Приложение В (обязательное). Обоснование требований к проектированию и квалификационных требований к системам хранения сжатого водорода, определенных в 5.2

Приложение В
(обязательное)

Обоснование
требований к проектированию и квалификационных требований к системам хранения сжатого водорода, определенных в 5.2

Первое условие: системы хранения водорода должны выдерживать нагрузки, связанные с ожидаемой эксплуатацией ТС на дорогах, и в условиях загруженности при эксплуатации на дорогах с полной функциональностью и без непреднамеренного выброса водорода. Загруженность в течение всего срока службы включает ожидаемые воздействия и виды использования, которые могут привести к выходу материала из строя, усталости, деградации или износу Настоящий стандарт устанавливает квалификационные испытания, позволяющие подтвердить, что дизайн и конструкция обеспечивают способность выдерживать внешние воздействия с сохранением работоспособности.

Второе условие: способность оборудования выдерживать аварийные удары контролируется с помощью рекомендаций по конструкции ТС и, следовательно, проверяется как характеристика ТС в соответствии с ГОСТ Р 70679.

Третье условие: настоящий стандарт устанавливает серийно-квалификационные испытания, чтобы подтвердить способность производственных единиц соответствовать требованиям настоящего стандарта по квалификационным испытаниям.

Четвертое условие: настоящий стандарт определяет требования безопасности, основанные на следующих характеристиках:

- стандарты производительности могут обеспечить более высокий уровень гарантии безопасности за счет однозначного указания ожидаемых характеристик, которых должны достичь системы хранения водорода (проекты, материалы и конструкции) в экстремальных стрессовых условиях, даже при прекращении эксплуатации;

- квалификационные испытания, указанные в настоящем стандарте, предназначены только для систем хранения водорода на ТС.

В.1 Система хранения компримированного водорода

Опыт использования сжатого газообразного водорода в ТС ограничен 70 МПа. Использование более высоких давлений в ТС в настоящее время не предполагается, поэтому предел давления для этих спецификаций установлен на уровне 70 МПа.

В.2 Требования к конструкции

Основная стратегия безопасности при хранении топлива состоит в том, чтобы удерживать топливо и, при необходимости, безопасно выпускать топливо при определенных условиях. Вторичная стратегия безопасности заключается в том, чтобы изолировать топливо в системе хранения всякий раз, когда обнаруживается утечка. Эти стратегии требуют прочности баллонов и высоконадежных, долговечных и безотказных запорных устройств: обратного клапана, ручного запорного клапана, УСД с термическим активатором (ТУСД) и автоматического запорного клапана. Надежность и долговечность затворов гарантируется сертификацией.

В.3 Защита от избыточного давления

У избыточного давления есть два потенциальных источника, оба связаны с заправкой: первый - выход из строя заправочной станции и второй - заправка топливом системы хранения, которая больше не способна выдерживать давление заполнения. Риск избыточного давления можно свести к минимуму, если осуществлять заправки только на соответствующих заправочных станциях и проверять системы хранения водорода на устойчивость к усталости и деградации материала в течение ожидаемого срока службы.

Риск избыточного давления на заправочной станции сводится к минимуму за счет нескольких уровней защиты:

а) первый уровень: конструкция заправочного пистолета подходит только для топливозаборника систем хранения ТС, для которых предназначен данный уровень наддува. Например, топливная форсунка на 70 МПа подойдет только к заправочному патрубку ТС с системой хранения на 70 МПа;

б) второй уровень: первичная система безопасности на заправочной станции прекращает подачу топлива по достижении целевого заполнения системы. Давление при этом не превышает 125 % от НРД;

в) третий уровень: заправочная станция оснащена КСД в линии заправки, который будет настроен на инициирование сброса при 10 %-ном повышении максимально допустимого давления заправки (138 % НРД) и на полное открытие при 150 %-ном повышении давления НРД;

г) четвертый уровень: для дополнительной гарантии заправочная станция может иметь резервный предохранительный клапан на раздаточной линии с такими же настройками (или сопоставимые резервные системы). Ожидается, что этот уровень защиты будет установлен строительными/противопожарными требованиями к строительству станций и их периодическими проверками;

д) пятый уровень: бортовые системы хранения должны будут выдерживать 150 %-ное повышение давления НРД вследствие аварии второго уровня на заправочной станции.

В.4 Тепловая защита

В системе должно быть по крайней мере одно устройство сброса давления, активируемое термически, чтобы система обеспечивала контролируемый выброс водорода при воздействии экстремального тепла, которое может повредить баллон или вызвать избыточное давление, или и то, и другое. Предполагается, что термоактивируемое устройство будет срабатывать с соответствующим повышением внутреннего давления или без него и, таким образом, предотвращать разрыв сосуда, вызванный избыточным давлением в нем или его термическим повреждением. Применение клапана сброса давления (в отличие от ТУСД) неприемлемо из-за потенциальной утечки, которая может создать дополнительный риск в замкнутом пространстве; ТУСД не подвержен данному распространенному виду неисправности.

