CN112326148A

CN112326148A - 一种基于氮气微正压的高压气体密封检测用测试系统

Info

Publication number: CN112326148A
Application number: CN202011187834.XA
Authority: CN
Inventors: 郭飞; 黄毅杰; 项冲; 张兆想; 程甘霖; 谭磊; 贾晓红; 王玉明
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2020-10-29
Filing date: 2020-10-29
Publication date: 2021-02-05
Anticipated expiration: 2040-10-29
Also published as: CN112326148B

Abstract

一种基于氮气微正压的高压气体密封检测用测试系统，包括带有压盖的高压仓，待测密封件设置于压盖的外侧壁与高压仓的内侧壁之间，高压仓的顶部设置有氮气罩，氮气罩将压盖罩在其内部，气动微型泵的两端连通氮气罩内部构成气体循环通路，在气体循环通路上设置有氢浓度检测器，氮气进气口一连通氮气罩并在连接管路上依次设置有氮气微正压模块和手控阀一。本发明通过氮气微正压模块和气体循环通路，建立了一个稳定低压力下的氮气循环检测环境；将测试时高压仓泄漏的氢气引入氮气罩，从而在避免易燃易爆氢气与空气直接接触的情况下测试待测密封件密封性能；还可将橡胶材料、金属材料、非金属材料等置于高压仓内，研究不同条件下材料的性能劣化规律。

Description

一种基于氮气微正压的高压气体密封检测用测试系统

技术领域

本发明属于高压气体密封技术领域，特别涉及一种基于氮气微正压的高压气体密封检测用测试系统。

背景技术

过度依赖化石燃料造成的能源资源短缺和环境恶化是世界各国面临的严重而紧迫的问题，世界各国均在积极推进清洁、环保、高效能源的开发。氢能以其来源多种多样、能量转化率高、无污染、零排放、可储存、可再生等优点，成为极具发展前景的二次能源，利用氢能作为下一代能源载体有望解决能源供应、安全、清洁的关键问题。鉴于此，世界各国都在加紧规划和发展氢能，致力于氢能领域关键技术的攻关和氢能产品商业应用的开发。

氢能产品的氢气补给需要通过加氢站实现。加氢站主要利用储氢容器和氢能产品间的压力差进行氢气加注，因此加氢站储氢容器的压力应当高于氢能产品的储氢系统压力。而目前一些氢能产品，如氢燃料电池汽车储氢压力最高可达70MPa，为进一步提高储氢系统单位体积氢气能量密度，提升氢燃料电池汽车的单次行驶里程，增大加氢站储氢容器的储氢压力、发展更高压力下的储氢技术将成为未来发展的一大趋势。而密封部件是加氢站储氢容器不可缺少的重要组成部分，受储氢介质压力高、环境温度波动等因素影响，密封部件往往又是最薄弱环节，一旦密封部件失效，将造成火灾甚至爆炸等无法估量的严重后果。因此，有必要对高压氢气密封部件进行研究。

高压氢气密封部件的研究涉及材料性能劣化分析、产品密封性能检测等方面，需要在高压氢环境服役工况的测试系统的基础上，检测和评价高压氢气系统中的密封材料，确保高压储氢容器长期安全、可靠运行的关键。进一步地，考虑高压储氢介质压力高、储存氢气易燃易爆的特点，测试系统还需考虑检测方式的安全性问题。而目前国内已有的测试系统不够成熟，无法有效保证高压氢环境下密封性能的可靠检测。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于氮气微正压的高压气体密封检测用测试系统，可有效保证高压氢环境下密封性能的可靠检测。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于氮气微正压的高压气体密封检测用测试系统，包括带有压盖15和氢气进气/出气口14的高压仓12，待测密封件11设置于压盖15的外侧壁与高压仓12的内侧壁之间，所述高压仓12的顶部设置有氮气罩8，氮气罩8将压盖15罩在其内部，气动微型泵1的两端连通氮气罩8内部构成气体循环通路，在气体循环通路上设置有氢浓度检测器3，氮气进气口一21连通氮气罩8并在连接管路上依次设置有氮气微正压模块20和手控阀一19。

