北京航天试验技术研究所 北京 100074
摘要：本文在研制的储氢气瓶充放气疲劳试验平台的基础上，制定了试验的安全保障措施，配置了声发射和氢浓度两种疲劳监测，采用内窥镜检测试验后的气瓶内胆情况，进行水压爆破试验来检测疲劳后的剩余强度，采用X光拍片的方法确定泄漏点的位置，这些疲劳试验监测和检测手段经试验验证有效可行，为今后氢能装备试验安全控制打下了基础。
关键词：储氢气瓶 疲劳 安全控制 监测和检测
1 引言
能源是人类社会存在的基石和发展的动力。随着社会经济的发展，氢能作为新能源之一成为研究和应用的热点。氢的安全储运是氢能利用的关键技术，高压储氢在复合材料高压气瓶方面取得很好的进展，是移动式车载储氢的主流，目前在用气瓶最大工作压力为70MPa。
目前需要解决快速充放氢技术和气瓶的氢环境疲劳强度等基础性数据缺乏的问题。因为快速充放氢会引起较大的温度变化，对复合材料气瓶基体强度、疲劳性能有影响；而复合材料压力气瓶的疲劳性能数据分散、而且数据较少，加上疲劳试验十分困难，至今一直缺乏一个合理的试验方法和完整的疲劳设计规范。解决这个问题的最有效方法是直接以氢为介质进行疲劳试验，为此，我们研制了储氢容器快速充放气疲劳试验平台，但试验过程中如何确保安全是至关重要的。
本文在研制的储氢气瓶充放气疲劳试验平台的基础上，制定了试验的安全保障措施，配置了疲劳试验监测和检测手段，并经试验验证可行，为今后氢能装备试验安全控制打下了基础。
2 快速充放氢安全保障措施
（1）整个试验系统是建在露天场地，通风情况良好，氢气不会积聚。
（2）高压罐区、配气台间和试验气瓶间安装防爆摄像监控系统，配气台间和试验气瓶间安装氢气浓度探头。
（3）试验系统接地以导出静电，接地电阻不超过4欧姆。
（4）试验系统的气动球阀是在远离试验现场的测控间远程控制的。
（5）试验中严密监察气瓶压力和瓶壁温度的变化，当气瓶壁温超过允许温度上限（定为358K，取温度检测最高值）时，应及时放气，降低介质温度。
（6）在试验过程中，为保证试验的安全，利用声发射检测系统接收并分析气瓶声发射信号，在声发射检测判断有异常时，应立即停止试验，及时放气，降低气瓶内的压力。
（7）在出现异常情况需要对气瓶进行检查时，确保压力已完全释放，在无压力状态下人员进行检查。
（8）受试气瓶在充至10MPa以上时严禁人员进入受试气瓶间。
（9）试验期间现场周围拉警戒线，严禁人员在试验现场走动。
3疲劳试验过程中的气瓶疲劳监测
根据疲劳循环设定，对气瓶进行了疲劳试验，试验过程中有两种疲劳监测手段。一种是声发射传感器，一种是氢浓度探头。
在气瓶直筒段的外壁面安装声发射检测装置，以监测气瓶的状态，若气瓶在充放气过程中由声发射给出的信号得出气瓶有爆破的危险，试验充气过程应马上停止，进行放气过程。
氢浓度探头主要用于检测气体的泄漏，安装在试验气瓶的正上方，如图1所示。试验气瓶疲劳产生的泄漏时氢浓度探头检测值的变化如图2所示。
图2 试验气瓶疲劳产生的泄漏时氢浓度探头检测值的变化
4 气瓶疲劳试验后的检测
在对每只气瓶完成一定的疲劳试验次数后都进行了外观和仪器检查。
首先进行外观检查，查看碳纤维缠绕层是否有绷断或者松弛，碳纤维缠绕层是否有裂纹及鼓包等其他明显可见变形；之后使用内窥镜深入气瓶内检查铝合金内胆是否有裂纹、凹陷或者鼓包等情况；在对试验气瓶完成疲劳试验进行了相关的检查之后，对其中的1#气瓶进行了水压爆破试验。此气瓶的原设计安全系数是2.0，在使用中的爆破压力应超过140MPa。在经历500次疲劳试验后，水压爆破压力是138MPa。这说明，在经历了疲劳试验后，气瓶的安全系数仍有1.97，证明了气瓶使用是安全的。
但是水压爆破试验也同时发现出一个问题，如图3所示，气瓶发生爆破的位置在一端的封头位置处，这主要是气瓶封头处几乎没有周向碳纤维缠绕，此处成为气瓶的薄弱环节，在此处发生爆破也就成为最可能发生的情况。鉴于这种情况，需要在气瓶设计时进行特殊考虑，但目前国内外的碳纤维缠绕复合材料气瓶都还没有更好的办法来解决这个问题。
图3 水压爆破后的气瓶照片
事实证明，我们所研制的气瓶达到了使用的技术要求；前面分析的气瓶疲劳监测和检测的手段组合在一起，是有效的，也是可靠的。
4 结论
车载储氢容器在快速充放气过程中会产生显著的温度效应，对复合材料容器基体强度、疲劳性能有很大的影响。进行储氢容器快速充放气疲劳试验，试验过程中如何确保安全是至关重要的。
本文在研制的储氢气瓶充放气疲劳试验平台的基础上，制定了试验的安全保障措施，配置了声发射和氢浓度两种疲劳监测，采用内窥镜检测试验后的气瓶内胆情况，进行水压爆破试验来检测疲劳后的剩余强度，采用X光拍片的方法确定泄漏点的位置，这些疲劳试验监测和检测手段经试验验证有效可行，为今后氢能装备试验安全控制打下了基础。
论文作者:杨国平,安,刚,张,震,刘玉涛
论文发表刊物:《防护工程》2017年第27期
论文发表时间:2018/1/31
标签：气瓶论文; 疲劳论文; 氢气论文; 水压论文; 浓度论文; 放气论文; 复合材料论文; 《防护工程》2017年第27期论文;