加氢站超高压阀门研发现状与思考

郝加封 赵 斐 曲伟强 滕磊军 孙拥军

（北京航天试验技术研究所，北京 100074）

0 引言

化石燃料等传统能源的消耗和日益严峻的环境压力，使人们对新型清洁能源的需求越来越大。氢能和氢燃料电池由于环保性能好、能量转化效率高并且具有一定的经济性，而越来越受到世界各国的重视[1]。美国、日本、韩国以及欧盟各国均在积极布局氢能产业[2]，特别是日本提出了构建“氢能社会”的国家战略和发展路线图，在氢能技术和利用领域走在了世界的前列[3]。我国也先后在“十三五”规划的多个政策文件中，明确提出将“氢能与燃料电池”作为战略任务和重点任务来大力发展，明确了我国氢能标准化发展战略和技术路线图[4]。

为了促进氢能的发展，必须要完善其基础设施。但目前我国只有25 个加氢站，运营数量仅占全球的1%左右，因此，加氢站的建设是发展氢能产业必须要解决的问题。目前国际上技术比较成熟的是35 MPa 和70 MPa 加氢站，我国主要是35 MPa 加氢站，而70 MPa 加氢站正在研发阶段，高压和超高压加氢站成为未来的发展趋势。2016 年建成的大连高新70 MPa 加氢站，采用了新型氢气加注和储存技术，是我国首座利用风光互补发电原理制氢的70 MPa 加氢站[5]。

现阶段，我国加氢站建设所需要的关键单体设备，没有量产的成熟产品，大多依靠进口，导致加氢站的建设成本较高。为了推动我国加氢站的建设，就需要实现关键设备的国产化，超高压阀门的研制就是其中很重要的一项内容。

该文梳理了加氢领域国内外超高压阀门的研发现状，指出了研发的技术难点，并提出了一些研发建议，希望可以为超高压阀门的国产化提供一些参考。

1 国内外超高压阀门研发现状

1.1 国外超高压阀门研发现状

国外超高压阀门制造厂商主要有美国的HiP 公司、Autoclave Engineers 公司和BuTech 公司。HiP 公司专门从事高压超高压管件和阀门的研发和生产，主要产品是高压球阀和高压针阀，该公司低压产品的压力达到35 MPa，超高压产品的压力可以达到1 000 MPa。Autoclave Engineers公司是一家规模比较大的公司，是著名的高温、高压和超高压阀门制造厂商，产品应用于电力、石油和航天等领域。该公司生产的高压、超高压阀门规格较多，产品工作温度从-250 ℃～649 ℃不等，产品规格在1.4 mm～25 mm，阀门产品的驱动方式包括手动、气动等多种方式，阀门的最高压力也可以达到1 000 MPa。

BuTech 公司成立于1973 年，主要生产高温高压阀门及配件，获得了美国军用标准MIL-I-45208A 认证，与三菱重工、通用等公司长期合作，产品主要用于电力、化工、石油和天然气等领域，该公司生产的球阀压力最高可以达到1 000 MPa，使用的温度范围也非常广，从-253 ℃～649 ℃不等，口径从2 mm～25 mm 不等。

从高压超高压阀门产品调研中可以看出，国外的阀门产品的工作压力远远超过了70 MPa，完全可以满足加氢站的建设需求。

此外，德国的WEH 公司专门生产氢能相关的阀门和加氢装置，该公司生产的氢气专用高压阀门的压力可以达到42 MPa，公称直径尺寸为12 mm，功能多样化，有手动和气动2 种不同的控制方式。

图1 是国外手动和气动超高压截止阀，从图中可以看出，由于超高压的密封要求，阀门需要的密封力比较大，因此，相对于阀体，气动阀门气缸的尺寸非常大。图2 是国外BuTech 公司和WEH 公司生产的高压超高压球阀。

1.2 国内超高压阀门研发现状

从目前的调研情况来看，国内高压阀门制造厂商主要有富瑞特装和星箭等公司，富瑞特装公司的产品主要针对氢能和CNG 等新能源市场，阀门产品的最高压力能达到42 MPa。