所述压盖15和高压仓12通过螺栓连接件一16进行连接，所述氮气罩8和高压仓12通过螺栓连接件二17进行连接，氮气罩8底端与高压仓12顶端之间有密封件18。

所述氮气罩8通过并联的气控阀6和安全阀7连通卸荷口一5构成氮气罩卸荷通路一，通过手控阀二10连通卸荷口二9构成氮气罩卸荷通路二。

所述气动微型泵1气源由空气控源E2通入，所述气控阀6由空气控源F4控制，所述氢气进气/出气口14位于高压仓12底部，且连接有压力表一13。

所述气动微型泵1用于实现氮气罩8内气体的加压循环，所述空气控源E2用于提供气动微型泵1的动力源，所述氢浓度检测器3用于检测氮气罩8内气体是否含有氢气，所述空气控源F4用于控制气控阀6的换向和复位，所述卸荷口一5、卸荷口二9用于卸荷，所述气控阀6用于使阀体相连的各通道之间实现接通或断开来改变气体流动方向，所述安全阀7对氮气罩8内气体起过载保护作用，在系统正常工作时，处于关闭状态，在系统压力大于或等于其调定压力时开启溢流，所述手控阀二10、手控阀一19用于控制氮气微正压模块20氮气循环通路的启闭；所述压力表一13用于压力检测、压力反馈和超压/欠压报警。

所述氮气微正压模块20用于构建氮气罩8稳定低压力的气体循环通路，其包括：

氮气循环通路，自氮气进气口二2007至氮气出气口2002，通路上设置有气控阀A2001，其中气控阀A2001由空气控源A2008控制，氮气进气口二2007连接氮气进气口一21；

氮气微正压通路，与氮气循环通路并联，自氮气进气口二2007至氮气出气口2002，通路上设置气控阀B2005、减压阀2004和压力表二2003，其中气控阀A2001由空气控源A2008控制，其中气控阀B2005由空气控源B2006控制，氮气出气口2002连接手控阀一19。

所述气控阀A2001、气控阀B2005用于使阀体相连的各通道之间实现接通或断开来改变气体流动方向，所述压力表二2003用于压力检测、压力反馈和超压/欠压报警，所述减压阀2004用于降低通入氮气罩8的氮气压力，并保持恒定，所述空气控源B2006用于控制气控阀B2005的换向和复位，所述空气控源A2008用于控制气控阀A2001的换向和复位。

测试前，关闭手控阀二10，打开手控阀一19；保持接通空气控源A2008，使气控阀A2001换向，氮气通过氮气进气口一21、氮气进气口二2007、氮气出气口2002通入氮气罩8内部；一定时间后，根据压力表二2003压力变化的反馈判断氮气是否充满氮气罩8内部；断开空气控源A2008，使气控阀A2001复位；打开手控阀二10，使氮气罩8内部气体流入卸荷口二9进行卸荷；根据压力表二2003压力变化的反馈判断气体是否从氮气罩8内部排空；关闭手控阀二10、手控阀一19；重复以上步骤2～3次，通过氮气对氮气罩8内部气体进行置换，排除空气、氢气等气体对实验测试的影响。

氮气罩8内部氮气置换结束后，进行系统测试预处理，关闭手控阀二10，打开手控阀一19；保持接通空气控源A2008，使气控阀A2001换向，氮气通过氮气进气口一21、氮气进气口二2007、氮气出气口2002通入氮气罩8内部；一定时间后，根据压力表二2003压力变化的反馈判断氮气是否充满氮气罩8内部；断开空气控源A2008，使气控阀A2001复位；保持接通空气控源E2，启动气动微型泵1，使氮气罩8内部氮气循环流动，在此基础上通过氢浓度检测器3实现高压仓12氢气泄漏的检测；保持接通空气控源B2006，使气控阀B2005换向，通过减压阀2004，氮气以较小的压力通入氮气罩8内部，消弭气动微型泵1作用下氮气罩8内部氮气循环流动产生的压差，保证氮气的循环流动，从而建立了一个稳定低压力下的氮气循环检测环境。