В.5 Срок службы и долговечность

Операторы коммерческого парка ТС, подвергающихся интенсивной эксплуатации, таких как автобусы, запросили проверку способности к безопасной эксплуатации при продолжительном сроке службы. Опыт эксплуатации ограничен 25 годами, поэтому эти требования применяются для квалификации от 15 до 25 лет.

В.6 Выбор материала

Требования к проверке того, что материалы соответствуют проектным требованиям, указанным в данном документе.

В.7 Проверочные испытания

Испытания предназначены для проверки безопасности работы систем в предполагаемых экстремальных стрессовых условиях на дороге. Долговечность баллона при длительном воздействии водорода в течение всего срока службы рассматривается в соответствии с требованиями к эксплуатационным испытаниям в приложении А.2. Испытание на ожидаемую эксплуатацию (см. 5.2.2.2) подтверждает, что система обеспечивает безопасность в наихудших условиях, которые могут возникать в течение всего срока службы ТС. Испытание характеристик долговечности (см. 5.2.2.3) подтверждает, что система является достаточно прочной, чтобы не разрушаться в реальных, но нетипично тяжелых дорожных условиях и при неожиданно интенсивном использовании. Испытания производительности для условий прекращения обслуживания (см. 5.2.2.4) проверяют производительность в тяжелых условиях, при которых прекращается обслуживание. Уровни загруженности, возникающие при эксплуатации, обычно различаются для ТС личного использования и коммерческих ТС большой грузоподъемности.

За наихудшие условия заправки типового ТС принимается срок службы, состоящий из наиболее напряженных заправок от 2 МПа и менее до 125 % НРД, вызывающих максимальное изменение давления и температуры.

Максимальное количество полных заправок в течение ожидаемого срока службы определяется по формуле: (ожидаемый пробег ТС)/(ожидаемый запас хода после полной заправки). Ожидаемый пробег ТС принимают равным 250 000 км. Ожидаемый запас хода ТС на одну полную заправку составляет в среднем 483 км. Ожидаемое количество полных заправок в наихудших условиях, следовательно, составляет 500.

Поскольку нагрузка при полной заправке топливом превышает нагрузку при частичной заправке, проверочное испытание конструкции предусматривает значительный запас дополнительной прочности.

Увеличенная долговечность: экстремальная эксплуатация, когда автомобиль выдерживает повышенное количество заправок.

Превышение ожидаемого количества заправок топливом происходит, если, во-первых, пробег ТС за весь срок службы выше ожидаемого, во-вторых, запас хода ТС на одной полной заправке ниже ожидаемого и/или, в-третьих, средняя заправка ТС не является полной.

Максимальное количество частых неполных заправок определяется как отношение запаса хода к минимальному запасу хода ТС на одну полную заправку, умноженное на минимальную среднюю долю объема заправки за весь срок службы.

Минимальная средняя объемная доля заправки за весь срок службы принята равной 0,33. Надежные статистические данные о текущей объемной доле заполнения отсутствуют, однако они, очевидно, будут зависеть от наличия водородных заправочных станций. Спецификация квалификационных испытаний основана на предположении, что срок службы заправок топливом, требующих менее 33 % запаса топлива, обеспечивает экстремальный показатель, связанный со средним сроком заправок топливом с интервалами от 110 до 160 км.

Запас хода ТС при экстремальном использовании принимается равным 590 000 км.

Минимальный запас хода ТС при полной заправке принимается равным 322 км. В настоящее время все дорожные ТС, выпускаемые ведущими производителями, имеют запас хода на одну полную заправку более 500 км.

Поэтому предельное количество заправок принимается равным 5500 = 3  590000/322.

Расчетно-квалификационные требования по прочности (запасу прочности) повышенной долговечности:

- ТС с запасом хода в 322 км на одной полной заправке должен проехать более 1 600 000 км, чтобы потребовалось 5500 полных заправок;

- частичная заправка вызывает заметно меньшие колебания температуры и давления и, следовательно, значительно меньшие напряжения, чем полное заполнение. Проведение высокочастотных циклических испытаний давления при полных заправках топливом с перепадами давления обеспечивает десятикратный запас прочности;

- коммерческие большегрузные ТС (автобусы) - количество циклов заправки/слива топлива для проверочных испытаний.