图3（a）为富瑞特装公司的高压球阀，该产品地的控制方式为手动控制。星箭的产品主要面向军工和航天企业，从20 世纪80 年代开始与航天单位进行合作，阀门通径从DN10～DN50 不等，控制驱动系统包括手动、气动和电磁等不同方式，产品的最高工作压力可以达到35 MPa。这两家公司的产品都能满足35 MPa 加氢站的建设要求。上海瀚氢动力专门从事供氢系统的设备研发，包括泵、阀和压力容器等设备。该公司已经生产出了70 MPa 高压截止阀，如图3（b）所示。产品通径为6 mm，能够满足70 MPa加氢站的建设需要，但驱动系统仅有手动一种方式，没有气动装置。北京航天试验技术研究所已研发出100 MPa 超高压气动截止阀，重量和体积与国外产品相近，如图4 所示。。密封性能完全可以取代进口产品，即将进行量产，其成本低，在市场上具有很强的竞争力。

山药体内含水量高达85%左右，山药既耐旱又要吸收大量水分。能否有足够的水分保证山药各个生长期的需要，是影响山药正常生长发育的重要因素。

图1 国外超高压截止阀产品

图2 国外超高压阀门产品

对国内外高压超高压阀门产品进行对比可以看出，国外阀门厂商起步较早，并且公司规模都比较大，实力很强。国外加氢站发展更快，对超高压阀门的需求量较大，厂商投入了大量资源进行超高压阀门产品研发。而相对来说，国内的阀门厂商起步较晚，超高压阀门产品较少，国内超高压阀门产品主要还是依赖进口。所以，国内超高压氢气阀门厂商的主要竞争对手还是国外厂商。国内加氢站的发展必然会带动超高压阀门市场的发展，更多的国外产品会进入中国市场，国外超高压阀门的优势是技术成熟并且应用广泛，但进口产品的价格较高，所以价格将是我国产品的一个重要竞争优势，也是未来影响国内氢气阀门市场格局的一个重要因素。

图3 国产高压阀门

图4 100 MPa 超高压气动截止阀

2 超高压阀门结构特点与技术难点

由于使用条件特殊，超高压阀门一般尺寸较小，为0.635 cm～3.810 cm。而且阀门的结构样式很多，可以适应不同的工作条件。目前氢能领域采用的超高压阀门主要是截止阀和球阀2 种结构。

2.1 超高压截止阀结构特点

2.1.1 超高压截止阀结构型式

截止阀有多种结构型式，具体结构如图5 所示。其中图5（a）为直通式超高压截止阀，图5（b）为直角式超高压截止阀，图5（c）为三通阀门两进一出超高压截止阀，图5（d）为三通阀门一进两出超高压截止阀。这4 种截止阀结构都是氢气专用的，尺寸为0.635 cm～2.540 cm，压力条件从70 MPa～140 MPa不等，属于氢能高压和超高压阀门。

2.1.2 超高压截止阀密封结构特点

超高压截止阀与传统截止阀的结构基本相似，图6 是一个压力条件为140 MPa 的超高压截止阀的结构图，阀门的通径是4 mm。从图中可以看出，阀门密封面采用了斜面密封的方式，这种密封结构的好处是加工方便，并且后期维修也比较容易。零件2 是阀杆，材料是0Cr17Ni4Cu4Nb，含有马氏体，强度和硬度都比较大。阀体采用了316L 不锈钢材料，可以保证阀体的强度和抗腐蚀性。零件4 是填料，材料是聚四氟乙烯，通过填料压盖（零件5）来保证与阀杆接触位置的密封性。总体来说，截止阀的密封结构比较简单，采用了斜面密封和填料密封2 种方式进行高压密封，拆卸和维修都比较容易。

图5 超高压截止阀结构型式

图6 超高压截止阀装配图

2.2 超压球阀结构特点

2.2.1 超高压球阀结构型式

球阀结构可以分为双通和三通2 种。图7 为HIP 公司生产的双通和三通超高压球阀，图7（a）是双通型球阀。图7（b）为三通式的球阀，三通型球阀又分为90°和180°2种，如图8 所示，口径从0.25 cm ～2.54 cm 不等，压力条件从70 MPa～140 MPa，这几种球阀结构都是氢能专用的。

