加氫站超高壓閥門研發現狀與思考

郝加封 趙 斐 曲偉強 滕磊軍 孫擁軍

（北京航天試驗技術研究所，北京 100074）

0 引言

化石燃料等傳統能源的消耗和日益嚴峻的環境壓力，使人們對新型清潔能源的需求越來越大。氫能和氫燃料電池由于環保性能好、能量轉化效率高并且具有一定的經濟性，而越來越受到世界各國的重視[1]。美國、日本、韓國以及歐盟各國均在積極布局氫能產業[2]，特別是日本提出了構建“氫能社會”的國家戰略和發展路線圖，在氫能技術和利用領域走在了世界的前列[3]。我國也先后在“十三五”規劃的多個政策文件中，明確提出將“氫能與燃料電池”作為戰略任務和重點任務來大力發展，明確了我國氫能標準化發展戰略和技術路線圖[4]。

為了促進氫能的發展，必須要完善其基礎設施。但目前我國只有25 個加氫站，運營數量僅占全球的1%左右，因此，加氫站的建設是發展氫能產業必須要解決的問題。目前國際上技術比較成熟的是35 MPa 和70 MPa 加氫站，我國主要是35 MPa 加氫站，而70 MPa 加氫站正在研發階段，高壓和超高壓加氫站成為未來的發展趨勢。2016 年建成的大連高新70 MPa 加氫站，采用了新型氫氣加注和儲存技術，是我國首座利用風光互補發電原理制氫的70 MPa 加氫站[5]。

現階段，我國加氫站建設所需要的關鍵單體設備，沒有量產的成熟產品，大多依靠進口，導致加氫站的建設成本較高。為了推動我國加氫站的建設，就需要實現關鍵設備的國產化，超高壓閥門的研制就是其中很重要的一項內容。

該文梳理了加氫領域國內外超高壓閥門的研發現狀，指出了研發的技術難點，并提出了一些研發建議，希望可以為超高壓閥門的國產化提供一些參考。

1 國內外超高壓閥門研發現狀

1.1 國外超高壓閥門研發現狀

國外超高壓閥門制造廠商主要有美國的HiP 公司、Autoclave Engineers 公司和BuTech 公司。HiP 公司專門從事高壓超高壓管件和閥門的研發和生產，主要產品是高壓球閥和高壓針閥，該公司低壓產品的壓力達到35 MPa，超高壓產品的壓力可以達到1 000 MPa。Autoclave Engineers公司是一家規模比較大的公司，是著名的高溫、高壓和超高壓閥門制造廠商，產品應用于電力、石油和航天等領域。該公司生產的高壓、超高壓閥門規格較多，產品工作溫度從-250 ℃～649 ℃不等，產品規格在1.4 mm～25 mm，閥門產品的驅動方式包括手動、氣動等多種方式，閥門的最高壓力也可以達到1 000 MPa。

BuTech 公司成立于1973 年，主要生產高溫高壓閥門及配件，獲得了美國軍用標準MIL-I-45208A 認證，與三菱重工、通用等公司長期合作，產品主要用于電力、化工、石油和天然氣等領域，該公司生產的球閥壓力最高可以達到1 000 MPa，使用的溫度范圍也非常廣，從-253 ℃～649 ℃不等，口徑從2 mm～25 mm 不等。

從高壓超高壓閥門產品調研中可以看出，國外的閥門產品的工作壓力遠遠超過了70 MPa，完全可以滿足加氫站的建設需求。

此外，德國的WEH 公司專門生產氫能相關的閥門和加氫裝置，該公司生產的氫氣專用高壓閥門的壓力可以達到42 MPa，公稱直徑尺寸為12 mm，功能多樣化，有手動和氣動2 種不同的控制方式。

圖1 是國外手動和氣動超高壓截止閥，從圖中可以看出，由于超高壓的密封要求，閥門需要的密封力比較大，因此，相對于閥體，氣動閥門氣缸的尺寸非常大。圖2 是國外BuTech 公司和WEH 公司生產的高壓超高壓球閥。

1.2 國內超高壓閥門研發現狀

從目前的調研情況來看，國內高壓閥門制造廠商主要有富瑞特裝和星箭等公司，富瑞特裝公司的產品主要針對氫能和CNG 等新能源市場，閥門產品的最高壓力能達到42 MPa。

