加氫站超高壓閥門研發(fā)現(xiàn)狀與思考

郝加封 趙 斐 曲偉強(qiáng) 滕磊軍 孫擁軍

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074）

0 引言

化石燃料等傳統(tǒng)能源的消耗和日益嚴(yán)峻的環(huán)境壓力，使人們對(duì)新型清潔能源的需求越來越大。氫能和氫燃料電池由于環(huán)保性能好、能量轉(zhuǎn)化效率高并且具有一定的經(jīng)濟(jì)性，而越來越受到世界各國的重視[1]。美國、日本、韓國以及歐盟各國均在積極布局氫能產(chǎn)業(yè)[2]，特別是日本提出了構(gòu)建“氫能社會(huì)”的國家戰(zhàn)略和發(fā)展路線圖，在氫能技術(shù)和利用領(lǐng)域走在了世界的前列[3]。我國也先后在“十三五”規(guī)劃的多個(gè)政策文件中，明確提出將“氫能與燃料電池”作為戰(zhàn)略任務(wù)和重點(diǎn)任務(wù)來大力發(fā)展，明確了我國氫能標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展戰(zhàn)略和技術(shù)路線圖[4]。

為了促進(jìn)氫能的發(fā)展，必須要完善其基礎(chǔ)設(shè)施。但目前我國只有25 個(gè)加氫站，運(yùn)營數(shù)量?jī)H占全球的1%左右，因此，加氫站的建設(shè)是發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)必須要解決的問題。目前國際上技術(shù)比較成熟的是35 MPa 和70 MPa 加氫站，我國主要是35 MPa 加氫站，而70 MPa 加氫站正在研發(fā)階段，高壓和超高壓加氫站成為未來的發(fā)展趨勢(shì)。2016 年建成的大連高新70 MPa 加氫站，采用了新型氫氣加注和儲(chǔ)存技術(shù)，是我國首座利用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電原理制氫的70 MPa 加氫站[5]。

現(xiàn)階段，我國加氫站建設(shè)所需要的關(guān)鍵單體設(shè)備，沒有量產(chǎn)的成熟產(chǎn)品，大多依靠進(jìn)口，導(dǎo)致加氫站的建設(shè)成本較高。為了推動(dòng)我國加氫站的建設(shè)，就需要實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)化，超高壓閥門的研制就是其中很重要的一項(xiàng)內(nèi)容。

該文梳理了加氫領(lǐng)域國內(nèi)外超高壓閥門的研發(fā)現(xiàn)狀，指出了研發(fā)的技術(shù)難點(diǎn)，并提出了一些研發(fā)建議，希望可以為超高壓閥門的國產(chǎn)化提供一些參考。

1 國內(nèi)外超高壓閥門研發(fā)現(xiàn)狀

1.1 國外超高壓閥門研發(fā)現(xiàn)狀

國外超高壓閥門制造廠商主要有美國的HiP 公司、Autoclave Engineers 公司和BuTech 公司。HiP 公司專門從事高壓超高壓管件和閥門的研發(fā)和生產(chǎn)，主要產(chǎn)品是高壓球閥和高壓針閥，該公司低壓產(chǎn)品的壓力達(dá)到35 MPa，超高壓產(chǎn)品的壓力可以達(dá)到1 000 MPa。Autoclave Engineers公司是一家規(guī)模比較大的公司，是著名的高溫、高壓和超高壓閥門制造廠商，產(chǎn)品應(yīng)用于電力、石油和航天等領(lǐng)域。該公司生產(chǎn)的高壓、超高壓閥門規(guī)格較多，產(chǎn)品工作溫度從-250 ℃～649 ℃不等，產(chǎn)品規(guī)格在1.4 mm～25 mm，閥門產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)方式包括手動(dòng)、氣動(dòng)等多種方式，閥門的最高壓力也可以達(dá)到1 000 MPa。

BuTech 公司成立于1973 年，主要生產(chǎn)高溫高壓閥門及配件，獲得了美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-I-45208A 認(rèn)證，與三菱重工、通用等公司長(zhǎng)期合作，產(chǎn)品主要用于電力、化工、石油和天然氣等領(lǐng)域，該公司生產(chǎn)的球閥壓力最高可以達(dá)到1 000 MPa，使用的溫度范圍也非常廣，從-253 ℃～649 ℃不等，口徑從2 mm～25 mm 不等。