На проектную аттестацию систем хранения для коммерческого использования в тяжелых условиях влияют, в том числе, два фактора:

а) коммерческие ТС могут подвергаться техническому обслуживанию (например, капитальному ремонту двигателя и трансмиссии), что значительно увеличивает срок службы ТС (дальность пробега) и, таким образом, увеличивает количество заправок топливом в течение ожидаемого срока службы;

б) коммерческие ТС обычно остаются в эксплуатации в течение 15 и более лет. Руководители автопарков обычно требуют сертификацию систем хранения на 20-25 лет эксплуатации. Кроме того, коммерческие ТС могут регулярно подвергаться ежедневной заправке от пустого до полного с последующей ночной стоянкой, так что давление и температура топлива не сразу снижаются при последующем вождении. Требования к циклическим испытаниям под давлением коммерческих ТС большой грузоподъемности предполагают следующее:

- количество циклов для испытания на условия ожидаемого обслуживания равно 1000 циклов. Минимум для коммерческих ТС принимается равным удвоенному пробегу личного транспорта, т.е. ожидаемый пробег ТС за весь срок службы составляет 483 000 км;

- количество циклов при испытании на долговечность равно 15 000. Чтобы предусмотреть неограниченное использование, для моделирования непрерывной работы автобуса в течение всего рабочего дня были приняты экстремальные условия - 2 полные заправки в день. Минимальный срок сертификации коммерческих ТС составляет 20 лет; следовательно, минимальное количество циклов испытаний составляет 2  365  20 < 15 000. Надежность данного определения обеспечивается тем, что отношение произведения 15 000 циклов и 322 км пробега к заправочному циклу превышает 4 000 000 км пробега.

В.7.1 Базовые требования к производительности

Эти испытания предназначены для того, чтобы:

- обеспечить исходные данные сосудов для дальнейшего использования при аттестации конструкции (см. 5.2.2.2.4 и 5.2.2.3.9);

- обеспечить уверенность в том, что баллоны, представленные для аттестационных испытаний конструкции, сравнимы по своим свойствам;

- предоставить исходные данные, используемые для подтверждения того, что изготовленные системы сопоставимы с системами, используемыми для аттестации для эксплуатации на дорогах в соответствии с требованиями к испытаниям 5.2.2.

В.7.2 Требования к базовым характеристикам - совместимость с водородом

Оценивается склонность к водородному охрупчиванию. Это требование разработано для обеспечения гарантии того, что долговечность баллона (т.е. его восприимчивость к усталостному разрушению в результате циклов изменения давления) проверяется как наихудшее условие. Достаточность испытаний с циклическим гидравлическим давлением подтверждается (или опровергается) квалификацией металлических материалов, контактирующих с водородом (например, металлического корпуса, лейнера или горловиной), на стойкость к водородному охрупчиванию.

Если металлы, используемые в контакте с газообразным водородом в баллоне, подтверждены как прочно устойчивые к водородному охрупчиванию, то гидравлические испытания по 5.2.2.3 достаточны для подтверждения долговечности в отношении усталости при циклическом изменении давления при операциях заправки/слива топлива. Надежная стойкость металлов к водородному охрупчиванию подтверждается либо табличным перечнем в А.2.3 (металлы, для которых признаются экспериментальные данные и опыт использования), либо эксплуатационными испытаниями, указанными в А.3.

Если металлы, используемые в контакте с газообразным водородом в баллоне, не подтверждены как прочно устойчивые к водородному охрупчиванию, но ожидается, что стойкость будет достаточной для конкретного применения, то эта стойкость должна быть подтверждена испытанием сосуда циклическим изменением давления с использованием газообразного водорода, как приведено в А.4.

В.7.3 Требования к базовым характеристикам - сопротивление разрыву под напряжением

Это требование обеспечивает уверенность в том, что баллон имеет достаточную способность противостоять разрыву при выдержке при повышенном давлении и температуре. Критерий приемлемости гарантирует, что минимальное давление разрыва является достаточным для того, чтобы баллон мог держаться в рабочем состоянии при 1,5  НРД и температуре 85 °C в течение не менее 25 лет, что охватывает длительную стоянку в жарких условиях и условия, которые могут возникнуть в случае множественных сбоев при заполнении ТС. Дополнительная информация приведена в приложении Ж.

В.7.4 Давление разрыва нового баллона

Номинальное давление разрыва вновь изготовленных баллонов устанавливается для трех целей:

1) для проверки того, что изготовленные сосуды соответствуют характеристикам аттестованных по проекту сосудов (см. 5.2.3.2);

2) для проверки того, что вновь изготовленные сосуды имеют первоначальную прочность выше, чем минимальное давление разрыва (см. 5.2.2.1.2.а);

3) для проверки того, что свойства сосудов, соответствующие требованиям к конструкции, не изменяются существенно во время ожидаемой эксплуатации ТС (5.2.2.2.4).

В.7.5 Срок службы нового сосуда под давлением

Минимальный срок службы под давлением вновь изготовленных сосудов устанавливается для трех целей:

1) для проверки того, что изготовленные сосуды соответствуют характеристикам сосудов, отвечающих проектным требованиям (см. 5.2.3.2),

2) для проверки того, что вновь изготовленные сосуды могут поддерживать ожидаемую работу без утечек и либо выйдут из строя из-за утечки (не разрыва), либо не выйдут из строя во время аварийной заправки/слива топлива,

3) для проверки репрезентативности свойств квалифицированных сосудов (срок службы под давлением) для всех выпускаемых изделий.

