时停机功能。

3.2 上位软件主要特点

根据获得数据进行动态曲线绘制；灵活的参数设置和颜色设置；可输出多种格式的曲线图片；采用数据库保存参数和曲线图；灵活的报表输出（Word 模板报表输出功能）；时间轴和参数轴随时间推进自行压缩；实现实时曲线和相对曲线的显示功能；数据库存储和查询功能。能够进行自动记录压力，动态曲线实时显示及存储。

3.3 试验系统硬件配置

（1）控制系统采用符合人体工程学设计的控制台型式，前台板可拆卸，方便运输和搬入控制室。控制台需要防护门，不适用时可以上锁保护。控制台预留一台液晶显示器位置，方便用户以后接入视屏监控。

（2）控制系统硬件采用研华工控机作为上位机，西门子PLC作为下位机，19 英寸液晶显示器。

（3）控制台附件采用施耐德或ABB 等进口品牌原器件、提高控制系统稳定性，减少系统维护。

（4）采用高精度线性电源和滤波器件为传感器提供电源，防止外界干扰，提高数据精确度。

3.4 试验系统软件配置

（1）软件制作为标准的安装软件，方便软件管理和重装系统后的软件安装。

（2）采用统一密码管理，区分管理员和操作员，可进行不同的软件功能操作。

（3）可输出EMF、JPG 和BMP 等多种格式的曲线图片。

（4）灵活的报表输出（Word 模板报表输出功能、用户可以定制、修改报告格式和内容），可实现单一检测报告、报告封面套打等功能。

（5）动态显示参数和动画伸缩条显示参数；设备的运行、管道流通和阀门的工作状态采用动画显示设计，使操作者能清楚系统的整个流程，动态观察系统运行和参数变化情况。

4 结束语

本系统方案的实施可进行车载储氢气瓶耐压时间测定、车载储氢气瓶爆破压力测试、车载气瓶疲劳检测等多种评定，为设计制造提供准确数据支持，对产品使用来说，能更好了解氢气瓶的使用，规避安全隐患。