氫氣瓶疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)方案研究

付俊宏，王 寶，趙曉龍

（1.長慶油田分公司物資供應(yīng)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(huì)進(jìn)步，工業(yè)發(fā)展對(duì)能源需求越來越大，并且對(duì)能源的要求及使用場(chǎng)合也越來越高。除了最常見的石油產(chǎn)品能源外，太陽能、風(fēng)能和氫能等新型能源也走進(jìn)了人們生活。氫能具有儲(chǔ)量豐富、燃燒值高、無污染，可再生、高效等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是21 世紀(jì)最具前景的清潔能源之一，已廣泛應(yīng)用于航天工業(yè)，車載能源。

氫的儲(chǔ)存有多種方式，例如，高壓氣體、低溫液體，或其他固體儲(chǔ)存方式。目前使用氫氣瓶儲(chǔ)存高壓氫氣作為主要方式被廣泛應(yīng)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(tǒng)研究一套針對(duì)氫氣瓶在70 MPa 下頻繁充氣、放氣的疲勞測(cè)試系統(tǒng)，來評(píng)定氫氣瓶的安全性。

本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)氫氣瓶的疲勞試驗(yàn)，模擬汽車氫氣瓶的充氣和放棄過程，并重復(fù)多次，直至氣瓶損壞。記錄充放次數(shù)和實(shí)施壓力、溫度。可進(jìn)行車載儲(chǔ)氫氣瓶耐壓時(shí)間測(cè)定、車載儲(chǔ)氫氣瓶爆破壓力測(cè)試、車載儲(chǔ)氫氣瓶疲勞檢測(cè)等多種測(cè)試。試驗(yàn)系統(tǒng)方案流程如圖1 所示。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

137.9MPa（20 000 Psi）氫氣增壓系統(tǒng)核心部件選用美國進(jìn)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(tǒng)氫氣輸入部分配置氣動(dòng)閥、過濾器和壓力表，用于控制輸入路的通斷，監(jiān)視輸入壓力。過濾器用于對(duì)輸入介質(zhì)進(jìn)行除雜處理（過濾精度5 μm）。壓力表用于實(shí)時(shí)顯示輸入介質(zhì)的壓力。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)方案流程

系統(tǒng)分為兩級(jí)增壓，第一級(jí)用膜壓機(jī)，目前化工系統(tǒng)中經(jīng)常用到的加氫設(shè)備，便于維修，工作時(shí)間長。安全級(jí)別高。排量大。第二級(jí)采用Haskel 氫氣專用型氣體增壓泵，在-40 ℃環(huán)境，將中壓容器中的氫氣增壓到137.9 MPa（20 000 Psi）。

測(cè)試工件時(shí)，在控制軟件中設(shè)定實(shí)驗(yàn)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(guān)閉截止閥，保壓到額定時(shí)間，系統(tǒng)自動(dòng)打開工件后端截止閥，控制軟件通過控制流量調(diào)節(jié)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(dá)到10 MPa 時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉中壓支路，打開低壓支路，將壓力泄到最低要求。

整個(gè)循環(huán)管路控制氫氣溫度，不能升溫過快，增壓過程中采用風(fēng)冷降溫，泄壓路中也會(huì)通過溫控裝置，使氫氣控制在0 ℃以上。過程中實(shí)時(shí)檢測(cè)因溫度變化產(chǎn)生的壓力變化。

系統(tǒng)配置氮?dú)獯祾咧脫Q支路，試驗(yàn)前需用高純氮?dú)獯祾咧脫Q系統(tǒng)和高壓釜內(nèi)的空氣，置換次數(shù)不少于6 次，確保系統(tǒng)和高壓釜內(nèi)的空氣被置換干凈。系統(tǒng)和高壓釜試驗(yàn)完成后，需要泄放系統(tǒng)和高壓釜內(nèi)的氫氣，再用高純氮?dú)獯祾咧脫Q，消除系統(tǒng)內(nèi)的殘留氫氣存在的安全隱患。