從高壓超高壓閥門產(chǎn)品調(diào)研中可以看出，國外的閥門產(chǎn)品的工作壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了70 MPa，完全可以滿足加氫站的建設(shè)需求。

此外，德國的WEH 公司專門生產(chǎn)氫能相關(guān)的閥門和加氫裝置，該公司生產(chǎn)的氫氣專用高壓閥門的壓力可以達(dá)到42 MPa，公稱直徑尺寸為12 mm，功能多樣化，有手動(dòng)和氣動(dòng)2 種不同的控制方式。

圖1 是國外手動(dòng)和氣動(dòng)超高壓截止閥，從圖中可以看出，由于超高壓的密封要求，閥門需要的密封力比較大，因此，相對(duì)于閥體，氣動(dòng)閥門氣缸的尺寸非常大。圖2 是國外BuTech 公司和WEH 公司生產(chǎn)的高壓超高壓球閥。

1.2 國內(nèi)超高壓閥門研發(fā)現(xiàn)狀

從目前的調(diào)研情況來看，國內(nèi)高壓閥門制造廠商主要有富瑞特裝和星箭等公司，富瑞特裝公司的產(chǎn)品主要針對(duì)氫能和CNG 等新能源市場(chǎng)，閥門產(chǎn)品的最高壓力能達(dá)到42 MPa。

圖3（a）為富瑞特裝公司的高壓球閥，該產(chǎn)品地的控制方式為手動(dòng)控制。星箭的產(chǎn)品主要面向軍工和航天企業(yè)，從20 世紀(jì)80 年代開始與航天單位進(jìn)行合作，閥門通徑從DN10～DN50 不等，控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括手動(dòng)、氣動(dòng)和電磁等不同方式，產(chǎn)品的最高工作壓力可以達(dá)到35 MPa。這兩家公司的產(chǎn)品都能滿足35 MPa 加氫站的建設(shè)要求。上海瀚氫動(dòng)力專門從事供氫系統(tǒng)的設(shè)備研發(fā)，包括泵、閥和壓力容器等設(shè)備。該公司已經(jīng)生產(chǎn)出了70 MPa 高壓截止閥，如圖3（b）所示。產(chǎn)品通徑為6 mm，能夠滿足70 MPa加氫站的建設(shè)需要，但驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)僅有手動(dòng)一種方式，沒有氣動(dòng)裝置。北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所已研發(fā)出100 MPa 超高壓氣動(dòng)截止閥，重量和體積與國外產(chǎn)品相近，如圖4 所示。。密封性能完全可以取代進(jìn)口產(chǎn)品，即將進(jìn)行量產(chǎn)，其成本低，在市場(chǎng)上具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

山藥體內(nèi)含水量高達(dá)85%左右，山藥既耐旱又要吸收大量水分。能否有足夠的水分保證山藥各個(gè)生長(zhǎng)期的需要，是影響山藥正常生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素。

圖1 國外超高壓截止閥產(chǎn)品

圖2 國外超高壓閥門產(chǎn)品

對(duì)國內(nèi)外高壓超高壓閥門產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比可以看出，國外閥門廠商起步較早，并且公司規(guī)模都比較大，實(shí)力很強(qiáng)。國外加氫站發(fā)展更快，對(duì)超高壓閥門的需求量較大，廠商投入了大量資源進(jìn)行超高壓閥門產(chǎn)品研發(fā)。而相對(duì)來說，國內(nèi)的閥門廠商起步較晚，超高壓閥門產(chǎn)品較少，國內(nèi)超高壓閥門產(chǎn)品主要還是依賴進(jìn)口。所以，國內(nèi)超高壓氫氣閥門廠商的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手還是國外廠商。國內(nèi)加氫站的發(fā)展必然會(huì)帶動(dòng)超高壓閥門市場(chǎng)的發(fā)展，更多的國外產(chǎn)品會(huì)進(jìn)入中國市場(chǎng)，國外超高壓閥門的優(yōu)勢(shì)是技術(shù)成熟并且應(yīng)用廣泛，但進(jìn)口產(chǎn)品的價(jià)格較高，所以價(jià)格將是我國產(chǎn)品的一個(gè)重要競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，也是未來影響國內(nèi)氫氣閥門市場(chǎng)格局的一個(gè)重要因素。