图7 超高压球阀结构

2.2.2 超高压球阀密封结构

图9 是一个超高压球阀的主体部分结构，与传统球阀的结构类似。整体采用阀杆转动带动球体转动的方式完成阀门的开关。球体左右各有一个阀座，阀座的硬度较高，是一种非金属材料。阀杆与阀体部分的密封依然采用填料密封的方式，为了保证密封效果，超高压球阀加入了2 道填料密封，如图9 中序号4 所示，填料的材料为聚四氟乙烯。该阀门上方有一个气动驱动装置，以此来完成阀门的开关动作。

2.3 超高压阀门研发的技术难点

2.3.1 超高压条件下密封问题

密封型式一般有平面密封、锥面密封以及线密封。平面密封的轴向载荷过大，密封效果不如锥面密封。线密封的密封比压高，更适合超高压条件，但对加工的要求更高，后期维修难度也更高。锥面密封的密封效果好，便于加工，应用比较普遍，但其关闭过程存在摩擦的现象，如图10 所示。各种密封结构都有其优缺点，具体的密封形式需要视实际情况而定。

在超高压条件下，气体对密封结构施加的压力更大，在间隙相同的情况下比常压泄漏量大几倍甚至是几十倍，并且由于氢气属于易燃气体，泄露量过大会导致非常严重的后果，因此，对于超高压条件下密封材料的选择和结构的设计，需要进行综合分析，并进行相关的试验验证。超高压条件对密封面也提出了更高的要求，超高压条件需要更高的密封比压，需要硬度和强度更高的密封面材料。

2.3.2 超高压条件的阀门可靠性问题

常见的阀门以中压或高压为主，国内也是以中压或高压条件的标准进行阀门设计的，关于超高压条件的内容也比较少，按照相关标准设计出的阀壁较厚，并且安全性和可靠性等都无法得到保证。此外，对于超高压阀门的研发并没有相关的设计经验和成熟的设计理论可供参考，需要理论计算与试验相结合。

3 对超高压阀门研发的建议

3.1 关于超高压密封问题的建议

对于高压和超高压条件来说，密封材料和结构决定了阀门的性能。阀体和阀杆可以采用不锈钢材料，对密封表面粗糙度的要求很高。阀杆中部位置的密封处也需要满足高压超高压条件下的密封要求。对阀门不同位置处的密封，采用不同的密封形式，O 型圈、垫片、填料这种常规的密封结构在超高压的阀门中也可以应用。

在超高压条件下，也可以考虑采用泛塞封的密封方式，该密封方式的特点是结构简单，可以选用抗腐蚀的材料，具有自密封的特点，当压力提高时，泛塞封的密封压力也会提高，这样就可以提高超高压条件下的密封效果。目前市场上的泛塞封已经可以在200 MPa 的压力条件下使用。

Y 型密封、直角密封和脚型密封是近年来常用的密封结构，也可以满足在100 MPa～200 MPa 的超高压条件下工作，可以考虑在在阀体与阀杆间。此外，还需要对氢气阀门的具体密封结构进行进一步研究，具体情况具体分析。

图8 三通型球阀结构型式

图9 DN6 超高压球阀

图10 锥面密封

3.2 关于超高压可靠性问题的建议

按照常规的设计标准设计的阀门，已经不能完全保障其在超高压条件下的安全性和可靠性。因此，为了保证设计的可靠性和安全性，需要进行有限元仿真分析，并进行强度和寿命的相关试验，对阀门的设计结果进行进一步的验证和校核，确保阀门在超高压条件下安全的运行。此外，为了保证设备在不同条件下的安全运行，必须进行相应的试验，包括气密性试验、跌落试验、寿命试验以及腐蚀性试验等。

4 结语

加氢站所需的超高压阀门单体设备的研发是加氢站基础设施建设的前提。只有在结合实际情况合理规划研发路线的基础上，稳定有序地进行超高压阀门设备的研发，才能在技术上少走弯路，提升产品的可靠性。新产品开发需要时间，需要研发人员结合实际使用需求，不断创新，不断地优化产品性能，不断提高产品使用的便捷性、安全性、实用性和可维修性。此外，还需要考虑生产成本与市场推广。这就要求研发人员对产品开发的整个路径有一个清晰明确的规划，这样才能创造出适用于市场的成熟产品。