系统测试结束后，断开空气控源B2006，使气控阀B2005复位；断开空气控源E2，关闭气动微型泵1，停止氮气罩8内部氮气循环流动；保持接通空气控源F4，使气控阀6换向，氮气罩8内部气体流入卸荷口一5进行卸荷；根据压力表二2003压力变化的反馈判断气体是否从氮气罩8内部排空；断开空气控源F4，使气控阀6复位；关闭手控阀一19。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过氮气微正压模块20的使用和气动微型泵1、氢浓度检测器3所构成的氮气罩气体循环通路，建立了一个稳定低压力下的氮气循环检测环境；并通过氮气罩8和压盖15的设计，将测试时高压仓12泄漏的氢气引入氮气罩8，从而在避免易燃易爆氢气与空气直接接触的情况下有效地实现待测密封件11密封性能的测试。

附图说明

图1为本发明总体控制线路部分示意图。

图2为氮气微正压模块控制线路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，一种基于氮气微正压的高压气体密封检测用测试系统，包括高压仓12，压盖15和高压仓12通过螺栓连接件一16连接，待测密封件11设置于压盖15的外侧壁与高压仓12的内侧壁之间。高压仓12的底部有连接压力表一13的氢气进气/出气口14，压力表一13用于压力检测、压力反馈和超压/欠压报警。在高压仓12顶部，通过螺栓连接件二17连接氮气罩8，氮气罩8将压盖15罩于其中，氮气罩8底端与高压仓12顶端之间可增设密封件18。

在氮气罩8的上方左侧，气动微型泵1的两端连通氮气罩8内部构成气体循环通路，在气体循环通路上设置有氢浓度检测器3，气动微型泵1用于实现氮气罩8内气体的加压循环，其气源由空气控源E2通入，即，由空气控源E2提供气动微型泵1的动力源，氢浓度检测器3用于检测氮气罩8内气体是否含有氢气。

在氮气罩8的下方左侧，氮气进气口一21连通氮气罩8并在连接管路上依次设置有氮气微正压模块20和手控阀一19。

在氮气罩8的上方右侧，通过并联的气控阀6和安全阀7连通卸荷口一5构成氮气罩卸荷通路一，卸荷口一5用于卸荷，气控阀6的换向和复位由空气控源F4控制，使阀体相连的各通道之间实现接通或断开来改变气体流动方向，安全阀7对氮气罩8内气体起过载保护作用，在系统正常工作时，处于关闭状态，在系统压力大于或等于其调定压力时开启溢流。

在氮气罩8的下方右侧，通过手控阀二10连通卸荷口二9构成氮气罩卸荷通路二，卸荷口二9用于卸荷，。

氮气微正压模块20用于构建氮气罩8稳定低压力的气体循环通路，参考图2，其包括：

其中，手控阀二10、手控阀一19可用于控制氮气微正压模块20氮气循环通路的启闭；气控阀A2001、气控阀B2005用于使阀体相连的各通道之间实现接通或断开来改变气体流动方向。压力表二2003用于压力检测、压力反馈和超压/欠压报警。减压阀2004用于降低通入氮气罩8的氮气压力，并保持恒定。空气控源B2006用于控制气控阀B2005的换向和复位。空气控源A2008用于控制气控阀A2001的换向和复位。

氮气罩8内部氮气置换结束后，进行系统测试预处理，关闭手控阀二10，打开手控阀一19；保持接通空气控源A2008，使气控阀A2001换向，氮气通过氮气进气口一21、氮气进气口二2007、氮气出气口2002通入氮气罩8内部；一定时间后，根据压力表二2003压力变化的反馈判断氮气是否充满氮气罩8内部；断开空气控源A2008，使气控阀A2001复位；保持接通空气控源E2，启动气动微型泵1，使氮气罩8内部氮气循环流动，在此基础上通过氢浓度检测器3实现高压仓12氢气泄漏的检测；保持接通空气控源B2006，使气控阀B2005换向，通过减压阀2004，氮气以较小的压力通入氮气罩8内部，消弭气动微型泵1作用下氮气罩8内部氮气循环流动产生的压差，保证氮气的循环流动，从而建立了一个稳定低压力下的氮气循环检测环境，并在避免易燃易爆氢气与空气直接接触的情况下有效地实现待测密封件11密封性能的测试。