圖3（a）為富瑞特裝公司的高壓球閥，該產品地的控制方式為手動控制。星箭的產品主要面向軍工和航天企業，從20 世紀80 年代開始與航天單位進行合作，閥門通徑從DN10～DN50 不等，控制驅動系統包括手動、氣動和電磁等不同方式，產品的最高工作壓力可以達到35 MPa。這兩家公司的產品都能滿足35 MPa 加氫站的建設要求。上海瀚氫動力專門從事供氫系統的設備研發，包括泵、閥和壓力容器等設備。該公司已經生產出了70 MPa 高壓截止閥，如圖3（b）所示。產品通徑為6 mm，能夠滿足70 MPa加氫站的建設需要，但驅動系統僅有手動一種方式，沒有氣動裝置。北京航天試驗技術研究所已研發出100 MPa 超高壓氣動截止閥，重量和體積與國外產品相近，如圖4 所示。。密封性能完全可以取代進口產品，即將進行量產，其成本低，在市場上具有很強的競爭力。

山藥體內含水量高達85%左右，山藥既耐旱又要吸收大量水分。能否有足夠的水分保證山藥各個生長期的需要，是影響山藥正常生長發育的重要因素。

圖1 國外超高壓截止閥產品

圖2 國外超高壓閥門產品

對國內外高壓超高壓閥門產品進行對比可以看出，國外閥門廠商起步較早，并且公司規模都比較大，實力很強。國外加氫站發展更快，對超高壓閥門的需求量較大，廠商投入了大量資源進行超高壓閥門產品研發。而相對來說，國內的閥門廠商起步較晚，超高壓閥門產品較少，國內超高壓閥門產品主要還是依賴進口。所以，國內超高壓氫氣閥門廠商的主要競爭對手還是國外廠商。國內加氫站的發展必然會帶動超高壓閥門市場的發展，更多的國外產品會進入中國市場，國外超高壓閥門的優勢是技術成熟并且應用廣泛，但進口產品的價格較高，所以價格將是我國產品的一個重要競爭優勢，也是未來影響國內氫氣閥門市場格局的一個重要因素。

圖3 國產高壓閥門

圖4 100 MPa 超高壓氣動截止閥

2 超高壓閥門結構特點與技術難點

由于使用條件特殊，超高壓閥門一般尺寸較小，為0.635 cm～3.810 cm。而且閥門的結構樣式很多，可以適應不同的工作條件。目前氫能領域采用的超高壓閥門主要是截止閥和球閥2 種結構。

2.1 超高壓截止閥結構特點

2.1.1 超高壓截止閥結構型式

截止閥有多種結構型式，具體結構如圖5 所示。其中圖5（a）為直通式超高壓截止閥，圖5（b）為直角式超高壓截止閥，圖5（c）為三通閥門兩進一出超高壓截止閥，圖5（d）為三通閥門一進兩出超高壓截止閥。這4 種截止閥結構都是氫氣專用的，尺寸為0.635 cm～2.540 cm，壓力條件從70 MPa～140 MPa不等，屬于氫能高壓和超高壓閥門。

2.1.2 超高壓截止閥密封結構特點

超高壓截止閥與傳統截止閥的結構基本相似，圖6 是一個壓力條件為140 MPa 的超高壓截止閥的結構圖，閥門的通徑是4 mm。從圖中可以看出，閥門密封面采用了斜面密封的方式，這種密封結構的好處是加工方便，并且后期維修也比較容易。零件2 是閥桿，材料是0Cr17Ni4Cu4Nb，含有馬氏體，強度和硬度都比較大。閥體采用了316L 不銹鋼材料，可以保證閥體的強度和抗腐蝕性。零件4 是填料，材料是聚四氟乙烯，通過填料壓蓋（零件5）來保證與閥桿接觸位置的密封性?？傮w來說，截止閥的密封結構比較簡單，采用了斜面密封和填料密封2 種方式進行高壓密封，拆卸和維修都比較容易。

圖5 超高壓截止閥結構型式

圖6 超高壓截止閥裝配圖

2.2 超壓球閥結構特點

2.2.1 超高壓球閥結構型式

球閥結構可以分為雙通和三通2 種。圖7 為HIP 公司生產的雙通和三通超高壓球閥，圖7（a）是雙通型球閥。圖7（b）為三通式的球閥，三通型球閥又分為90°和180°2種，如圖8 所示，口徑從0.25 cm ～2.54 cm 不等，壓力條件從70 MPa～140 MPa，這幾種球閥結構都是氫能專用的。

