Ⅳ型储氢气瓶塑料内胆氢渗透特性及失效分析研究进展

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.01.010

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (1): 62-78.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.01.010

Ⅳ型储氢气瓶塑料内胆氢渗透特性及失效分析研究进展

白皛¹, 乔亮²^,³, 范峻铭²^,³, 闻炯明⁴, 张毅¹()

^1.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东青岛 266580
^2.深圳市燃气集团股份有限公司，广东深圳 518000
^3.深圳市燃气输配及高效利用工程技术研究中心，广东深圳 518000
^4.江苏省特种设备安全监督检验研究院（常熟分院），江苏常熟 215500

收稿日期:2023-07-12 出版日期:2024-01-26 发布日期:2024-01-22
通讯作者: 张毅（1988—），副教授，博士，主要从事聚乙烯燃气管道损伤失效分析、寿命预测及高分子聚合物损伤失效机理与表征研究，zhangyi@upc.edu.cn
E-mail:zhangyi@upc.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(11802343);城市老旧PE管道风险评估技术研究(KJ2023005)

Research progress in hydrogen permeation characteristics and failure analysis of plastic liner of type IV hydrogen storage vessel

BAI Xiao¹, QIAO Liang²^,³, FAN Junming²^,³, WEN Jiongming⁴, ZHANG Yi¹()

^1.College of Pipeline and Civil Engineering，China University of Petroleum （East China），Qingdao 266580，China
^2.Shenzhen Gas Co，Ltd，Shenzhen 518000，China
^3.Shenzhen Engineering Research Center for Gas Distribution and Efficient Utilization，Shenzhen 518000，China
^4.Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute of Jiangsu Province （Changshu Branch），Changshu 215500，China

Received:2023-07-12 Online:2024-01-26 Published:2024-01-22
Contact: ZHANG Yi E-mail:zhangyi@upc.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

综述了材料微观结构和外部环境对Ⅳ型气瓶塑料内胆氢渗透特性的影响，归纳总结了聚合物内胆的氢渗透机理；详细分析了内胆屈曲塌陷和屈服起泡的相关研究进展；指出了目前国内外研究存在的不足，并对未来的研究方向作出展望。

关键词: Ⅳ型车载储氢气瓶, 塑料内胆, 氢渗透, 影响因素, 失效形式

Abstract:

The failure modes such as buckling collapse and yield blistering of the liner can greatly reduces the service life of a cylinder. This paper analyzed the influence of different factors on the hydrogen permeation of plastic liners from both internal and external aspects and summarized their hydrogen permeation mechanism. In addition， the corresponding research progress at home and abroad was introduced and the shortcomings were pointed out. Finally， the future research direction was prospected.

Key words: type IV vehicle?mounted hydrogen storage vessel, plastic liner, hydrogen permeation, affecting factor, failure mode

中图分类号:

TQ325.1⁺2

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图/表 20

图1 5种类型的高压储氢气瓶［5⁃6］

Fig.1 Five types of high⁃pressure hydrogen storage cylinders［5⁃6］

图2 气体在聚合物中的渗透过程［18⁃19］

Fig.2 Gas permeation in polymers［18⁃19］

图3 PE材料氢渗透分子动力学模拟［25］

Fig.3 Molecular dynamics simulation of hydrogen permeation of PE［25］

图4 聚合物内胆氢渗透特性的影响因素

Fig.4 Influencing factors of hydrogen permeation characteristics of polymer liners

图5 取向前后气体的渗透路径

Fig.5 Gas permeation path before and after orientation

图6 改性前后气体的渗透路径［44，68］

Fig.6 Gas permeation path before and after modification［44，68］

图7 气体渗透系数与温度的关系［50］

Fig.7 The relationship between gas permeability coefficient and temperature［50］

图8 气体渗透系数与压力的关系［47］

Fig.8 The relationship between gas permeability coefficient and pressure［47］

影响因素	影响规律
聚合物类型	自由体积多的材料其氢渗透性更高，一般认为弹性体材料高于热塑性材料。
侧链结构	从侧链本身考虑，侧链密度越大，氢渗透性越高，而侧链长度的影响不明显；从侧链基团考虑，极性越弱、体积越小、对称性越差的基团其氢渗透性越高。
密度	密度越小，材料氢渗透性越高。
结晶度	同种材料结晶度越小，氢渗透性越高。
聚合物分子量及尺寸	聚合物分子量和尺寸越大，氢渗透性更高。
取向	不发生取向的聚合物氢渗透性更高。
交联度	交联度越大，则材料自由体积的孔径越小，氢渗透性越低；交联度越大，会引入更多的自由体积，氢渗透性越高。
添加剂	改性增加了材料结构的复杂程度，延长了氢气分子的扩散路径，使材料氢渗透性降低；填料的不均匀分布导致材料内部产生较大的空隙和团聚现象，加速氢气分子扩散，使材料氢渗透性增加。
温度	低温环境下，材料脆性增加，氢渗透性增加；T_g温度下，温度越高则氢渗透性越高，满足阿伦尼乌斯方程；T_g温度以上，温度越高则氢渗透性越高，不再满足阿伦尼乌斯方程；高温环境下，材料加速老化，氢渗透性增加。
压力	低氢压下，影响不明显；高氢压下，压力越大，氢渗透性越低。
循环载荷	在较低压力范围内，影响不明显；在高压范围内，循环次数越多，氢渗透性越低。
材料厚度	材料厚度对氢渗透性的影响很小。
湿度	吸湿性聚合物：湿度越大，氢渗透性越高；非吸湿性聚合物：影响不明显。

表1 不同影响因素对比表

Tab.1 Comparison of different influencing factors

图9 3种主要类型的损坏现象［100］

Fig.9 Three main types of damage［100］

图10 内胆/复合材料界面内部气体量变化示意图［101］

Fig.10 Schematic diagram of changes in gas volume inside the liner/composite interface［101］

图11 平板截面的CT影像［101］

Fig.11 CT image of plate section［101］

图12 Ⅳ型瓶的CT影像照片［107］

Fig.12 CT image of Type IV vessel［107］

图13 PE⁃HD材料在不同降压速率下的屈服起泡现象［109］

Fig.13 Yield bubbling of PE⁃HD material at different depressurization rates［109］

图14 不同因素对首个可见空腔出现时间的影响［116］

Fig.14 The effect of different factors on the time to appear the first visible cavity［116］

图15 PE⁃HD材料在不同温度下的空洞化风险［118］

Fig.15 Cavitation risk of PE⁃HD material at different temperature［118］

图16 减压速率对空腔数和空腔平均直径的影响［125］

Fig.16 Effect of decompression rate on the number of cavities and average diameter［125］

图17 双腔情况下RVE的不同损伤模式［99］

Fig.17 Different damage modes of RVE in double⁃cavity condition［99］

图18 减压模拟快照［132］

Fig.18 Snapshots of the decompression simulation［132］

图19 4种EPDM橡胶材料代表性2D显微CT图像［133］

Fig.19 Representative 2D microscopic CT images of the four EPDM rubber materials［133］

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Ⅳ型储氢气瓶塑料内胆氢渗透特性及失效分析研究进展

Research progress in hydrogen permeation characteristics and failure analysis of plastic liner of type IV hydrogen storage vessel

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