车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶的型式试验内容及目的

2020-09-11 0

根据相关标准规定,车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶的型式试验内容主要包括基线性能验证试验、耐久性能验证试验、预期车载性能验证试验以及服务终止性能的验证试验。各项目的试验目的内容如下:

1、基线性能试验

1.1 基线性能试验的目的

基线性能试验的目的主要有以下几个方面:

1.1.1 确保提供的样品与验证批次的性能一致,并且与制造商产品质量控制一致。

1.1.2 确定初始爆破压力中值,用于后续性能试验验证,并且可用于产品质量控制。

1.1.3 确保在泄漏前满足最小爆破压力和压力循环次数的要求。

此验证条件为车用氢瓶的“未爆先漏”的设计模式,即不允许直接破裂或爆破。表现形式为裂纹,而的表现形式为破口。

无论储氢气瓶的故障模式如何,未爆先漏的失效模式这一要求为气瓶在车辆寿命内提供了足够的安全保护前提。按最小的设计循环次数 5500 次计算,每次加注行驶 320km,则气瓶泄漏失效前最少可行驶(5500×320)=160万km;按 2.2 万次计算,则 22000×320=704万km,基本超过了车辆在路上行驶寿命的真实极限。从而有效防止车辆在气瓶泄漏后继续使用可能导致的破裂现象发生,进而证明有能力避免行驶中压力循环造成的失效(泄漏或破裂)。

1.2 基线性能试验中液压循环次数的确定

当决定液压试验压力循环次数时,主要是考虑预期的最坏情况下,车辆服务年限内续驶里程的差异以及不同的司法管辖区最坏情况下的燃料加注频率。各区预期的最大的加注次数的差异主要与当地高使用率的商业出租车应用相关,这受制于各区域的车辆运行规定。

2、耐久性能验证试验(液压顺序试验)

2.1 耐久性能验证试验的目的

顺序性能复制了气瓶全生命周期内受到不同暴露条件的极限情况的道路体验,预期气瓶在车辆寿命内只能种类型的暴露是不现实的。

由于破裂后果的严重程度高,破裂后果并不会因为其他可采取的措施减轻(通过与政策相关的车载泄漏检轻泄漏),这些耐久性测试侧重于在苛刻的外部条件下验证结构抗破裂能力。因为这些极端条件集中在结构应劳上,所以是以液压方式进行的。

耐久性试验确保气瓶完全能够在极端使用条件下避免破裂,包括加注频率,物理损坏和恶劣环境条件。

在整个的耐久性能验证试验过程中,模拟了延长和过度使用的恶劣工况,例如使用寿命内从空到满(85℃NWP,-40℃ 的 0.8NWP)以及在使用过程中可能出现的过压工况。

2.2 耐久性能验证试验内容

2.2.1 耐压试验

耐压试验是对安全强度的验证,检查气瓶制造过程中是否存在缺陷并确定缺陷的严重程度,同时对气瓶的载能力进行验证。

2.2.2 跌落试验

跌落试验要求气瓶从高的叉车分别以几个角度跌落。验证汽车维修过程中的风险,例如装卸过程中从落,旨在验证气瓶承受安装过程中的抗跌落能力。

2.2.3 表面损伤

表面损伤会削减气瓶外表面的耐磨损特性,可能导致保护涂层的严重磨损;降低外部结构强度。

2.2.4 化学暴露

车辆在使用过程中,有可能会接触到各种各样的化学品,例如车辆上使用的液体(电池酸和洗剂液),道路近使用的化学品(化肥硝酸盐和碱液),加油站用液体(甲醇和汽油)。根据CNG气瓶使用经验,造成破裂的主要应力腐蚀破裂(同时接触腐蚀性化学品和加压后破裂,受到撞击或磨损后的涂层渗透会降低保护功能,是造成蚀开裂的危险因素)。

2.2.5 化学暴露下常温压力循环试验

在常温压力循环试验的后需要进行 10 次 5NWP 的循环试验,主要是考虑到加氢站过压情况,一般加求限制在 ≤5NWP,验证在 10 次暴露于 5NWP 加注期间不会泄漏,确保储氢气瓶在加氢站故障导致超压时有抵抗破坏的能力。

2.2.6 高温静压试验

高温静压试验用来模拟高温加注停车 25a(车辆在满加注条件下维修、遗弃、收藏)利用试验室数据确定应试验的等效性,根据应力破裂概率失效的等同性,0NWP 下使用 25a 等同于 25NWP 下使用 1000h。

在高温静压试验中选取了 85℃,主要是考虑一些复合材料表现出温度依赖性疲劳速率(与树脂氧化潜在相汽车停放在阳光直射沥青路面,50℃ 的环境,测量发动机舱温度 82℃;在 49℃ 的阳光直射的黑色皮卡车的箱子有盖子的黑色储氢瓶的大/平均测量表面温度为 87℃。综合进行考虑选取 85℃ 作为试验用温度值。

2.2.7 极限温度压力循环试验

在极限温度压力循环试验中,我们采取的温度范围为 -40~85℃。气象记录显示温度为 -40℃ 或低于 -40℃ 位于北纬 45° 以北;温度为 50° 多是低纬度国家的沙漠地区;有地区政府记录显示,当地的极端温度出现频率为测数据显示每年 5% 的时间会出现 -30℃ 的低气温。而且每天的低温度不会超过 24h,因此,车辆持续暴 0℃ 的时间不到车辆使用寿命的 5%,所以选取 -40℃ 作为试验用的低温度值。