进一步地，可将橡胶材料、金属材料、非金属材料等置于高压仓12内，研究不同压力、压力循环、保压时间下材料的性能劣化规律。

测试结束后，断开空气控源B2006，使气控阀B2005复位；断开空气控源E2，关闭气动微型泵1，停止氮气罩8内部氮气循环流动；保持接通空气控源F4，使气控阀6换向，氮气罩8内部气体流入卸荷口一5进行卸荷；根据压力表二2003压力变化的反馈判断气体是否从氮气罩8内部排空；断开空气控源F4，使气控阀6复位；关闭手控阀一19。特别的是，系统测试结束通过空气控源F4远程控制气控阀6实现氮气罩8内部气体的卸荷，可避免操作人员直接接触测试系统，保证人员的人身安全。

本发明的工作原理为：

通过氮气微正压模块20的使用和气动微型泵1、氢浓度检测器3所构成的氮气罩气体循环通路，建立了一个稳定低压力下的氮气循环检测环境；并通过氮气罩8和压盖15的设计，将测试时高压仓12泄漏的氢气引入氮气罩8，从而在避免易燃易爆氢气与空气直接接触的情况下有效地实现待测密封件11密封性能的测试；进一步地，可将橡胶材料、金属材料、非金属材料等置于高压仓12内，研究不同压力、压力循环、保压时间下材料的性能劣化规律。

本发明的测试流程为：

步骤一，装配与检查。安装待测密封件11与放置性能劣化规律研究用材料于高压仓12内后，检查测试系统各部件的连接。

步骤二，氮气罩氮气置换。关闭手控阀二10，打开手控阀一19；保持接通空气控源A2008，使气控阀A2001换向；一定时间后，根据压力表二2003压力变化的反馈判断氮气是否充满氮气罩8内部；断开空气控源A2008，使气控阀A2001复位；打开手控阀二10；根据压力表二2003压力变化的反馈判断气体是否从氮气罩8内部排空；关闭手控阀二10、手控阀一19；重复步骤二2～3次。

步骤三，氮气罩氮气充入。关闭手控阀二10，打开手控阀一19；保持接通空气控源A2008，使气控阀A2001换向；一定时间后，根据压力表二2003压力变化的反馈判断氮气是否充满氮气罩8内部；断开空气控源A2008，使气控阀A2001复位；保持接通空气控源E2，启动气动微型泵1；保持接通空气控源B2006，使气控阀B2005换向。

步骤四，气体增压。由氢气进气/出气口14通入氢气并进行加压处理；实现高压仓12内测试气体测试压力(140MPa及以上)的构建，构建终压力由压力表一13控制。

步骤五，保压测试。接步骤四，压力表一13测试到高压仓12内测试压力达到设定值后，停止对高压仓12内测试气体加压；保压时间可根据需求自行设定，此时待测密封件11密封情况由氢浓度检测器3是否检测到氢气进行判断。

步骤六，释压。由氢气进气/出气口14对高压仓12内测试气体进行排放处理；直到压力表一13检测反馈出的高压仓12内压力为零。

步骤七，压力循环测试。重复步骤五和步骤六实现压力循环，压力循环次数可根据需求自行设定；此时待测密封件11密封情况由氢浓度检测器3是否检测到氢气进行判断。

步骤八，氮气罩气体排出。断开空气控源B2006，使气控阀B2005复位；断开空气控源E2，关闭气动微型泵1，停止氮气罩8内部氮气循环流动；保持接通空气控源F4，使气控阀6换向；根据压力表二2003压力变化的反馈判断气体是否从氮气罩8内部排空；断开空气控源F4，使气控阀6复位；关闭手控阀一19。