В.7.6 Испытание ожидаемых эксплуатационных показателей

В течение обычного срока службы ТС его эксплуатация на дорогах приводит к воздействию многочисленных нагрузок, которые последовательно усугубляются своим воздействием; следовательно, способность выдерживать чередующиеся нагрузки является важнейшим элементом проверки работоспособности.

Испытание ожидаемых эксплуатационных показателей (см. 5.2.2.2) проверяет, что система работает в ожидаемых дорожных условиях, таких как заправка топливом, вождение (слив топлива) и парковка; экстремальные температуры также учитываются, поскольку большинство ТС во многих случаях сталкиваются с такими температурами. Кроме того, системы хранения должны выдерживать периодическое превышение давления на заправочной станции. Ожидается, что частота заправки топливом под избыточным давлением будет чрезвычайно низкой, однако подтверждающих статистических данных по этому показателю нет.

Ожидается, что сочетание циклических и статических воздействий давления будет играть роль значительного стресс-фактора. Известно, что циклическое изменение давления инициирует рост трещин в некоторых системах, впоследствии ускоряющийся под действием статического напряжения. Просачивание водорода в условиях статического заполнения ускоряется наличием этих микротрещин. Возможно циклическое изменение давления после статического воздействия водорода, что приводит к напряжению, возникающему не только при циклическом изменении давления.

Использование водородного топлива имеет свои особенности. Колебания температур и проницаемость материала уникальны для водорода.

Можно предупредить неисправности, возникающие в результате взаимодействия циклического и статического воздействия. Например, утечка водорода через микротрещины в лейнере в результате цикличного воздействия экстремальных температур будет ускоряться при статических воздействиях высоких температур и давления. Насыщение водородом материала оболочки баллона на внешней стороне лейнера будет создавать внешнее давление на лейнер, когда содержимое сосуда откачивается при сливе топлива, что может привести к отслаиванию лейнера от оболочки и его повреждению. Разрушение лейнера из-за внешнего давления водорода наблюдалось в экстремальных условиях.

Экстремальные температуры окружающей среды будут значительными факторами стресса. Высокие температуры окружающей среды способствуют проникновению в материал водорода. Возможно в системах может возникнуть утечка только при циклическом изменении давления с газообразным водородом при более высоких температурах окружающей среды. В условиях сверхнизкой температуры окружающей среды дополнительный удар от перепадов давления и температуры при сливе и заправке топливом может серьезно повредить материалы внутренней поверхности и фитинги, которые являются критическими элементами герметичности системы.

Таким образом, чтобы продемонстрировать способность выдерживать ожидаемые эксплуатационные нагрузки, квалификационные испытания конструкции должны включать воздействие сочетания циклического и статического давления водородного топлива при номинальных и экстремальных температурах окружающей среды.

В.7.7 Циклическое изменение давления при номинальной и экстремальной температуре окружающей среды.

Одним из ключевых факторов стресса в системе хранения водорода являются периодические заправки топливом и промежуточные выпуски топлива во время эксплуатации ТС, поскольку система герметизации подвергается колебаниям внутреннего давления и температуры, что способствует проникновению водорода в материалы, структурно гибкие оболочки сосудов, усталостные материалы и подверженные повышенному износу места контакта элементов системы. Нагрузки при заправке, связанные с перепадами давления и температуры, максимальны при полной заправке (от пустого до заполненного объема). Экстремальные условия заправки зафиксированы стандартами протокола заправки для заправочной станции ГОСТ Р 70682 (см. также [1]).

Таким образом, предельным условием заправки будет максимально допустимая скорость заправки по ГОСТ Р 70682, при которой давление водорода в баллоне растет от минимального (пустой баллон) до максимального (заполненный баллон).

Максимальное давление наполнения составляет 125 % ( 1 МПа) от НРД, где  1 МПа - ожидаемая погрешность в точности управления давлением, введена для предотвращения недопустимо избыточного давления.

Минимальное давление составляет (2  1) МПа, если в системе хранения не установлены средства управления, предотвращающие слив топлива при падении давления ниже 1 МПа. Ожидаемая погрешность  1 МПа обеспечивает достаточную точность регулирования давления для предотвращения недопустимо быстрого сброса давления до слишком низкого давления.

Максимальное напряжение при заправке возникает при быстрой заправке, определяемой протоколом заправки ГОСТ Р 70862; самая быстрая заправка - 3 мин на полную заправку.

Наиболее напряженные выбросы топлива происходят при его самых высоких скоростях, которые происходят в условиях вождения с высоким потреблением мощности или при ручном выбросе во время технического обслуживания или ремонта. Ожидается, что бортовая система хранения выдержит воздействие срабатывания вторичных систем безопасности заправочных станций, состоящих из предохранительных клапанов, настроенных на инициирование сброса при 1,38  НРД и полное открытие при 1,50  НРД. Следовательно, все системы должны выдерживать заправку до 1,50  НРД в течение всего срока службы.