2.2.8 剩余强度液压爆破

在跌落、磨损、腐蚀、疲劳循环以及高温静压 1000h 后,爆破压力下降不到 20%;保证有 ±10% 制造偏差容而保证在 0NWP 下具有 25a 的抗破裂能力

3、预期车载性能试验(气压顺序试验)

3.1 预期车载性能试验目的

验证气瓶在预期暴露的极端恶劣条件下保证基本安全功能的能力;这种预期的暴露包括燃料(氢气)、环境端温度)和正常使用条件(如预期车辆寿命、每次加注行驶里程、加注条件和频率、停车)。连续的停车和加注应个车辆可预期的必备的两个用途,在预期服务内必须有能力承受。

3.2 预期车载性能试验内容

3.2.1 常温和极限温度下的气压循环试验

a)加注循环次数的确定

车辆预期服务年限内,且不发生泄漏的加注次数 500 次=车辆预期总续航里程/单次里程=25万km/500km

通过常温和极限温度下的气压循环试验证明在 500 次加注中表现出无泄漏的能力,目的是建立基本的车性,为车载气瓶泄漏的风险进一步发展前进行监测及关闭车辆系统。由于完全加注的应力超过了部分加注的应计验证试验为证明燃料无泄漏/泄放能力提供了明显额外的可靠性。

b)燃料加注条件的确定

3min 是快的由空至满加注时间要求,相当于典型的汽油加油时间以及现有的加氢站加注技术发展水平 Pa 快速加注要求氢气温度为 -40℃。

预期的大热冲击条件为系统在环境温度 50℃ 达到平衡并经受 -40℃ 氢气的冲击,以及系统在 -40℃ 时达到经受加注 20℃ 氢气的冲击。

3.2.2 极端温度静压泄漏/渗透试验

泄漏和渗透是车辆停在封闭空间比如车库时发生火灾的风险因素。之所以定义泄漏/渗透极限,是要限制度,在温度高(55℃)、空间小、空气交换率低(0.03体积/h)的车库里,不要超过 25%LFL 可燃下限(1% 氢气)。辆存储系统总水容积不超过 330L,车库大小不小于 50m,那么 46mL/(h•L)水容积的渗透率会使氢气浓度 1% 以内。

55℃ 环境下,把储罐加满的大压力 15NWP(与 85℃ 下 25NWP 和 15℃ 时 0NWP 两种状态相同)。

3.2.3 剩余耐压试验

加氢站要求规定加氢站过压不得超 5NWP。(这一项加氢站要求应当结合当地加氢站标准法规建立)。

静态应力破裂实验数据曾用于定义以下两种坏情况,具备等效的复合材料静态应力破裂概率:一是在 1 下持续 4min;二是在 5NWP 下持续 10h(SAE 技术报告 2009-01-0012)。预计将为加注站设计提供超压保护可达到 5NWP。

3.2.4 剩余强度液压爆破

储罐经过一系列服务后,爆破压力要降低 20% 以内,此要求旨在保证部件的稳定性,能够具备抗破裂能求提供一种保证,即允许存在 10% 的制造变更范围,以此保证在 0NWP下,抗破裂性能够维持超过 25a。

关于气瓶内胆,建议注意内胆性能的削弱。气瓶内胆可在爆破后检查。然后,可以检查内胆和内胆/末端界处,看是否出现任何性能下降,比如疲劳断裂、塑料脱离、密封性降低或静电放电导致的损坏。

4、服务终止验证试验—火烧试验

4.1 服务终止验证试验目的

火烧试验是为了验证按设计规定带有防火保护系统(瓶阀、压力泄放装置和/或整体绝热层)的成品气瓶,处的火烧条件下防止爆炸的能力。

4.2 火烧试验依据

过去十年,对CNG储罐使用过程中出现故障的全面检测表明,大部分的火灾事故发生在使用设计不恰当装置(PRD),其余火灾事故是由于即便局部火情已经烧到瓶壁,但仍未能使罐体释放足够的热量,从而没有触装置(PRD),进而未能起到保护储罐的作用,终导致储存容器爆炸。局部火烧在以前的法规或行业标准中及。本法规中火烧试验规定了局部火烧和整体火烧。

火烧试验基于日本汽车研究所(JARI)和美国制造商车辆级别的测试。主要研究结果如下:

约 40% 的实验室车辆燃烧调查结果表明,在被视为局部火烧的情况中,数据显示,复合材料压缩气体储罐末端的泄压装置(PRD,离火源远)还没来得及被激活时,就会被局部烧坏。(注意:300℃ 温度作为局部火灾发度条件是因为热重分析(TGA)表明容器材料在这个温度下会迅速降解);虽然实验室车辆燃烧通常持续 30~60 其储存容器的局部火烧降解容器的时间不到 10min;局部火平均高温度低于 570℃,峰值温度在某些情况下 00~880℃;在局部火燃烧后期时,其峰值温度的上升,通常是局部火过渡到整体/吞噬火的标志。