步骤九，系统关闭。确认压力表一13、压力表二2003检测反馈出压力为“零”；确认手控阀二10、手控阀一19为关闭状态；确认空气控源A2008、空气控源B2006、空气控源E2、空气控源F4为断开状态；关闭测试系统的总电源。

步骤十、性能测试。取出待测密封件11和高压仓12内性能劣化规律研究用材料，通过力学性能测试、化学结构分析、微观形貌观察等方式研究不同压力、压力循环、保压时间下材料的性能劣化规律。

本发明用模块、检测器、空气控源通断、压力表、气控阀、安全阀、减压阀等均可反馈到远程计算机，并可通过远程计算机实现远程操作。

本发明待测密封件11不局限于橡胶材料，也可以为金属材料、非金属材料等特征尺寸满足密封槽结构的密封件。

本发明测试系统内所有零部件防爆等级(140MPa及以上)均满足高压要求。高压一般指理论上通过控制电/气路设计、部件选型、强度校核等，使系统可承受140MPa及以上的测试压力。

本发明测试系统内所有零部件压力等级均高于所在区域的气体使用压力值，并有一定安全系数，可以保证不存在超压危险。

本发明测试系统内所有零部件在正常工作期间都处于地电位，与接地柱间的电阻值<10Ω。

本发明测试的高压气体不限于氢气，也可以为氮气、氦气、空气等气体。

Claims

1.一种基于氮气微正压的高压气体密封检测用测试系统，包括带有压盖(15)和氢气进气/出气口(14)的高压仓(12)，待测密封件(11)设置于压盖(15)的外侧壁与高压仓(12)的内侧壁之间，其特征在于，所述高压仓(12)的顶部设置有氮气罩(8)，氮气罩(8)将压盖(15)罩在其内部，气动微型泵(1)的两端连通氮气罩(8)内部构成气体循环通路，在气体循环通路上设置有氢浓度检测器(3)，氮气进气口一(21)连通氮气罩(8)并在连接管路上依次设置有氮气微正压模块(20)和手控阀一(19)。

2.根据权利要求1所述基于氮气微正压的高压气体密封检测用测试系统，其特征在于，所述压盖(15)和高压仓(12)通过螺栓连接件一(16)进行连接，所述氮气罩(8)和高压仓(12)通过螺栓连接件二(17)进行连接，氮气罩(8)底端与高压仓(12)顶端之间有密封件(18)。

3.根据权利要求1所述基于氮气微正压的高压气体密封检测用测试系统，其特征在于，所述氮气罩(8)通过并联的气控阀(6)和安全阀(7)连通卸荷口一(5)构成氮气罩卸荷通路一，通过手控阀二(10)连通卸荷口二(9)构成氮气罩卸荷通路二。

4.根据权利要求3所述基于氮气微正压的高压气体密封检测用测试系统，其特征在于，所述气动微型泵(1)气源由空气控源E(2)通入，所述气控阀(6)由空气控源F(4)控制，所述氢气进气/出气口(14)位于高压仓(12)底部，且连接有压力表一(13)。

5.根据权利要求4所述基于氮气微正压的高压气体密封检测用测试系统，其特征在于，所述气动微型泵(1)用于实现氮气罩(8)内气体的加压循环，所述空气控源E(2)用于提供气动微型泵(1)的动力源，所述氢浓度检测器(3)用于检测氮气罩(8)内气体是否含有氢气，所述空气控源F(4)用于控制气控阀(6)的换向和复位，所述卸荷口一(5)、卸荷口二(9)用于卸荷，所述气控阀(6)用于使阀体相连的各通道之间实现接通或断开来改变气体流动方向，所述安全阀(7)对氮气罩(8)内气体起过载保护作用，在系统正常工作时，处于关闭状态，在系统压力大于或等于其调定压力时开启溢流，所述手控阀二(10)、手控阀一(19)用于控制氮气微正压模块(20)氮气循环通路的启闭；所述压力表一(13)用于压力检测、压力反馈和超压/欠压报警。