圖3 國產(chǎn)高壓閥門

圖4 100 MPa 超高壓氣動(dòng)截止閥

2 超高壓閥門結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與技術(shù)難點(diǎn)

由于使用條件特殊，超高壓閥門一般尺寸較小，為0.635 cm～3.810 cm。而且閥門的結(jié)構(gòu)樣式很多，可以適應(yīng)不同的工作條件。目前氫能領(lǐng)域采用的超高壓閥門主要是截止閥和球閥2 種結(jié)構(gòu)。

2.1 超高壓截止閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1.1 超高壓截止閥結(jié)構(gòu)型式

截止閥有多種結(jié)構(gòu)型式，具體結(jié)構(gòu)如圖5 所示。其中圖5（a）為直通式超高壓截止閥，圖5（b）為直角式超高壓截止閥，圖5（c）為三通閥門兩進(jìn)一出超高壓截止閥，圖5（d）為三通閥門一進(jìn)兩出超高壓截止閥。這4 種截止閥結(jié)構(gòu)都是氫氣專用的，尺寸為0.635 cm～2.540 cm，壓力條件從70 MPa～140 MPa不等，屬于氫能高壓和超高壓閥門。

2.1.2 超高壓截止閥密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

超高壓截止閥與傳統(tǒng)截止閥的結(jié)構(gòu)基本相似，圖6 是一個(gè)壓力條件為140 MPa 的超高壓截止閥的結(jié)構(gòu)圖，閥門的通徑是4 mm。從圖中可以看出，閥門密封面采用了斜面密封的方式，這種密封結(jié)構(gòu)的好處是加工方便，并且后期維修也比較容易。零件2 是閥桿，材料是0Cr17Ni4Cu4Nb，含有馬氏體，強(qiáng)度和硬度都比較大。閥體采用了316L 不銹鋼材料，可以保證閥體的強(qiáng)度和抗腐蝕性。零件4 是填料，材料是聚四氟乙烯，通過填料壓蓋（零件5）來保證與閥桿接觸位置的密封性。總體來說，截止閥的密封結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，采用了斜面密封和填料密封2 種方式進(jìn)行高壓密封，拆卸和維修都比較容易。

圖5 超高壓截止閥結(jié)構(gòu)型式

圖6 超高壓截止閥裝配圖

2.2 超壓球閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.2.1 超高壓球閥結(jié)構(gòu)型式

球閥結(jié)構(gòu)可以分為雙通和三通2 種。圖7 為HIP 公司生產(chǎn)的雙通和三通超高壓球閥，圖7（a）是雙通型球閥。圖7（b）為三通式的球閥，三通型球閥又分為90°和180°2種，如圖8 所示，口徑從0.25 cm ～2.54 cm 不等，壓力條件從70 MPa～140 MPa，這幾種球閥結(jié)構(gòu)都是氫能專用的。

圖7 超高壓球閥結(jié)構(gòu)

2.2.2 超高壓球閥密封結(jié)構(gòu)

圖9 是一個(gè)超高壓球閥的主體部分結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)球閥的結(jié)構(gòu)類似。整體采用閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)球體轉(zhuǎn)動(dòng)的方式完成閥門的開關(guān)。球體左右各有一個(gè)閥座，閥座的硬度較高，是一種非金屬材料。閥桿與閥體部分的密封依然采用填料密封的方式，為了保證密封效果，超高壓球閥加入了2 道填料密封，如圖9 中序號(hào)4 所示，填料的材料為聚四氟乙烯。該閥門上方有一個(gè)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，以此來完成閥門的開關(guān)動(dòng)作。

2.3 超高壓閥門研發(fā)的技術(shù)難點(diǎn)

2.3.1 超高壓條件下密封問題

密封型式一般有平面密封、錐面密封以及線密封。平面密封的軸向載荷過大，密封效果不如錐面密封。線密封的密封比壓高，更適合超高壓條件，但對(duì)加工的要求更高，后期維修難度也更高。錐面密封的密封效果好，便于加工，應(yīng)用比較普遍，但其關(guān)閉過程存在摩擦的現(xiàn)象，如圖10 所示。各種密封結(jié)構(gòu)都有其優(yōu)缺點(diǎn)，具體的密封形式需要視實(shí)際情況而定。

