低温与绿氢工况下阀门垫片的测试

低温与绿氢工况下阀门垫片的测试

氢能作为一种洁净、高效的二次能源且具有丰富的来源和可再生性、容易输送的特点，正被广泛地开发和研究。大量采用风能、光伏发电来制氢，是重要的绿色氢能技术。那么针对低温与绿氢生产存储及运输过程中的阀门密封问题，该如何解决？

随着世界向氢能未来迈进，了解PTFE垫圈等密封材料在各种氢环境下的表现至关重要。根据Garlock GmbH和柏林联邦材料研究与测试研究所(BAM)开展的一项研究的结果，该研究调查了在低温和气态氢条件下改性压延第三代PTFE垫圈的变化。该研究旨在解答有关材料性能和在氢应用中适用性的关键问题。

氢气高压釜（左）和液氢低温恒温器（右）

氢气(H2)在能源转型和未来技术中发挥着至关重要的作用。在德国，氢气属于《空气质量控制技术指令》(TA-Luft)的范畴，该指令规定了对人类或环境有害物质的限值。

氢气应用中对密封材料的要求

氢应用中使用的密封材料必须根据VDI2290和EN1591-1为圆形法兰连接提供技术密封性的数学证明。这需要确定垫片材料的EN13555特性，例如温度下的蠕变和最大容许表面压力。

改性压延第三代PTFE垫片材料具有EN13555特性，常用于受TA-Luft约束的介质。

这些材料适用于涉及排放或对人类或环境有害的物质的应用，因此符合TA-Luft中规定的限值。

研究问题

根据研究改性压延第三代PTFE垫片在低温和气态氢环境中的性能。包括以下问题：

a) 在低温氢气的影响下，这些垫片的硬度、撕裂强度、断裂伸长率和密度会如何变化？

b) 在150°C的气态氢气的影响下，这些垫片的相同性能会如何变化？

c) 这些垫片在氢气环境中是否能达到与用氦气取样时相同的技术密封性？

这些GYLON®材料已经在氦气技术密封性测试中表现出色。然而，在这项研究之前，尚未对材料在低温或高温气态H2环境中的变化进行过测试。

测试程序

在德国，任何遇到能够产生爆炸性环境的反应性物质的材料都必须首先接受BAM的采样。此要求不仅适用于氢气，也适用于液态或气态氧等其他物质。

储存条件和材料分析

GYLON®和GYLONEPIX®垫片样式需满足以下存储条件：

1） 在100bar氢气中，150°C以下储存一周以上

2） 在低温条件下在液氢中储存至少6天

储存后，对垫片材料进行分析以确定其：

●硬度

●抗拉强度

●断裂伸长率

●密度

然后将H2存储后获得的值与之前确定的值进行比较，以评估材料属性的任何变化。

结果

见表1，是GYLON®和GYLONEPIX®Style3504在-253°C的液态H2中储存6天后材料特性的变化。储存后2小时内对几个样品进行了分析。

表1：GYLON®和GYLONEPIX®Style3504在-253°C液态H2中储存后以及在+150°C气态H2中储存后

低温储存后所确定的变化几乎在测量不确定度范围内。

硬度降低并不被视为负面因素，因为它可以使垫片更好地适应法兰表面。

测量不确定度如下：应力测量：±0.4MPa；伸长率测量：±8%（绝对）；硬度测量：±0.4肖氏；密度测量：±0.001g/cm3；拉伸强度变化：±4%（相对）；断裂伸长率变化：±2%（相对）；硬度变化：±0.8肖氏表2列出了GYLON®和GYLONEPIX®Style3504在+150°C的氢气中储存7天后材料特性的最大偏差。储存后2小时内分析了几个样品。

即使在氢气下，GYLON®和GYLONEPIX® Style3504的材料特性变化也几乎在测量不确定度范围内。只有抗拉强度的增加才显示出+10%的偏差。

然而，拉伸强度的增加并不是一个缺点，这是所有PTFE材料的已知行为。EN13555特性值通过为较高温度下的PTFE垫片指定较低的QSmax来解释这一点。

GYLON®和GYLONEPIX®3510型的结果

对GYLON®和GYLONEPIX®Style3510的几个样品进行了2小时的分析。材料性能的偏差总结在表2中的“变化”下。机械性能测试结果表明，GYLON®和GYLONEPIX®3510产品可以在H2环境中使用，不会产生任何负面影响或损坏。自1980年代以来，GYLON®产品已可靠地用作许多H2应用中的密封剂，拥有多年的经验。

氢气：一种常见介质

材料特性测试的结果和自20世纪80年代以来GYLON®产品在H2应用中的丰富经验使我们得出结论：氢气并不是一种特殊介质，而是这些垫片材料的正常介质。

进一步测试并与氦气进行比较

明斯特应用科学大学的附属机构GAIST还对低温（-196°C）和高温（+150°C）条件下的技术密封性进行了额外采样。这些测试涉及复杂的双重测试，直接将氢气与氦气作为测试介质进行比较。

结果证实，“在所有温度范围内，氦气都适合作为PTFE密封件的测试介质，并且比氢气更安全。”GAIST使用根据VDI2290建立的组件测试设置，对在-196°C下老化后的低温范围内的样品以及在高达+200°C的气态范围内的样品进行了可实现的技术密封性测试。

表2：GYLON®和GYLONEPIX®Style3510在液体中储存并在气态H2中老化后

在高、低介质压力下以及分段密封和焊接密封下的测试结果表明在低温范围内的残余表面压力高于+150°C的气态范围内的残余表面压力，并且全部被评为良好。

测试标准

所有结果和测试结果均符合新TA-Luft标准，可提供相应的测试报告和证书。GYLON®密封材料还提供全面的EN13555数据表，提供技术密封性数学证明所需的信息，符合德国TA-Luft标准和其他法规的要求。

结论

柏林联邦材料研究与测试研究所(BAM)的研究结果表明，GYLON®和GYLONEPIX®产品系列的改性压延PTFE垫片在暴露于低温和气态H2环境中时，其机械特性几乎不会发生变化。氢气下的泄漏测试始终表明，这些垫片材料在低温和气态条件下均超过了所需的密封性等级1.0x10E-02[mg/(s*m)]，低温范围内的“最差”结果比德国空气质量控制技术指令(TA-Luft)规定的要求高出1000倍，气态下则高出三十年。

这些发现有力地证明，GYLON®和GYLONEPIX®垫片是适合在各种温度和压力的氢气应用中使用，可确保氢气系统安全高效运行，同时满足或超过严格的行业标准和法规。

标签:   米勒阀门