魏金瑩，宋建軍，劉 斌

（北京航天試驗技術(shù)研究所，北京 100074）

0 引言

隨著全球氣候環(huán)境保護(hù)形勢日益嚴(yán)峻，氫能在世界范圍內(nèi)備受關(guān)注，能源供給改革成為當(dāng)下社會政治、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)關(guān)注的熱點(diǎn)。預(yù)計到2030年，全球燃料電池乘用車將達(dá)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于氫氣氣瓶，是車載儲氫瓶的發(fā)展趨勢。自1990年日本武藏大學(xué)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(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。2019年北汽福田正式公布全世界第一款液氫重卡32T型。相應(yīng)地，車載液氫瓶和液氫瓶閥門及其質(zhì)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(dá)標(biāo)，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(nèi)漏檢測在液氮溫區(qū)下進(jìn)行，外漏用常溫下的氦質(zhì)譜檢漏方法檢測，都不能反映液氫工況下的實(shí)際泄漏情況。本研究模擬真實(shí)工況，采用液氫介質(zhì)，檢測閥門的低溫動作、溫度循環(huán)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(xiàn)有液氫閥門密封性能檢測依據(jù)

1.1 常規(guī)液氫閥門密封性能檢測依據(jù)

由于液氫易燃易爆，對試驗設(shè)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(nèi)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)，用液氮進(jìn)行檢測。眾多企業(yè)采用浸漬法，以國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 28921-1-2013《Industrial valves.Isolating valves.for low temperature applications.Design，manufacturing and production testing》作為依據(jù)[1]，檢測液氫閥門的密封性能，試驗裝置如圖1所示。該標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)明顯不包括液氫閥門測試，由于沒有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，很多廠家依然采用此標(biāo)準(zhǔn)來檢測液氫閥門。該標(biāo)準(zhǔn)對閥門內(nèi)漏測試要求如表1所列。閥門外漏指標(biāo)為：閥桿和閥蓋周邊不能超過5×10-5（體積分?jǐn)?shù)）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(yīng)連續(xù)10 s以上泄漏量或漏率值不超過以上指標(biāo)。

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

表1 ISO 28921-1標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)沒有專門針對液氫閥門檢測的標(biāo)準(zhǔn)，閥門廠家主要根據(jù)GB/T 24925-2019《低溫閥門技術(shù)條件》中規(guī)定的相關(guān)測試流程及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測，其中內(nèi)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?dú)庾鳛闇y試氣體。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：如果閥門有逸散性測試要求，須按照J(rèn)B/T 12622《液化天然氣閥門性能》進(jìn)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(zhì)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(nèi)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(shù)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(jù)

1.2.1 全球氫燃料電池汽車技術(shù)法規(guī)（GTR13）[5]

為了減少溫室氣體排放，有效地協(xié)調(diào)各國的安全技術(shù)要求、促進(jìn)氫能源車的發(fā)展，提高公眾接受度，聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會成立工作組，編寫了與現(xiàn)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(shù)法規(guī)）。該法規(guī)是全球氫燃料電池汽車各部分性能考核的準(zhǔn)則，各簽約國必須在其國內(nèi)進(jìn)行推廣。該法規(guī)第七章中關(guān)于液氫儲存系統(tǒng)的要求為非強(qiáng)制性可選項，這主要是因為相對于配備高壓氫氣瓶系統(tǒng)的氫能源車，配備液氫存儲系統(tǒng)的氫能源車實(shí)踐經(jīng)驗有限并只限于示范車輛，沒有對安全要求進(jìn)行全面評估，因此雖然規(guī)范對液氫儲存系統(tǒng)的要求已經(jīng)通過相關(guān)技術(shù)討論，但沒有經(jīng)過實(shí)際驗證，并非強(qiáng)制執(zhí)行內(nèi)容。

