根據相關標準規定,車用壓縮氫氣鋁內膽碳纖維全纏繞氣瓶的型式試驗內容主要包括基線性能驗證試驗、耐久性能驗證試驗、預期車載性能驗證試驗以及服務終止性能的驗證試驗。各項目的試驗目的內容如下:
1、基線性能試驗
1.1 基線性能試驗的目的
基線性能試驗的目的主要有以下幾個方面:
1.1.1 確保提供的樣品與驗證批次的性能一致,并且與制造商產品質量控制一致。
1.1.2 確定初始爆破壓力中值,用于后續性能試驗驗證,并且可用于產品質量控制。
1.1.3 確保在泄漏前滿足最小爆破壓力和壓力循環次數的要求。
此驗證條件為車用氫瓶的“未爆先漏”的設計模式,即不允許直接破裂或爆破。“漏”表現形式為裂紋,而“爆”的表現形式為破口。
無論儲氫氣瓶的故障模式如何,“未爆先漏”的失效模式這一要求為氣瓶在車輛壽命內提供了足夠的安全保護前提。按最小的設計循環次數 5500 次計算,每次加注行駛 320km,則氣瓶泄漏失效前最少可行駛(5500×320)=160萬km;按 2.2 萬次計算,則 22000×320=704萬km,基本超過了車輛在路上行駛壽命的真實極限。從而有效防止車輛在氣瓶泄漏后繼續使用可能導致的破裂現象發生,進而證明有能力避免行駛中壓力循環造成的失效(泄漏或破裂)。
1.2 基線性能試驗中液壓循環次數的確定
當決定液壓試驗壓力循環次數時,主要是考慮預期的最壞情況下,車輛服務年限內續駛里程的差異以及不同的司法管轄區最壞情況下的燃料加注頻率。各區預期的最大的加注次數的差異主要與當地高使用率的商業出租車應用相關,這受制于各區域的車輛運行規定。
2、耐久性能驗證試驗(液壓順序試驗)
2.1 耐久性能驗證試驗的目的
順序性能復制了氣瓶全生命周期內受到不同暴露條件的極限情況的道路體驗,預期氣瓶在車輛壽命內只能種類型的暴露是不現實的。
由于破裂后果的嚴重程度高,破裂后果并不會因為其他可采取的措施減輕(通過與政策相關的車載泄漏檢輕泄漏),這些耐久性測試側重于在苛刻的外部條件下驗證結構抗破裂能力。因為這些極端條件集中在結構應勞上,所以是以液壓方式進行的。
耐久性試驗確保氣瓶完全能夠在極端使用條件下避免破裂,包括加注頻率,物理損壞和惡劣環境條件。
在整個的耐久性能驗證試驗過程中,模擬了延長和過度使用的惡劣工況,例如使用壽命內從空到滿(85℃NWP,-40℃ 的 0.8NWP)以及在使用過程中可能出現的過壓工況。
2.2 耐久性能驗證試驗內容
2.2.1 耐壓試驗
耐壓試驗是對安全強度的驗證,檢查氣瓶制造過程中是否存在缺陷并確定缺陷的嚴重程度,同時對氣瓶的載能力進行驗證。
2.2.2 跌落試驗
跌落試驗要求氣瓶從高的叉車分別以幾個角度跌落。驗證汽車維修過程中的風險,例如裝卸過程中從落,旨在驗證氣瓶承受安裝過程中的抗跌落能力。
2.2.3 表面損傷
表面損傷會削減氣瓶外表面的耐磨損特性,可能導致保護涂層的嚴重磨損;降低外部結構強度。
2.2.4 化學暴露
車輛在使用過程中,有可能會接觸到各種各樣的化學品,例如車輛上使用的液體(電池酸和洗劑液),道路近使用的化學品(化肥硝酸鹽和堿液),加油站用液體(甲醇和汽油)。根據CNG氣瓶使用經驗,造成破裂的主要應力腐蝕破裂(同時接觸腐蝕性化學品和加壓后破裂,受到撞擊或磨損后的涂層滲透會降低保護功能,是造成蝕開裂的危險因素)。
2.2.5 化學暴露下常溫壓力循環試驗
在常溫壓力循環試驗的后需要進行 10 次 5NWP 的循環試驗,主要是考慮到加氫站過壓情況,一般加求限制在 ≤5NWP,驗證在 10 次暴露于 5NWP 加注期間不會泄漏,確保儲氫氣瓶在加氫站故障導致超壓時有抵抗破壞的能力。
2.2.6 高溫靜壓試驗
高溫靜壓試驗用來模擬高溫加注停車 25a(車輛在滿加注條件下維修、遺棄、收藏)利用試驗室數據確定應試驗的等效性,根據應力破裂概率失效的等同性,0NWP 下使用 25a 等同于 25NWP 下使用 1000h。
在高溫靜壓試驗中選取了 85℃,主要是考慮一些復合材料表現出溫度依賴性疲勞速率(與樹脂氧化潛在相汽車停放在陽光直射瀝青路面,50℃ 的環境,測量發動機艙溫度 82℃;在 49℃ 的陽光直射的黑色皮卡車的箱子有蓋子的黑色儲氫瓶的大/平均測量表面溫度為 87℃。綜合進行考慮選取 85℃ 作為試驗用溫度值。
2.2.7 極限溫度壓力循環試驗
在極限溫度壓力循環試驗中,我們采取的溫度范圍為 -40~85℃。氣象記錄顯示溫度為 -40℃ 或低于 -40℃ 位于北緯 45° 以北;溫度為 50° 多是低緯度國家的沙漠地區;有地區政府記錄顯示,當地的極端溫度出現頻率為測數據顯示每年 5% 的時間會出現 -30℃ 的低氣溫。而且每天的低溫度不會超過 24h,因此,車輛持續暴 0℃ 的時間不到車輛使用壽命的 5%,所以選取 -40℃ 作為試驗用的低溫度值。
