低溫與綠氫工況下閥門墊片的測試

低溫與綠氫工況下閥門墊片的測試

氫能作為一種潔凈、高效的二次能源且具有豐富的來源和可再生性、容易輸送的特點，正被廣泛地開發和研究。大量采用風能、光伏發電來制氫，是重要的綠色氫能技術。那么針對低溫與綠氫生產存儲及運輸過程中的閥門密封問題，該如何解決？

隨著世界向氫能未來邁進，了解PTFE墊圈等密封材料在各種氫環境下的表現至關重要。根據Garlock GmbH和柏林聯邦材料研究與測試研究所(BAM)開展的一項研究的結果，該研究調查了在低溫和氣態氫條件下改性壓延第三代PTFE墊圈的變化。該研究旨在解答有關材料性能和在氫應用中適用性的關鍵問題。

氫氣高壓釜（左）和液氫低溫恒溫器（右）

氫氣(H2)在能源轉型和未來技術中發揮著至關重要的作用。在德國，氫氣屬于《空氣質量控制技術指令》(TA-Luft)的范疇，該指令規定了對人類或環境有害物質的限值。

氫氣應用中對密封材料的要求

氫應用中使用的密封材料必須根據VDI2290和EN1591-1為圓形法蘭連接提供技術密封性的數學證明。這需要確定墊片材料的EN13555特性，例如溫度下的蠕變和最大容許表面壓力。

改性壓延第三代PTFE墊片材料具有EN13555特性，常用于受TA-Luft約束的介質。

這些材料適用于涉及排放或對人類或環境有害的物質的應用，因此符合TA-Luft中規定的限值。

研究問題

根據研究改性壓延第三代PTFE墊片在低溫和氣態氫環境中的性能。包括以下問題：

a) 在低溫氫氣的影響下，這些墊片的硬度、撕裂強度、斷裂伸長率和密度會如何變化？

b) 在150°C的氣態氫氣的影響下，這些墊片的相同性能會如何變化？

c) 這些墊片在氫氣環境中是否能達到與用氦氣取樣時相同的技術密封性？

這些GYLON®材料已經在氦氣技術密封性測試中表現出色。然而，在這項研究之前，尚未對材料在低溫或高溫氣態H2環境中的變化進行過測試。

測試程序

在德國，任何遇到能夠產生爆炸性環境的反應性物質的材料都必須首先接受BAM的采樣。此要求不僅適用于氫氣，也適用于液態或氣態氧等其他物質。

儲存條件和材料分析

GYLON®和GYLONEPIX®墊片樣式需滿足以下存儲條件：

1） 在100bar氫氣中，150°C以下儲存一周以上

2） 在低溫條件下在液氫中儲存至少6天

儲存后，對墊片材料進行分析以確定其：

●硬度

●抗拉強度

●斷裂伸長率

●密度

然后將H2存儲后獲得的值與之前確定的值進行比較，以評估材料屬性的任何變化。

結果

見表1，是GYLON®和GYLONEPIX®Style3504在-253°C的液態H2中儲存6天后材料特性的變化。儲存后2小時內對幾個樣品進行了分析。

表1：GYLON®和GYLONEPIX®Style3504在-253°C液態H2中儲存后以及在+150°C氣態H2中儲存后

低溫儲存后所確定的變化幾乎在測量不確定度范圍內。

硬度降低并不被視為負面因素，因為它可以使墊片更好地適應法蘭表面。

測量不確定度如下：應力測量：±0.4MPa；伸長率測量：±8%（絕對）；硬度測量：±0.4肖氏；密度測量：±0.001g/cm3；拉伸強度變化：±4%（相對）；斷裂伸長率變化：±2%（相對）；硬度變化：±0.8肖氏表2列出了GYLON®和GYLONEPIX®Style3504在+150°C的氫氣中儲存7天后材料特性的最大偏差。儲存后2小時內分析了幾個樣品。

即使在氫氣下，GYLON®和GYLONEPIX® Style3504的材料特性變化也幾乎在測量不確定度范圍內。只有抗拉強度的增加才顯示出+10%的偏差。

然而，拉伸強度的增加并不是一個缺點，這是所有PTFE材料的已知行為。EN13555特性值通過為較高溫度下的PTFE墊片指定較低的QSmax來解釋這一點。

GYLON®和GYLONEPIX®3510型的結果

對GYLON®和GYLONEPIX®Style3510的幾個樣品進行了2小時的分析。材料性能的偏差總結在表2中的“變化”下。機械性能測試結果表明，GYLON®和GYLONEPIX®3510產品可以在H2環境中使用，不會產生任何負面影響或損壞。自1980年代以來，GYLON®產品已可靠地用作許多H2應用中的密封劑，擁有多年的經驗。

氫氣：一種常見介質

材料特性測試的結果和自20世紀80年代以來GYLON®產品在H2應用中的豐富經驗使我們得出結論：氫氣并不是一種特殊介質，而是這些墊片材料的正常介質。

進一步測試并與氦氣進行比較

明斯特應用科學大學的附屬機構GAIST還對低溫（-196°C）和高溫（+150°C）條件下的技術密封性進行了額外采樣。這些測試涉及復雜的雙重測試，直接將氫氣與氦氣作為測試介質進行比較。

結果證實，“在所有溫度范圍內，氦氣都適合作為PTFE密封件的測試介質，并且比氫氣更安全。”GAIST使用根據VDI2290建立的組件測試設置，對在-196°C下老化后的低溫范圍內的樣品以及在高達+200°C的氣態范圍內的樣品進行了可實現的技術密封性測試。

表2：GYLON®和GYLONEPIX®Style3510在液體中儲存并在氣態H2中老化后

在高、低介質壓力下以及分段密封和焊接密封下的測試結果表明在低溫范圍內的殘余表面壓力高于+150°C的氣態范圍內的殘余表面壓力，并且全部被評為良好。

測試標準

所有結果和測試結果均符合新TA-Luft標準，可提供相應的測試報告和證書。GYLON®密封材料還提供全面的EN13555數據表，提供技術密封性數學證明所需的信息，符合德國TA-Luft標準和其他法規的要求。

結論

柏林聯邦材料研究與測試研究所(BAM)的研究結果表明，GYLON®和GYLONEPIX®產品系列的改性壓延PTFE墊片在暴露于低溫和氣態H2環境中時，其機械特性幾乎不會發生變化。氫氣下的泄漏測試始終表明，這些墊片材料在低溫和氣態條件下均超過了所需的密封性等級1.0x10E-02[mg/(s*m)]，低溫范圍內的“最差”結果比德國空氣質量控制技術指令(TA-Luft)規定的要求高出1000倍，氣態下則高出三十年。

這些發現有力地證明，GYLON®和GYLONEPIX®墊片是適合在各種溫度和壓力的氫氣應用中使用，可確保氫氣系統安全高效運行，同時滿足或超過嚴格的行業標準和法規。