GTR規(guī)定了液氫閥門外漏試驗及指標(biāo)要求，即在大氣壓和最大允許工作壓力間，測試零件不應(yīng)該在閥桿、密封或其他接頭處出現(xiàn)泄漏，也不應(yīng)該出現(xiàn)鑄孔。閥門外漏測試也分為環(huán)境溫度、低溫和高溫三種情況，其中針對低溫泄漏，試驗前應(yīng)首先將閥門在最低操作溫度或在液氮溫度下預(yù)冷足夠時間以確保熱穩(wěn)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(fā)現(xiàn)氣泡或者漏率低于6.0×10-3Pa·m3·s-1為合格[5]。GTR未規(guī)定液氫閥門內(nèi)漏檢測規(guī)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(guān)于氫能源車型式認(rèn)證的第79/2009號法規(guī)（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(tǒng)一規(guī)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(huán)境溫度、高溫和低溫外漏測試，且測試方法相同。規(guī)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(fā)現(xiàn)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(biāo)要求更高。

該指令在4.12章節(jié)提出了閥座密封測試（即內(nèi)漏測試）要求：測試須在外漏試驗完成后進(jìn)行，測試過程為：首先將試驗零件與氣源相連，且保持閥門關(guān)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(guān)閉的情況下，將閥門出口管浸入水中或在閥門進(jìn)口側(cè)安裝一個流量計進(jìn)行檢漏，流量計精度在±1%以內(nèi)。

測驗過程中，在大氣壓至最大允許工作壓力間，閥門關(guān)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(guān)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(shè)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(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》[7]

SAE美國機(jī)動車工程學(xué)會（Society of Automo?tive Engineers）成立于1905年，是國際上最大的汽車工程學(xué)術(shù)組織。SAE制定的標(biāo)準(zhǔn)廣泛為汽車行業(yè)和其他行業(yè)采用，并有相當(dāng)部分被作為美國國家標(biāo)準(zhǔn)。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(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》第5章為車載儲氫系統(tǒng)的技術(shù)要求，5.1節(jié)明確了車載液氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(tǒng)內(nèi)外漏指標(biāo)要求，其中自動閥門的內(nèi)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(diào)節(jié)閥、單向閥內(nèi)外漏指標(biāo)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(nèi)漏指標(biāo)應(yīng)該滿足系統(tǒng)要求[7]。

2 閥門泄漏指標(biāo)的確定

2.1 閥門外漏指標(biāo)的確定

低溫閥門標(biāo)準(zhǔn)ISO 28921-1和GB/T 24925-2019盡管被國內(nèi)外眾多液氫閥門生產(chǎn)廠家所采用，但適用溫度范圍不低于77 K，因此該標(biāo)準(zhǔn)僅供液氫閥門生產(chǎn)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(nèi)，后備箱容積為500 L，將上述指標(biāo)按照標(biāo)準(zhǔn)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?！禛TR13：Global technical regulation on hydrogen for fuel cellve?hicles》（全球氫燃料電池汽車技術(shù)法規(guī)）規(guī)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(tǒng)》規(guī)定的漏率低于2.78×10-4Pa·m3·s-1。目前國內(nèi)沒有車載液氫閥泄漏標(biāo)準(zhǔn)，但對于車載氫氣瓶閥門出臺了標(biāo)準(zhǔn)GB/T 35544-2017《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》，該標(biāo)準(zhǔn)附錄B中提出了閥門外漏型式試驗要求：若在規(guī)定的試驗時間內(nèi)沒有氣泡產(chǎn)生為合格，若檢測到氣泡，則應(yīng)采用適當(dāng)方法測量漏率，氫氣的漏率不應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)具有參考價值。型式試驗是新產(chǎn)品鑒定中不可缺少的環(huán)節(jié)，只有通過型式試驗，該產(chǎn)品才能正式投入生產(chǎn)。因此綜合考慮以上所有標(biāo)準(zhǔn)取最低限制，建議氫能源車液氫閥型式試驗外漏指標(biāo)的最大值為2.78×10-4Pa·m3·s-1。

