Globalni regulatorni okvir za sertifikaciju rezervoara za vodonik od 70 MPa

FMVSS 308 (SAD), UN GTR 13 (UN-ECE) i ISO 15869: Harmonizovani osnovni zahtjevi za homologaciju rezervoara za vodonik

Bezbednost rezervoara za vodonik se u velikoj meri oslanja na međunarodne standarde koji uređuju sve od proizvodnje do performansi. Tri glavna propisa se ističu: FMVSS 308 od vlade SAD, UN GTR 13 razvijen od strane Ujedinjenih nacija i ISO 15869 koji pokriva šire industrijske primjene. Ova pravila utvrđuju stroge zahteve za spremnike koji skladište vodonik na nivoima pritiska od 70 MPa. Oni inzistiraju na probama praska gdje pritisak mora preći 175 MPa prije nego što se dogodi kvar, plus opsežno testiranje umorstva koje oponaša oko 5.500 puta ono što se događa tokom normalnih operacija punjenja gorivom. Stopa permeacije mora ostati ispod 0,15 NmL na sat po litru kada temperatura dostigne 85 stepeni Celzijusa. Kada je riječ o curenjima, jednostavno ne može biti nikakvih detektivnih emisija nakon što je rezervoar pod pritiskom 200 sati zaredom. Materijali koji se koriste moraju ispunjavati teške specifikacije, tako da ugljikovo vlakno treba najmanje 3.500 MPa trajne čvrstoće, a smola matrica mora izdržati toplotu iznad 120 stepeni Celzijusa. Svi proizvođači moraju da testiraju svoje proizvode u nezavisnim laboratorijama koji su adekvatno akreditovani. To osigurava da tenkovi mogu da se nose i sa redovnim habanjem, kao i sa ekstremnim situacijama kao što su sudari gde sile mogu da pogode 30G bočno. Takva standardizacija pomaže različitim zemljama da rade zajedno bez problema, dok se rizik od katastrofalnih neuspeha održava izuzetno nizak, oko jedne šanse u milion na sat rada.

Ključne razlike: Pragovima otpornosti na vatru u UN R134 vs FMVSS 308 i njihov uticaj na dizajn vodonik spremnika

Različiti standardi otpornosti na vatru prisiljavaju inženjere da donose teške odluke prilikom projektovanja sistema. Pravilnik 134 Evropske unije zahtijeva da komponente prežive 20 minuta u izuzetno vrućim vatrima ugljikovodika (oko 1.100 stepeni Celzijusa) bez gubitka toplotne zaštite, dok američki standard FMVSS 308 postavlja niži prag na samo 12,5 minuta i 800 stepeni. Velika razlika u zahtjevima za temperaturom potaknula je naučnike da razviju nova rješenja. Kompanije koje prodaju širom svijeta često mešaju keramičke mikrosfere u svoje smole i postave debele aerogel barijere dubine oko 15 milimetara. Ove promjene čine cijeli sistem težim za otprilike 3,8 kilograma, ali smanjuju rizik od razgradnje ugljičnih vlakana za gotovo polovinu. Zadržavanje strožih pravila EU znači prelazak sa običnih aluminijumskih delova na skupe titanijske ventile, što povećava troškove proizvodnje za oko 18%, ali zaustavlja katastrofalne kvarove tokom porasta pritiska. Pogledajte ove regulatorne razlike pokazuje zašto su spremnici za skladištenje vodonika dizajnirani drugačije u različitim regionima - ono što radi na jednom tržištu možda ne ispunjava sigurnosna očekivanja u drugim.

Structuralna integritet i materijalna pouzdanost rezervoara za vodonik od 70 MPa

Degradacija ugljenika/epoksi kompozit pod cikličkim pritiskom i toplotnim stresom

Kompozitni CFRP proizvodi lakše rezervoare za skladištenje vodonika, ali imaju problema kada se proveravaju operativno. Kada se ovi spremnici ponavljaju promjenama pritiska od oko 5 do 70 MPa, male pukotine počinju da se formiraju u njihovom epoxi dijelu. A onda su temperature previse hladne na minus 40 stepeni Celzijusa do vruce na 85 stepeni Celzijusa sto uzrokuje da se slojevi raspadnu na interfejsima. Kombinujemo oba problema i vidimo pad snage razbijanja negdje između 15% i 25% nakon oko 15 000 ciklusa. Testiranje koje je urađeno brže od normalnih uslova otkriva nešto zanimljivo. Termalni ciklus zapravo uzrokuje dvostruko više pukotina u poređenju sa samo ciklusom pritiska. To nam govori da razlike u temperaturi igraju veću ulogu u tome koliko su pouzdani ovi rezervoari tokom vremena. Proizvođači koji se bore protiv ovog problema razgradnje obično se okreću posebnim epoxi materijalima koji se nose sa visokim nivoom napetosti i koji su čvršći kada se stvari razbiju. Oni takođe prilagođavaju ugao na kojem se vlakna zavijaju obično oko plus ili minus 55 stepeni da bi se bolje raspršile te napore. Neke kompanije čak dodaju obloge modifikovane nano-glinama kako bi se spriječio curenje vodonika.