Экстремальные температуры играют важную роль в процессе аттестации.

Циклы изменения давления газообразного водорода в сочетании с экстремальными условиями окружающей среды между циклами обеспечивают воспроизведение условий заправки топливом после интервалов стоянки на открытом воздухе, когда стабилизируется температура. При сверхнизких температурах окружающей среды экстремальный расход топлива (вождение с высокой нагрузкой) приводит к дополнительному снижению температуры, способность выдерживать которое должны продемонстрировать системы. Таким образом, уравновешивание сверхнизких (минус 40 °C) температур проводится с полностью заполненными системами (плотность эквивалентна 1,00  НРД при 15 °C), чтобы обеспечить максимальный перепад давления и продолжительность высокоскоростного потока во время слива топлива.

Циклы давления газообразного водорода при минус 40 °C проводятся с колебаниями давления от 2 МПа до 0,80  НРД ( 1 МПа). При минус 40 °C 0,80  НРД соответствует плотности полного заполнения (1,00  НРД при 20 °C).

ТС может подвергаться значительному воздействию окружающей среды как при +50 °C, так и при минус 40 °C.

Экстремальные температуры плюс 50 °C и минус 40 °C применяются для испытаний заправки/слива топлива в соответствии с их частотой в окружающей среде.

В.7.8 Показатели парковки - испытание на проникновение и утечку под статическим давлением газа

Температура для испытания на утечку/проницаемость была выбрана не менее 55 °C как экстремальное условие, отражающее длительную стоянку в закрытом помещении, например гараже. Давление полного заполнения при 55 °C составляет 1,15  НРД.

Как определено в ГОСТ Р 70679, максимально допустимый расход из-за утечки и просачивания из системы хранения водорода установлен на уровне 150 см ³/мин для стандартных легковых ТС, чтобы предотвратить накопление водорода до 25 % его НПВ в небольшом помещении объемом 30,4 м ³ с воздухообменом 0,03 м ³/час. Для более крупных ТС предусмотрено большее допущение, поскольку эти ТС занимают большее пространство, пропорциональное размеру ТС.

Таким образом, максимально допустимый расход для систем составляет R  150 см ³/мин, где

,

где a, h и l - ширина, высота и длина помещения соответственно, м.

В качестве альтернативы, системы хранения объемом менее 330 л могут быть предварительно квалифицированы до 46 мл/л/ч по вместимости воды в сосуде вероятных общих объемов баллонов в ТС различного размера.

Также было добавлено требование к проверке на локальную утечку, чтобы она не могла поддерживать горение водорода и впоследствии ослаблять материал и вызывать потерю герметичности. Минимальный расход водорода, способный поддерживать пламя, составляет 0,028 мг/с из типичного компрессионного фитинга, а минимально возможная утечка из миниатюрной конфигурации горелки составляет 0,005 мг/с. Поскольку конфигурация миниатюрной горелки считается "наихудшим случаем", критерий максимальной утечки в Б.7 был выбран равным 0,005 мг/с.

В.7.9 Испытания пробным давлением

Минимальная остаточная прочность, подтверждаемая требованием пробного давления, имеет два обоснования. Во-первых, желателен запас выше 1,50  НРД на уровне управления неисправностями заправочных станций; 1,80  НРД превышает ожидаемую максимальную погрешность в 5 % в регулировке и отклике КСД. Во-вторых, вероятность разрушения материалов с наихудшими показателями сопротивления разрыву под напряжением под нагрузкой при 1,80  РД в течение 5 мин выше, чем его вероятность при выдержке 1,50  НРД в течение 10 ч. Этого времени достаточно для охлаждения, чтобы уменьшить избыточное давление, или других корректирующих действий для сброса избыточного давления. В более ранних стандартах требовалось, чтобы системы хранения демонстрировали аналогичную остаточную прочность на разрыв 1,8  НРД.

Продемонстрированная способность выдерживать воздействие 1,80  НРД в конце серии испытаний на ожидаемый срок службы обеспечивает остаточную прочность после комплекса воздействий ожидаемого срока службы. Анализ наихудшего случая усталости волокон (см. 5.2.2.3.6) показывает, что вероятность устойчивости системы при 1,80  НРД в течение 5 мин эквивалентна таковой при 10-часовом воздействии 1,50  НРД.

В.7.10 Испытания на разрыв

Требование снижения среднего давления разрыва новой системы хранения (не подвергавшейся статическому или циклическому испытанию под давлением) не более чем на 20 % заключается в обеспечении стабильности прочности конструкции на разрыв в течение срока службы.