圖7 超高壓球閥結構

2.2.2 超高壓球閥密封結構

圖9 是一個超高壓球閥的主體部分結構，與傳統球閥的結構類似。整體采用閥桿轉動帶動球體轉動的方式完成閥門的開關。球體左右各有一個閥座，閥座的硬度較高，是一種非金屬材料。閥桿與閥體部分的密封依然采用填料密封的方式，為了保證密封效果，超高壓球閥加入了2 道填料密封，如圖9 中序號4 所示，填料的材料為聚四氟乙烯。該閥門上方有一個氣動驅動裝置，以此來完成閥門的開關動作。

2.3 超高壓閥門研發的技術難點

2.3.1 超高壓條件下密封問題

密封型式一般有平面密封、錐面密封以及線密封。平面密封的軸向載荷過大，密封效果不如錐面密封。線密封的密封比壓高，更適合超高壓條件，但對加工的要求更高，后期維修難度也更高。錐面密封的密封效果好，便于加工，應用比較普遍，但其關閉過程存在摩擦的現象，如圖10 所示。各種密封結構都有其優缺點，具體的密封形式需要視實際情況而定。

在超高壓條件下，氣體對密封結構施加的壓力更大，在間隙相同的情況下比常壓泄漏量大幾倍甚至是幾十倍，并且由于氫氣屬于易燃氣體，泄露量過大會導致非常嚴重的后果，因此，對于超高壓條件下密封材料的選擇和結構的設計，需要進行綜合分析，并進行相關的試驗驗證。超高壓條件對密封面也提出了更高的要求，超高壓條件需要更高的密封比壓，需要硬度和強度更高的密封面材料。

2.3.2 超高壓條件的閥門可靠性問題

常見的閥門以中壓或高壓為主，國內也是以中壓或高壓條件的標準進行閥門設計的，關于超高壓條件的內容也比較少，按照相關標準設計出的閥壁較厚，并且安全性和可靠性等都無法得到保證。此外，對于超高壓閥門的研發并沒有相關的設計經驗和成熟的設計理論可供參考，需要理論計算與試驗相結合。

3 對超高壓閥門研發的建議

3.1 關于超高壓密封問題的建議

對于高壓和超高壓條件來說，密封材料和結構決定了閥門的性能。閥體和閥桿可以采用不銹鋼材料，對密封表面粗糙度的要求很高。閥桿中部位置的密封處也需要滿足高壓超高壓條件下的密封要求。對閥門不同位置處的密封，采用不同的密封形式，O 型圈、墊片、填料這種常規的密封結構在超高壓的閥門中也可以應用。

在超高壓條件下，也可以考慮采用泛塞封的密封方式，該密封方式的特點是結構簡單，可以選用抗腐蝕的材料，具有自密封的特點，當壓力提高時，泛塞封的密封壓力也會提高，這樣就可以提高超高壓條件下的密封效果。目前市場上的泛塞封已經可以在200 MPa 的壓力條件下使用。

Y 型密封、直角密封和腳型密封是近年來常用的密封結構，也可以滿足在100 MPa～200 MPa 的超高壓條件下工作，可以考慮在在閥體與閥桿間。此外，還需要對氫氣閥門的具體密封結構進行進一步研究，具體情況具體分析。

圖8 三通型球閥結構型式

圖9 DN6 超高壓球閥

圖10 錐面密封

3.2 關于超高壓可靠性問題的建議

按照常規的設計標準設計的閥門，已經不能完全保障其在超高壓條件下的安全性和可靠性。因此，為了保證設計的可靠性和安全性，需要進行有限元仿真分析，并進行強度和壽命的相關試驗，對閥門的設計結果進行進一步的驗證和校核，確保閥門在超高壓條件下安全的運行。此外，為了保證設備在不同條件下的安全運行，必須進行相應的試驗，包括氣密性試驗、跌落試驗、壽命試驗以及腐蝕性試驗等。

4 結語

加氫站所需的超高壓閥門單體設備的研發是加氫站基礎設施建設的前提。只有在結合實際情況合理規劃研發路線的基礎上，穩定有序地進行超高壓閥門設備的研發，才能在技術上少走彎路，提升產品的可靠性。新產品開發需要時間，需要研發人員結合實際使用需求，不斷創新，不斷地優化產品性能，不斷提高產品使用的便捷性、安全性、實用性和可維修性。此外，還需要考慮生產成本與市場推廣。這就要求研發人員對產品開發的整個路徑有一個清晰明確的規劃，這樣才能創造出適用于市場的成熟產品。