氢气接头的剖面图

适合氢燃料电池技术接头应具备的四大品质

世伟洛克新产品开发首席工程师 Charles Hayes 和产品经理 Charles Erml

在开发安全、可靠且密封的氢燃料电池汽车和基础设施方面，氢气本身的物理化学性质是非常严峻的挑战之一。

氢气是一种小分子气体。氢气可以很容易地通过微小的裂缝逃逸，并扩散到设计用来容纳氢气的材料中。在运输市场上，氢气还必须以超过 700 bar 的压力存储，以便在车辆上实现必要的能量密度。在加氢站，随着氢气离开储罐并减压，快速的温度和压力变化也会影响系统的完整性。

这些情况突显了在连接高压氢燃料系统关键部件的接头中保持出色性能的重要性。应用于氢燃料电池技术的接头必须展示出一些关键特性，以确保长期的可靠性。虽然在这些应用中使用了传统的锥面螺纹接头，但今天有更高性能的接头。在这篇文章中，我们将深入探讨在氢气技术中实现理想性能的一些特定接头的设计特点：

密封性

考虑到氢气’可以通过极小的开口逸散，气密性和防漏性成为接头重要的性能指标。

许多传统的卡套管接头在狭窄的表面上形成一条接触线密封。虽然这种密封对于许多液体和一些气体来说已经足够了，但是一旦投入使用，氢气’棘手的物化性质就会对其造成危害。对于线密封接头来说，振动也会具有挑战性。

更好的氢气容纳密封设计包含两条跨越较长密封表面的接触线— - 一条沿卡套管，另一条沿接头。这些接触面应略微倾斜，以提供更好的应力水平，保持足够的密封。特定样式的双卡套接头可以实现这种密封完整性。

抓紧力

接头’在卡套管上的抓紧力是另一个关键性能指标，该性能可确保接头能够承受加氢所需的高压以及在行驶中的车辆中发生的剧烈振动。

采用两个卡套的组合式机械抓紧是氢气接头实现牢固抓紧的理想设计。硬化的前卡套管可使接头切实地咬入卡套管，从而实现非常高的承压能力。同时，独特的后卡套设计允许接头在保持抓紧力的同时可以在接头中少量移动（称为“回弹”）。这种类型的设计实现了优秀的抗振性，非常适合车载运行以及在加氢基础设施上使用，因为压缩机和动态工况会产生明显的振动。

机械式双卡套设计允许回弹，也有助于接头承受导致材料膨胀或收缩的剧烈温度变化。在加氢过程中，氢气温度可能从低至 -50ºC 的温度到环境温度变化，从而导致传统锥面螺纹接头性能出现问题。

安装简单

正确的接头设计对于可靠的使用性能至关重要。它还可以为氢燃料电池汽车制造商和加氢基础设施开发商带来显著的安装和组装效率提升。

一些可用的机械抓紧接头设计装有预装好的插装件。这使安装人员能够使用普通工具，并且只需进行简单的培训即可实现快速、无差错安装。与在传统的加氢站中使用的传统的锥面螺纹接头相比，世伟洛克^® FK 系列接头 等创新设计具有明显的安装和装配优势。

可靠的锥面螺纹连接需要专门的设备，较高的安装技巧，且与世伟洛克 FK 系列产品相比，其安装和检测时间通常长 5 倍。车辆制造与速度息息相关，随着氢基础设施规模的扩大，易于安装至关重要。合适的接头技术可以加快安装和检测。

材料完整性

在任何需要卡套管接头提供可靠性能的应用中，抗腐蚀性都很重要。当金属原子被流体氧化时会发生腐蚀，从而导致金属表面的材料损耗。这种损耗会减小元件的壁厚，并使其更易于引发机械故障。在氢运输应用中，车辆和加氢泵都经常暴露在恶劣的气候条件下，从而使结构材料在系统’的整个使用期限内能够抵抗问题重重的腐蚀变得尤为重要。

此外，氢分子可以吸附在不锈钢表面上，并且单个原子会分裂开来。其直径极小，因此会扩散到由大得多的铁、镍、铬和钼原子形成的奥氏体晶格中。扩散到 316/316L 不锈钢的速度非常缓慢，但在高压下经过长时间，大量的氢原子会积聚在晶格中。这种现象被称为氢脆。即使以高浓度存在，氢原子也不会对 316/316L 的强度产生任何不利影响。然而，如果部件中存在疲劳裂纹，氢原子将使这些裂纹更容易在元件中扩展传播。从长远来看，低性能合金可能更容易受到此问题的影响。

流体系统组件中更高含量的铬和镍可以通过保持关键组件更大的延展性来帮助抵御常见的腐蚀和氢脆。美国材料与试验学会 (ASTM) 要求 316 不锈钢中的镍含量至少为 10％。然而，事实证明，镍含量最低为 12% 的高品质 316 不锈钢更适合应对氢的独特挑战。

满足氢系统的需求

尽管有多种压缩卡套管接头和其他可能适用于氢燃料系统的样式，但很少有专为满足氢应用所需的许多独特性能要求而设计的产品。

世伟洛克的’ FK 系列接头 是个例外。FK 系列拥有获得专利的设计、EC-79 和 EIHP 认证以及高达 1551 bar 的压力等级，专为氢气应用而设计。该系列由镍含量最低为 12% 的 316 不锈钢制成，自推出以来，其已广泛用于各种行业和应用，并且仍然是当今’—和未来’—车辆和基础设施的最佳选择。

氢气运输的长期可行性将取决于安全、可靠和耐用的氢燃料电池汽车和基础设施。为关键系统选择和指定合适的组件有助于实现上述目标。 是否有兴趣了解更多信息？立即联系世伟洛克，讨论我们如何帮助满足您的运输需求。

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