В.7.11 Долговечность при длительной эксплуатации в экстремальных условиях

Серия испытаний на долговечность разработана для демонстрации прочности на разрыв в сочетании с экстремальными условиями эксплуатации, выходящими за рамки тех, с которыми сталкивается ТС в типичных условиях эксплуатации, чтобы обеспечить надежную гарантию стойкости к разрыву. Эта серия может выполняться гидравлически (то есть с отдельно взятым сосудом), поскольку она ориентирована на снижение прочности конструкции баллона.

Воздействие окружающей среды включает в себя внешние механические повреждения, связанные с износом навесного оборудования ТС, а также в результате химического воздействия активных компонентов, так или иначе встречающихся в процессе эксплуатации (к примеру, кислотный дождь, слякоть, аккумуляторная кислота).

В.7.12 Испытание на удар

Ожидается, что баллоны могут выдержать повреждения во время установки, риск которых предполагается на отдельных ремонтных предприятиях послепродажного обслуживания. Системы должны надежно работать после падения с полностью выдвинутого вилочного погрузчика перед установкой в ТС.

В.7.13 Испытание на поверхностное повреждение

Химическое воздействие имитирует экстремальное воздействие коррозионно-активных веществ (кислоты и основания) и химически активных материалов, присутствующих в дорожной среде. Перед химическим воздействием по изделию наносятся сфокусированные удары, имитирующие максимально возможное в дорожных условиях воздействие каменной крошки, способной проникнуть сквозь защитное поверхностное покрытие. Кроме того, баллоны подвержены поверхностным механическим повреждениям (например, возможному истиранию в местах прикрепления).

Перед испытанием на химическую стойкость стенка сосуда высокого давления должна быть подвергнута поверхностным повреждениям путем разрезания, истирания и прокола. Повреждение поверхности должно включать проколы поверхностного слоя большего размера, чем в пределах производственных допусков, и соответствующие силе удара дорожного гравия.

В.7.14 Испытания на химическую стойкость

Поврежденные в результате прокола участки стенки баллона высокого давления следует подвергнуть обработке теми химическими веществами, которые находятся в эксплуатационной окружающей среде, в том числе на борту ТС. После 48 часов воздействия веществ защитную оболочку следует осмотреть, чтобы убедиться, что на стенке баллона нет повреждений, кроме тех, которые были нанесены при первоначальном ударе (см. Б.10).

В.7.15 Заправка топливом при сверхвысоком давлении - циклическое превышение давления при температуре окружающей среды

Ожидается, что водородные заправочные станции должны будут иметь избыточные последовательные устройства сброса давления, которые активируются при 1,38  НРД и полностью открываются до 1,50  НРД. Заправочные станции необходимо заблокировать до тех пор, пока источник избыточного давления не будет устранен, что позволяет считать ожидаемые выходы станций из строя редкими. Тем не менее, шанс возникновения избыточного давления сохраняется, и в наихудшем случае предполагается десять таких случаев в течение срока службы ТС, что учитывается в процессе аттестации конструкции.

В.7.16 Предельная устойчивость при парковке - испытание статическим давлением при высокой температуре

Продемонстрированная способность выдерживать более 15 лет стоянки при номинальном полном заполнении, 1,00  НРД при 15 °C, необходима для учета ТС, которым часто приходится длительное время парковаться при заполненной системе хранения. Основное внимание в требованиях уделяется отсутствию разрыва из-за структурной усталости, хотя до настоящего времени не было сообщений о разрушении сосуда из-за разрушения под напряжением при эксплуатации на дорогах, однако имеются случаи разрушения сосуда из композитного стекловолокна из-за усталости в условиях эксплуатации, в присутствии сильных коррозионных веществ (работа при коррозионном воздействии рассматривается в 5.2.2.3.3 и 5.2.2.3.4). Также известны случаи структурной усталости после повреждений, вызванных износом, связанным с неправильной установкой, после повреждений в автокатастрофах, а также сосудов, используемых на военной службе, прошедших неизвестные квалификационные испытания и бывших в эксплуатации сверх ожидаемого срока службы.

В идеальном случае квалификационное испытание эксплуатационных характеристик требует выдерживания сосуда при 100 % НРД в течение более 15 лет без разрыва; однако 15-летний срок испытаний, очевидно, невозможен, поэтому разработано ускоренное испытание. Оно предназначено для обеспечения эквивалентности вероятности разрыва под напряжением при испытаниях либо при 100 % НРД в течение более 15 лет, либо при 125 % НРД в течение 1000 часов.