2.2.8 剩余強度液壓爆破
在跌落、磨損、腐蝕、疲勞循環以及高溫靜壓 1000h 后,爆破壓力下降不到 20%;保證有 ±10% 制造偏差容而保證在 0NWP 下具有 25a 的抗破裂能力
3、預期車載性能試驗(氣壓順序試驗)
3.1 預期車載性能試驗目的
驗證氣瓶在預期暴露的極端惡劣條件下保證基本安全功能的能力;這種預期的暴露包括燃料(氫氣)、環境端溫度)和正常使用條件(如預期車輛壽命、每次加注行駛里程、加注條件和頻率、停車)。連續的停車和加注應個車輛可預期的必備的兩個用途,在預期服務內必須有能力承受。
3.2 預期車載性能試驗內容
3.2.1 常溫和極限溫度下的氣壓循環試驗
a)加注循環次數的確定
車輛預期服務年限內,且不發生泄漏的加注次數 500 次=車輛預期總續航里程/單次里程=25萬km/500km
通過常溫和極限溫度下的氣壓循環試驗證明在 500 次加注中表現出無泄漏的能力,目的是建立基本的車性,為車載氣瓶泄漏的風險進一步發展前進行監測及關閉車輛系統。由于完全加注的應力超過了部分加注的應計驗證試驗為證明燃料無泄漏/泄放能力提供了明顯額外的可靠性。
b)燃料加注條件的確定
3min 是快的由空至滿加注時間要求,相當于典型的汽油加油時間以及現有的加氫站加注技術發展水平 Pa 快速加注要求氫氣溫度為 -40℃。
預期的大熱沖擊條件為系統在環境溫度 50℃ 達到平衡并經受 -40℃ 氫氣的沖擊,以及系統在 -40℃ 時達到經受加注 20℃ 氫氣的沖擊。
3.2.2 極端溫度靜壓泄漏/滲透試驗
泄漏和滲透是車輛停在封閉空間比如車庫時發生火災的風險因素。之所以定義泄漏/滲透極限,是要限制度,在溫度高(55℃)、空間小、空氣交換率低(0.03體積/h)的車庫里,不要超過 25%LFL 可燃下限(1% 氫氣)。輛存儲系統總水容積不超過 330L,車庫大小不小于 50m,那么 46mL/(h?L)水容積的滲透率會使氫氣濃度 1% 以內。
55℃ 環境下,把儲罐加滿的大壓力 15NWP(與 85℃ 下 25NWP 和 15℃ 時 0NWP 兩種狀態相同)。
3.2.3 剩余耐壓試驗
加氫站要求規定加氫站過壓不得超 5NWP。(這一項加氫站要求應當結合當地加氫站標準法規建立)。
靜態應力破裂實驗數據曾用于定義以下兩種壞情況,具備等效的復合材料靜態應力破裂概率:一是在 1 下持續 4min;二是在 5NWP 下持續 10h(SAE 技術報告 2009-01-0012)。預計將為加注站設計提供超壓保護可達到 5NWP。
3.2.4 剩余強度液壓爆破
儲罐經過一系列服務后,爆破壓力要降低 20% 以內,此要求旨在保證部件的穩定性,能夠具備抗破裂能求提供一種保證,即允許存在 10% 的制造變更范圍,以此保證在 0NWP下,抗破裂性能夠維持超過 25a。
關于氣瓶內膽,建議注意內膽性能的削弱。氣瓶內膽可在爆破后檢查。然后,可以檢查內膽和內膽/末端界處,看是否出現任何性能下降,比如疲勞斷裂、塑料脫離、密封性降低或靜電放電導致的損壞。
4、服務終止驗證試驗—火燒試驗
4.1 服務終止驗證試驗目的
火燒試驗是為了驗證按設計規定帶有防火保護系統(瓶閥、壓力泄放裝置和/或整體絕熱層)的成品氣瓶,處的火燒條件下防止爆炸的能力。
4.2 火燒試驗依據
過去十年,對CNG儲罐使用過程中出現故障的全面檢測表明,大部分的火災事故發生在使用設計不恰當裝置(PRD),其余火災事故是由于即便局部火情已經燒到瓶壁,但仍未能使罐體釋放足夠的熱量,從而沒有觸裝置(PRD),進而未能起到保護儲罐的作用,終導致儲存容器爆炸。局部火燒在以前的法規或行業標準中及。本法規中火燒試驗規定了局部火燒和整體火燒。
火燒試驗基于日本汽車研究所(JARI)和美國制造商車輛級別的測試。主要研究結果如下:
約 40% 的實驗室車輛燃燒調查結果表明,在被視為局部火燒的情況中,數據顯示,復合材料壓縮氣體儲罐末端的泄壓裝置(PRD,離火源遠)還沒來得及被激活時,就會被局部燒壞。(注意:300℃ 溫度作為局部火災發度條件是因為熱重分析(TGA)表明容器材料在這個溫度下會迅速降解);雖然實驗室車輛燃燒通常持續 30~60 其儲存容器的局部火燒降解容器的時間不到 10min;局部火平均高溫度低于 570℃,峰值溫度在某些情況下 00~880℃;在局部火燃燒后期時,其峰值溫度的上升,通常是局部火過渡到整體/吞噬火的標志。