在超高壓條件下，氣體對(duì)密封結(jié)構(gòu)施加的壓力更大，在間隙相同的情況下比常壓泄漏量大幾倍甚至是幾十倍，并且由于氫氣屬于易燃?xì)怏w，泄露量過大會(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重的后果，因此，對(duì)于超高壓條件下密封材料的選擇和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行綜合分析，并進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證。超高壓條件對(duì)密封面也提出了更高的要求，超高壓條件需要更高的密封比壓，需要硬度和強(qiáng)度更高的密封面材料。

2.3.2 超高壓條件的閥門可靠性問題

常見的閥門以中壓或高壓為主，國內(nèi)也是以中壓或高壓條件的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行閥門設(shè)計(jì)的，關(guān)于超高壓條件的內(nèi)容也比較少，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)出的閥壁較厚，并且安全性和可靠性等都無法得到保證。此外，對(duì)于超高壓閥門的研發(fā)并沒有相關(guān)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和成熟的設(shè)計(jì)理論可供參考，需要理論計(jì)算與試驗(yàn)相結(jié)合。

3 對(duì)超高壓閥門研發(fā)的建議

3.1 關(guān)于超高壓密封問題的建議

對(duì)于高壓和超高壓條件來說，密封材料和結(jié)構(gòu)決定了閥門的性能。閥體和閥桿可以采用不銹鋼材料，對(duì)密封表面粗糙度的要求很高。閥桿中部位置的密封處也需要滿足高壓超高壓條件下的密封要求。對(duì)閥門不同位置處的密封，采用不同的密封形式，O 型圈、墊片、填料這種常規(guī)的密封結(jié)構(gòu)在超高壓的閥門中也可以應(yīng)用。

在超高壓條件下，也可以考慮采用泛塞封的密封方式，該密封方式的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以選用抗腐蝕的材料，具有自密封的特點(diǎn)，當(dāng)壓力提高時(shí)，泛塞封的密封壓力也會(huì)提高，這樣就可以提高超高壓條件下的密封效果。目前市場(chǎng)上的泛塞封已經(jīng)可以在200 MPa 的壓力條件下使用。

Y 型密封、直角密封和腳型密封是近年來常用的密封結(jié)構(gòu)，也可以滿足在100 MPa～200 MPa 的超高壓條件下工作，可以考慮在在閥體與閥桿間。此外，還需要對(duì)氫氣閥門的具體密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步研究，具體情況具體分析。

圖8 三通型球閥結(jié)構(gòu)型式

圖9 DN6 超高壓球閥

圖10 錐面密封

3.2 關(guān)于超高壓可靠性問題的建議

按照常規(guī)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的閥門，已經(jīng)不能完全保障其在超高壓條件下的安全性和可靠性。因此，為了保證設(shè)計(jì)的可靠性和安全性，需要進(jìn)行有限元仿真分析，并進(jìn)行強(qiáng)度和壽命的相關(guān)試驗(yàn)，對(duì)閥門的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證和校核，確保閥門在超高壓條件下安全的運(yùn)行。此外，為了保證設(shè)備在不同條件下的安全運(yùn)行，必須進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)，包括氣密性試驗(yàn)、跌落試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)以及腐蝕性試驗(yàn)等。

4 結(jié)語

加氫站所需的超高壓閥門單體設(shè)備的研發(fā)是加氫站基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的前提。只有在結(jié)合實(shí)際情況合理規(guī)劃研發(fā)路線的基礎(chǔ)上，穩(wěn)定有序地進(jìn)行超高壓閥門設(shè)備的研發(fā)，才能在技術(shù)上少走彎路，提升產(chǎn)品的可靠性。新產(chǎn)品開發(fā)需要時(shí)間，需要研發(fā)人員結(jié)合實(shí)際使用需求，不斷創(chuàng)新，不斷地優(yōu)化產(chǎn)品性能，不斷提高產(chǎn)品使用的便捷性、安全性、實(shí)用性和可維修性。此外，還需要考慮生產(chǎn)成本與市場(chǎng)推廣。這就要求研發(fā)人員對(duì)產(chǎn)品開發(fā)的整個(gè)路徑有一個(gè)清晰明確的規(guī)劃，這樣才能創(chuàng)造出適用于市場(chǎng)的成熟產(chǎn)品。