Анализ данных о разрывной нагрузке композитных волокон показывает, что в худшем случае (композитные нити, отвержденные стеклом/смолой) вероятность разрыва под напряжением через 25 лет при номинальном напряжении НРД меньше или равна вероятности разрыва под напряжением через 1000 часов при более высоком на 25 % напряжении. (Для углеродных композитных нитей эквивалентность 1000 часов при номинальном напряжении 125 % составляет более миллиарда лет при номинальном напряжении.) Поскольку вероятность разрыва при напряжении в пучке достаточно успешно совпадает с распределением Вейбулла, график зависимости логарифма уровня напряжения от логарифма времени до разрыва является линейным, с одинаковым наклоном независимо от начального уровня напряжения (т.е. независимо от расположения сегмента нити в схеме намотки). Следовательно, наклон линии, связывающей напряжение (давление) со временем, может прилагаться как ко всей системе, так и к отдельным сегментам нити. Если рассматривать наклон такой прямой для стеклокомпозитных нитей как наихудший допустимый случай по характеристике разрыва под напряжением, вероятность этого разрыва через 25 лет при 1,00  НРД эквивалентна 1000 часам при 1,25  НРД.

Примечание - Когда производительность лучше, чем в наихудшем случае, время до поломки при 1,00  НРД составляет много больше 25 лет.

Для подтверждения того, что испытание парковочных характеристик 5.2.2.3.6 является оценкой наихудшего случая, базовые требования к характеристикам [(см. 5.2.2.1.1, перечисление б)] обеспечивают проверку того, что сосуды проявляют меньшую чувствительность к разрушению при статическом напряжении, чем наихудший случай, описанный выше наклоном прямой зависимости, используемой в разработке 5.2.2.3.6 (данные о композитной нити стекло/смола).

В качестве дополнительной гарантии, усталость материалов также ограничивается требованиями к остаточной прочности в конце серии испытаний 5.2.2.3. В наихудшем случае, при котором стеклянный композит будет иметь небольшую остаточную прочность после 1000 часов воздействия 125 %-ного номинального напряжения (т.е. находиться на грани разрыва), новая система выйдет из строя с той же вероятностью при более чем на 30 % высоком напряжении, следовательно, для исключения систем, находящихся на грани отказа, сразу после прохождения серии циклических испытаний 5.2.2.3, разница между новой системой и системой, подвергшейся 125 %-ной номинальной нагрузке в течение 1000 часов, не должна приближаться к 30 %. Действительно, снижение конструкционной целостности примерно на 30 % по сравнению с ожидаемым сроком службы было сочтено неприемлемым в критически важных для безопасности ТС областях, даже если остаточная прочность соответствовала возможному воздействию давления, поэтому консервативное требование ограничить снижение прочности на разрыв до менее 20 % было принято в качестве требования к остаточной прочности (см. 5.2.2.3.9). Кроме того, сосуды должны соответствовать требованиям к характеристикам в конце срока службы, а именно способности выдерживать 150 %-ное избыточное давление в течение 10 ч; следовательно, эквивалентное требование к испытанию (см. 5.2.2.3.8) продолжительностью 4 мин при 180 % НРД налагается в качестве дополнительного требования к остаточной прочности.

Учитывая ожидаемый диапазон разрывного давления в производственных единицах (регулируемый в пределах  10 % от BP _DQ (см. 5.2.3.2), допуск на 20 % снижения измеренного давления разрыва по сравнению с BP _DQ (см. 5.2.2.1.2.а) соответствует 10 %-ному снижению для самого слабого сегмента продукции, который имеет начальное давление разрыва на 10 % ниже давления разрыва. При подтвержденной стойкости на усталость при воздействии 1,25  НРД даже самый слабый сегмент продукции будет иметь сопоставимую вероятность выдержать 25 лет статического воздействия при НРД.

Утверждение температуры испытаний 85 °C основано на трех факторах:

- процедура испытаний должна установить, что система способна выдерживать длительное воздействие температуры 85 °C при максимальном давлении; 85 °C - предельная температура заправки топливом 70 МПа;

- процедура испытаний должна установить, что система может выдерживать воздействие температуры 85 °C, максимально допустимую температуру окружающей среды. Температура под капотом плюс 82 °C была измерена в ТС темного цвета, припаркованном на асфальте под прямыми солнечными лучами при температуре окружающей среды 50 °C. Кроме того, баллон со сжатым газом, окрашенный в черный цвет, без дополнительной защиты, в кузове черного пикапа под прямыми солнечными лучами при температуре окружающей среды 49 °C имел максимальную/среднюю измеренную температуру поверхности 87 °C/70 °C;

- во многих системах наблюдается аррениусовская зависимость скорости химических процессов от температуры. Скорость окислительного износа смол по Аррениусу удваивается при повышении на 10 °C, а повышение с 15 °C до 85 °C соответствует 27-кратному увеличению скорости окисления; таким образом эквивалентное 15 годам воздействие обеспечивается за 1000 часов испытаний.

Надежность требования заключается в том, что испытания на разрыв под напряжением при оценке вероятности разрыва эквивалентно 25-летнему воздействию в условиях полного заполнения при постоянном воздействии ускоряющего воздействия экстремальной температуры 85 °C. Эти условия являются наиболее экстремальными для эксплуатации легковых автомобилей.