考慮可能存在的突發(fā)情況（斷電等），系統(tǒng)內(nèi)的泄壓氣動(dòng)閥選用常開閥，其余氣動(dòng)閥選用常閉閥。當(dāng)遭遇突然斷電時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的氣動(dòng)閥恢復(fù)初始狀態(tài)，泄壓氣動(dòng)閥打開，輸入氣動(dòng)閥、空氣驅(qū)動(dòng)閥、輸出氣動(dòng)閥和吹掃氣動(dòng)閥關(guān)閉。這樣可以確保氮?dú)?氫氣瓶組內(nèi)的氣體不再輸送給系統(tǒng)，同時(shí)高壓釜內(nèi)的氣體也封閉在高壓釜內(nèi)，增壓系統(tǒng)停止打壓，同時(shí)泄放掉增壓系統(tǒng)管路中的氫氣。確保系統(tǒng)使用安全。

系統(tǒng)工作異常時(shí)，例如，系統(tǒng)超壓輸出，可以通過電器監(jiān)控臺(tái)上的急停按鈕，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)緊急停車。按下急停按鈕后，系統(tǒng)內(nèi)的氫氣輸入閥、氮?dú)獯祾唛y、驅(qū)動(dòng)空氣閥和氫氣輸出閥關(guān)閉，同時(shí)開啟泄壓閥，泄放掉系統(tǒng)內(nèi)的氫氣壓力，保護(hù)系統(tǒng)使用安全。

考慮到系統(tǒng)使用安全，用戶現(xiàn)場(chǎng)配置氫濃度報(bào)警儀，當(dāng)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)氫氣濃度超標(biāo)時(shí)，氫濃度報(bào)警儀報(bào)警，用戶應(yīng)立即停止試驗(yàn)，排查故障。

系統(tǒng)內(nèi)的氫氣進(jìn)行統(tǒng)一排放（包括安全閥的泄放），排放管路統(tǒng)一引出試驗(yàn)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(yīng)高于試驗(yàn)坑頂部1 m 以上高度進(jìn)行排放，且滿足該介質(zhì)（氫氣）排放的國家相關(guān)規(guī)定要求。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)功能及特點(diǎn)

（1）增壓系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)介質(zhì)（100 MPa 高壓氫氣及氮?dú)猓┑氖褂靡笄揖哂邢鄳?yīng)防爆功能。所有部件承壓選型均進(jìn)行裕度設(shè)計(jì)，均超過增壓釜設(shè)計(jì)壓力的1.5 倍。

（2）閥門入廠后全部逐個(gè)復(fù)驗(yàn)，裝臺(tái)后再參加整機(jī)出產(chǎn)試驗(yàn)。

（3）增壓系統(tǒng)所有管路、管件、閥門等出廠前，均進(jìn)行1.5 倍設(shè)計(jì)壓力耐壓試驗(yàn)。

（4）增壓系統(tǒng)管路無焊接，可有效降低介質(zhì)氫氣被污染的概率。

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

（6）增壓系統(tǒng)組裝完畢后，先采用高純氮?dú)庾鳛闄z測(cè)介質(zhì)，按1.5 倍設(shè)計(jì)壓力進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，合格后再按設(shè)計(jì)壓力進(jìn)行致密性試驗(yàn)（采用氦質(zhì)譜檢漏），確保系統(tǒng)強(qiáng)度及氣密性要求。

（7）增壓系統(tǒng)與高壓釜組裝完畢后，按高壓釜的最高工作壓力進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)致密性試驗(yàn)，采用氦質(zhì)譜檢漏方法。

（8）增壓系統(tǒng)和排放管路系統(tǒng)設(shè)置導(dǎo)靜電接地線，所有零部件至導(dǎo)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(tǒng)靜電隱患。

（9）在增壓泵出口及高壓釜入口處各設(shè)置一個(gè)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(shè)置其他連接閥門。安全閥的整定壓力不得大于增壓釜的設(shè)計(jì)壓力，安全閥的排放能力應(yīng)能保證系統(tǒng)的安全性。

（10）在增壓系統(tǒng)和高壓釜的撬裝結(jié)構(gòu)上設(shè)置一個(gè)氫氣泄漏報(bào)警裝置。

（11）系統(tǒng)氫氣泄壓統(tǒng)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(yīng)安裝在高于試驗(yàn)坑頂部1 m 以上高度位置。同時(shí)在排放口張貼“氫氣排放，嚴(yán)禁明火”等危險(xiǎn)標(biāo)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(cè)控監(jiān)控系統(tǒng)