2.2 閥門內(nèi)漏指標(biāo)的確定

如前所述，由于國內(nèi)外沒有專門的液氫閥門標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)ISO 28921-1和GB/T 24925-2019被液氫閥門廣泛采用。以冷態(tài)壓力為1.0×106Pa，公稱通徑為DN10的閥門為例,內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)漏指標(biāo)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(biāo)越大。歐洲汽車指令No.406/2010-EU《歐洲議會和理事會關(guān)于氫能源車型式認(rèn)證的第79/2009號法規(guī)（EC）》的泄漏標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》的泄漏指標(biāo)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(guān)于車載液氫閥的內(nèi)漏標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)漏指標(biāo)采用各大標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行低溫動作、溫度循環(huán)及泄漏性能研究。低溫動作試驗即模擬真實(shí)情況，在液氫溫區(qū)下對閥門進(jìn)行啟閉操作，考察是否有卡阻現(xiàn)象。溫度循環(huán)參考《GTR13：Global technical regulation on hydrogen for fuel cellve?hicles》的要求。該法規(guī)提出溫度循環(huán)試驗方法為：在最高允許工作壓力下對非金屬零件進(jìn)行48次共96 h的溫度循環(huán)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(huán)時間為120 min，溫度循環(huán)試驗結(jié)束后再根據(jù)泄漏試驗進(jìn)行測試。由于液氫閥門內(nèi)有墊片填料等非金屬件，必須進(jìn)行溫度循環(huán)試驗，而對于閥門本身也會經(jīng)歷從最低開合溫度到最高開合溫度下的操作，有必要進(jìn)行溫度循環(huán)試驗。為此課題組參照試驗要求對閥門進(jìn)行溫度循環(huán)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(dāng)閥門后端溫度顯示為液氫溫區(qū)時關(guān)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?dú)鈿庠磳㈤y門從液氫溫區(qū)逐步升溫至188 K。重復(fù)同樣操作48次共96 h完成閥門溫度循環(huán)試驗。

圖3 液氫閥門溫度循環(huán)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(fā)現(xiàn)閥門在常溫時操作靈活，71 K時出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象，到了液氫溫區(qū)之后卡阻現(xiàn)象嚴(yán)重，在常溫下用便攜式氫濃度探頭檢測閥門外漏為零，實(shí)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(fā)現(xiàn)閥門密封性能急劇惡化，外漏數(shù)值從6.4×10-5（體積分?jǐn)?shù)）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(dá)最大量程），實(shí)際泄漏數(shù)值肯定超過1×10-3。將閥門復(fù)溫后外漏又幾乎為零。

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

由于此次試驗閥門卡阻嚴(yán)重，外漏量較大，無法應(yīng)用于車載液氫瓶上，故無須進(jìn)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(shù)值再度變?yōu)榱?，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(xiàn)有國際標(biāo)準(zhǔn)在液氫或液氮溫度下預(yù)冷足夠時間再用氫氣檢測（或其他氣體），此時氣體已經(jīng)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(shí)工況檢漏，試驗流程如圖5所示。系統(tǒng)吹掃置換完畢后，將試驗用液氫容器內(nèi)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(shù)字流量計和水計泡器的泄漏量，閥門兩端設(shè)置溫度計，確保閥門到達(dá)液氫溫區(qū)。同時，考慮到外漏試驗液氫消耗量較大，增設(shè)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(jīng)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(zhuǎn)注至液氫試驗容器內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行試驗，節(jié)約了成本。

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

閥門內(nèi)漏試驗過程如圖6所示，當(dāng)閥門溫度達(dá)到液氫溫區(qū)后，關(guān)閉被測閥門，在放空閥后連接流量計和水計泡器進(jìn)行計量。

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

測試過程中發(fā)現(xiàn)，一旦關(guān)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(nèi)便從液氫溫區(qū)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(shí)的泄漏數(shù)值，30 min后被測閥門溫度已達(dá)到200 K，內(nèi)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(huán)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(qū)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(yán)格檢測，考察液氫溫區(qū)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(jìn)行檢漏。為確保液氫閥門內(nèi)部達(dá)到液氫溫度，建議在閥外壁和閥流向下游管路內(nèi)安裝溫度傳感器，保證試驗的準(zhǔn)確性。

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

4 結(jié)論

在試驗過程中，發(fā)現(xiàn)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(qū)動作性能很差，且外漏增大，在復(fù)溫過程中各性能又恢復(fù)良好，為此建議采用液氫介質(zhì)模擬真實(shí)工況進(jìn)行檢測。經(jīng)調(diào)研比較各個組織機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，將氫能源車液氫閥型式試驗密封性能規(guī)定在大氣壓～最大允許工作壓力下，內(nèi)外漏不超過2.78×10-4Pa·m3·s-1為合格指標(biāo)。同時考慮到被測閥門數(shù)量和類型較少，在今后的試驗過程中應(yīng)開展大量試驗和研究，進(jìn)一步優(yōu)化質(zhì)量評價體系。