U slučaju da se testiranje ne provodi na osnovu tehničkih standarda, testiranje se provodi na osnovu tehničkih standarda koji se primjenjuju na sve proizvode koji se upotrebljavaju u proizvodnji.

Kada je riječ o sigurnosnom sertifikovanju za ove sisteme, u osnovi postoje tri glavne stvari koje provjeravaju: koliko pritiska spremnik može podnijeti prije pucanja, koliko dugo traje pod ponavljajućim stresom i da li uopće curiti. Za testiranje na proboj, zahtev je prilično jednostavan - spremnici moraju izdržati najmanje 157,5 MPa, što je oko 2,25 puta njihov normalni radni pritisak, bez bilo kakvih strukturnih problema. Testiranje na umor uključuje podvrgavanje spremnika hiljadama ciklusa pritiska. Tačni brojevi variraju u zavisnosti od standarda koji se primjenjuje: oko 11.000 ciklusa prema SAE J2579, ili 15.000 ako se slijedi ISO 15869 Aneks D. Ovi testovi simuliraju ono što se dešava nakon oko 15 godina redovnog punjenja gorivom u stvarnim uslovima. Provjera za curenja obično uključuje nešto što se zove heliumska masna spektrometrija. Pri pritisku od 87,5 MPa, maksimalno dozvoljena brzina curenja je ili 0,15 NmL/hr/L prema SAE standardima ili 0,25 NmL/hr/L prema ISO smernicama. Postoji mala razlika između standarda kada je u pitanju sigurnosna marža. SAE J2579 traži 2,25 puta veći sigurnosni faktor od normalnih nivoa pritiska, dok ISO 15869 Aneks D traži 2,35 puta veći od projektnog pritiska. Pored svih ovih testova, proizvođači takođe rade simulacije vatre i vatre kako bi dokazali koliko su ovi tenkovi zaista čvrsti. I ne zaboravite na one uređaje za smanjenje pritiska koji se automatski uključuju kada pritisak vodika dostigne 110% od vrijednosti rezervoara.

Izazovi u upravljanju toplotom tokom punjenja gorivom na 70 MPa

Temperatura koja raste zbog Džul-Thomsonovog efekta: Fizika, merenje i implikacije za bezbednost vodikovih rezervoara

Kada se vodonik brzo komprimiše tokom tih 70 MPa punjenja, on uzrokuje tačke gdje temperature skaču iznad 85 stepeni Celzijusa zbog nečeg što se zove Joule-Thomson efekt. U osnovi, kada se gas stiska tako brzo, zagrijava se brže nego što ga sistem može ohladiti. Ove vruće zone postaju pravi problem za tenkove tipa IV. Standardi koje su postavile organizacije kao što je SAE J2601 zahtijevaju konstantno nadgledanje kroz infracrvene kamere i ugrađene senzore tokom cijelog procesa. Ako stvari postanu prevrelne, moraju prestati da se puniju dok se sve ne ohladi ispod opasnih 85 stepeni. Ako dozvolimo da temperature budu ekstremne, vodonik će se ispuštavati brže. Oko 15% više za svaki dodatnih 10 stepeni Celzijusa. Još gore, to dovodi do rizika da se slojevi od kompozitne plastike razbiju. Zato moderni sistemi sad uključuju pametne kontrole koje podešavaju količinu goriva koja ulazi na osnovu predviđanja, zajedno sa uređajima za smanjenje pritiska koji se uključuju mnogo prije nego što stvari dostignu opasne nivoe. Iako ove mere sigurnosti smanjuju efikasnost za oko 2% maksimalno tokom brzog punjenja, apsolutno su neophodne da bi svi bili sigurni na putu.

Odjeljek često postavljenih pitanja

Koje su glavne bezbednosne norme za rezervoare vodika od 70 MPa?

Glavni sigurnosni standardi za rezervoare za vodonik od 70 MPa uključuju FMVSS 308, UN GTR 13 i ISO 15869, koji postavljaju zahtjeve za pritisak pri puknuću, ispitivanje umornosti i stope prodiranja.

Kako se otpornost na vatru razlikuje između američkih i EU propisa?

US FMVSS 308 zahtijeva da komponente izdrže 12,5 minuta na 800 stepeni Celzijusa, dok EU Pravilnik 134 zahtijeva 20 minuta na 1,100 stepeni Celzijusa, što utiče na izbor materijala i dizajn.

S kojim se izazovima suočavaju kompozitni materijali od CFRP-a?

Kompozitni materijali od CFFK suočavaju se sa problemima sa formiranjem pukotina u epoksi zbog cikličkog pritiska i temperaturnog stresa, što dovodi do ranije degradacije nego što se očekivalo.

Kojim testovima pritiska podvrgnu se rezervoari za vodonik?

Tankovi za vodonik prolaze testove na pritisak pri ruptunu da bi izdržali najmanje 157,5 MPa i testove na životni vijek pri umoru koji uključuju hiljade ciklusa pritiska prema standardima kao što su SAE J2579 i ISO 15869 Prilog D.

Kako Joule-Thomson efekt utiče na punjenje gorivom?

Joule-Thomsonov efekat može izazvati temperaturne skokove iznad 85 stepeni Celzijusa tokom brzog kompresije na 70 MPa, što zahtijeva nadzor i mjere hlađenja kako bi se osigurala sigurnost.