電器測(cè)控監(jiān)控用于遠(yuǎn)程控制氫氣增壓系統(tǒng)和監(jiān)控測(cè)試坑內(nèi)的情況。監(jiān)控臺(tái)硬件采用PLC 作為下位機(jī)，進(jìn)行邏輯控制、安全控制及信號(hào)采集；高品質(zhì)工控機(jī)作為上位機(jī)，配置19 寸液晶顯示屏，方便用戶操作和觀察增壓系統(tǒng)的工作情況。

安全設(shè)計(jì)控制臺(tái)考慮接地保護(hù)，電源欠壓、缺項(xiàng)保護(hù)及漏電保護(hù)等，確保操作人員操作安全及元器件安全保護(hù)。

3.1 控制系統(tǒng)上位軟件的主要功能

（1）可在增壓過程中設(shè)定輸出壓力值和升壓速率，控制系統(tǒng)增壓過程。

（2）動(dòng)態(tài)顯示參數(shù)和動(dòng)畫伸縮條顯示參數(shù)；設(shè)備的運(yùn)行、管道流通和閥門的工作狀態(tài)采用動(dòng)畫設(shè)計(jì)，可隨時(shí)觀察設(shè)備狀態(tài)。

（3）監(jiān)控氫濃度監(jiān)測(cè)儀，現(xiàn)場(chǎng)氫濃度不正常時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警。

（4）能獨(dú)立自動(dòng)和手動(dòng)遠(yuǎn)距離操作完成測(cè)試過程，到達(dá)目標(biāo)壓力亮光報(bào)警。

（5）系統(tǒng)安全可靠，系統(tǒng)達(dá)到最高自動(dòng)停機(jī)設(shè)定壓力值后自動(dòng)停機(jī)；具有過載保護(hù)功能及加載過程隨時(shí)停機(jī)功能。

3.2 上位軟件主要特點(diǎn)

根據(jù)獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)曲線繪制；靈活的參數(shù)設(shè)置和顏色設(shè)置；可輸出多種格式的曲線圖片；采用數(shù)據(jù)庫保存參數(shù)和曲線圖；靈活的報(bào)表輸出（Word 模板報(bào)表輸出功能）；時(shí)間軸和參數(shù)軸隨時(shí)間推進(jìn)自行壓縮；實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)曲線和相對(duì)曲線的顯示功能；數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)和查詢功能。能夠進(jìn)行自動(dòng)記錄壓力，動(dòng)態(tài)曲線實(shí)時(shí)顯示及存儲(chǔ)。

3.3 試驗(yàn)系統(tǒng)硬件配置

（1）控制系統(tǒng)采用符合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)的控制臺(tái)型式，前臺(tái)板可拆卸，方便運(yùn)輸和搬入控制室。控制臺(tái)需要防護(hù)門，不適用時(shí)可以上鎖保護(hù)?？刂婆_(tái)預(yù)留一臺(tái)液晶顯示器位置，方便用戶以后接入視屏監(jiān)控。

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

（3）控制臺(tái)附件采用施耐德或ABB 等進(jìn)口品牌原器件、提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少系統(tǒng)維護(hù)。

（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(shù)據(jù)精確度。

3.4 試驗(yàn)系統(tǒng)軟件配置

（1）軟件制作為標(biāo)準(zhǔn)的安裝軟件，方便軟件管理和重裝系統(tǒng)后的軟件安裝。

（2）采用統(tǒng)一密碼管理，區(qū)分管理員和操作員，可進(jìn)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(bào)表輸出（Word 模板報(bào)表輸出功能、用戶可以定制、修改報(bào)告格式和內(nèi)容），可實(shí)現(xiàn)單一檢測(cè)報(bào)告、報(bào)告封面套打等功能。

（5）動(dòng)態(tài)顯示參數(shù)和動(dòng)畫伸縮條顯示參數(shù)；設(shè)備的運(yùn)行、管道流通和閥門的工作狀態(tài)采用動(dòng)畫顯示設(shè)計(jì)，使操作者能清楚系統(tǒng)的整個(gè)流程，動(dòng)態(tài)觀察系統(tǒng)運(yùn)行和參數(shù)變化情況。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)方案的實(shí)施可進(jìn)行車載儲(chǔ)氫氣瓶耐壓時(shí)間測(cè)定、車載儲(chǔ)氫氣瓶爆破壓力測(cè)試、車載氣瓶疲勞檢測(cè)等多種評(píng)定，為設(shè)計(jì)制造提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)支持，對(duì)產(chǎn)品使用來說，能更好了解氫氣瓶的使用，規(guī)避安全隱患。