6.根据权利要求1所述基于氮气微正压的高压气体密封检测用测试系统，其特征在于，所述氮气微正压模块(20)用于构建氮气罩(8)稳定低压力的气体循环通路，其包括：

氮气循环通路，自氮气进气口二(2007)至氮气出气口(2002)，通路上设置有气控阀A(2001)，其中气控阀A(2001)由空气控源A(2008)控制，氮气进气口二(2007)连接氮气进气口一(21)；

氮气微正压通路，与氮气循环通路并联，自氮气进气口二(2007)至氮气出气口(2002)，通路上设置气控阀B(2005)、减压阀(2004)和压力表二(2003)，其中气控阀A(2001)由空气控源A(2008)控制，其中气控阀B(2005)由空气控源B(2006)控制，氮气出气口(2002)连接手控阀一(19)。

7.根据权利要求6所述基于氮气微正压的高压气体密封检测用测试系统，其特征在于，所述气控阀A(2001)、气控阀B(2005)用于使阀体相连的各通道之间实现接通或断开来改变气体流动方向，所述压力表二(2003)用于压力检测、压力反馈和超压/欠压报警，所述减压阀(2004)用于降低通入氮气罩(8)的氮气压力，并保持恒定，所述空气控源B(2006)用于控制气控阀B(2005)的换向和复位，所述空气控源A(2008)用于控制气控阀A(2001)的换向和复位。

8.根据权利要求6所述基于氮气微正压的高压气体密封检测用测试系统，其特征在于，测试前，关闭手控阀二(10)，打开手控阀一(19)；保持接通空气控源A(2008)，使气控阀A(2001)换向，氮气通过氮气进气口一(21)、氮气进气口二(2007)、氮气出气口(2002)通入氮气罩(8)内部；一定时间后，根据压力表二(2003)压力变化的反馈判断氮气是否充满氮气罩(8)内部；断开空气控源A(2008)，使气控阀A(2001)复位；打开手控阀二(10)，使氮气罩(8)内部气体流入卸荷口二(9)进行卸荷；根据压力表二(2003)压力变化的反馈判断气体是否从氮气罩(8)内部排空；关闭手控阀二(10)、手控阀一(19)；重复以上步骤2～3次，通过氮气对氮气罩(8)内部气体进行置换，排除空气、氢气等气体对实验测试的影响。

9.根据权利要求8所述基于氮气微正压的高压气体密封检测用测试系统，其特征在于，氮气罩(8)内部氮气置换结束后，进行系统测试预处理，关闭手控阀二(10)，打开手控阀一(19)；保持接通空气控源A(2008)，使气控阀A(2001)换向，氮气通过氮气进气口一(21)、氮气进气口二(2007)、氮气出气口(2002)通入氮气罩(8)内部；一定时间后，根据压力表二(2003)压力变化的反馈判断氮气是否充满氮气罩(8)内部；断开空气控源A(2008)，使气控阀A(2001)复位；保持接通空气控源E(2)，启动气动微型泵(1)，使氮气罩(8)内部氮气循环流动，在此基础上通过氢浓度检测器(3)实现高压仓(12)氢气泄漏的检测；保持接通空气控源B(2006)，使气控阀B(2005)换向，通过减压阀(2004)，氮气以较小的压力通入氮气罩(8)内部，消弭气动微型泵(1)作用下氮气罩(8)内部氮气循环流动产生的压差，保证氮气的循环流动，从而建立了一个稳定低压力下的氮气循环检测环境。

10.根据权利要求9所述基于氮气微正压的高压气体密封检测用测试系统，其特征在于，系统测试结束后，断开空气控源B(2006)，使气控阀B(2005)复位；断开空气控源E(2)，关闭气动微型泵(1)，停止氮气罩(8)内部氮气循环流动；保持接通空气控源F(4)，使气控阀(6)换向，氮气罩(8)内部气体流入卸荷口一(5)进行卸荷；根据压力表二(2003)压力变化的反馈判断气体是否从氮气罩(8)内部排空；断开空气控源F(4)，使气控阀(6)复位；关闭手控阀一(19)。