Для коммерческих ТС большой грузоподъемности (например, для автобусов) предусмотрено еще одно экстремальное условие, поскольку автобусы автопарка обычно возвращаются в центральное депо. Наиболее экстремальные условия при парковке могут возникнуть, когда ТС ежедневно в течение 20 лет подвергается полной заправке топливом до 1,25  НРД, после чего простаивает 2-3 часа для охлаждения. При отсутствии вождения после заправки топливом, если предположить, что максимальное время возврата к НРД составляет 2-3 часа, такое ТС будет испытывать нагрузку суммарное время, эквивалентное 1 году при более чем 1,00  НРД. Вероятность разрыва (вследствие усталостного разрушения материала при наихудших условиях, в частности, содержащего в основном нити из стекла/смол) через 1 год при 1,25  НРД меньше, чем вероятность разрыва при 135 % в течение 1000 часов. Таким образом, ускоренное испытание на разрыв, необходимое для аттестации конструкции, представляет собой демонстрацию отсутствия разрыва в течение 1000 часов при 1,35  НРД.

В.7.17 Рабочие характеристики в условиях прекращения эксплуатации

Требования к рабочим характеристикам в условиях прекращения эксплуатации представляют собой демонстрацию снижения риска за счет предотвращения разрыва в условиях повреждения защитной оболочки.

В.7.18 Испытание на локальное воздействие пламени и расширенное испытание на огнестойкость

ТУСД в системе должно контролируемо сбрасывать давление до того, как система выйдет из строя (взорвется) под воздействием огня. Указания к проектированию и установке приведены в 5.2.1.3, 5.2.4.3 и 5.2.4.4. Часть испытания, в котором изделие подвергают воздействию охватывающего пламени, в сочетании с требованиями к функции ТУСД, приводит к снижению частоты разрывов, вызванных пожаром, при эксплуатации на дорогах. Требования к противопожарным характеристикам должны быть оценены дополнительно.

Требование установлено в целях снижения риска, возникающего в результате аварии с участием нескольких ТС, когда бензин из других ТС в результате повреждения бензобака попадает в область под ТС, работающим на водороде, и воспламеняется, образуя широкий источник тепла.

Система должна выдерживать воздействие локализованного возгорания, не охватывающего ТУСД, в течение времени, соответствующего развитию огня от локального до полностью охватывающего.

В.7.19 Испытания на удар при высокой скорости деформации

Это испытание предназначено для демонстрации изделием способности выдерживать прямое пулевое попадание, что сопровождается высокой скоростью деформации порядка 10 ²-10 ⁴ с ^-1. Проходной критерий отсутствия разрыва означает, что баллон остается неповрежденным, при этом пробоина и/или мелкие осколки в зоне попадания пули не считаются неисправностью баллона.

Вариант испытания N 1 представляет собой традиционную стрельбу с использованием стандартной бронебойной пули калибром 7,62 мм. Диаметр пули 7,62 мм является репрезентативным вследствие своей распространенности и стандартизирует размер отверстия и энергию удара для испытаний. Номинальная скорость и максимальное расстояние стрельбы обеспечивают согласованность выполнения испытания.

Вариант испытания N 2 представляет собой альтернативный метод проведения испытания на удар при высокой скорости деформации без применения огнестрельного оружия. Выбор материала снаряда (сталь) основан на материале сердечника бронебойного снаряда, указанного в варианте N 1. Выбор диапазона диаметров снаряда основан на диаметрах стального сердечника (нижняя граница) и самой пули (верхняя граница). В зависимости от конструкции баллона это может быть пуля, часть пули или ее сердцевина, которая непосредственно проникает в баллон.

Этот диапазон диаметров охватывает множество возможностей и обеспечивает гибкость конструкции снаряда. Диапазон масс представлен нижней границей (представляет собой массу стального сердечника) и верхней границей (представляет собой массу самой пули).

Угол наклона носовой части определяет геометрию снаряда, эквивалентную геометрии сердечника пули. Указанная номинальная скорость соответствует требованиям к скорости метода испытаний варианта N 1. Минимальное энергопотребление обеспечивает возможность выбора альтернативного диаметра снаряда и метода приведения снаряда в движение, основанного на соотношении массы, скорости и энергии. Твердость снаряда следует обеспечивать использованием соответствующей стали.

В.7.20 Частичное освобождение систем от испытаний

Испытание (пневматическое) ожидаемых эксплуатационных характеристик (см. 5.2.2.2) подтверждает, что внутренняя часть защитной оболочки способна выдерживать ожидаемые эксплуатационные характеристики ТС без утечек, а также что эксплуатационные испытания долговечности (гидравлические) (см. 5.2.2.3) прежде всего подтверждают способность системы функционировать в условиях чрезвычайной ситуации без сбоев. Неметаллические лейнеры действуют как барьеры от утечки и проникновения, однако все металлические элементы системы хранения требуют проверки на утечку, разрыв и огнестойкость, поскольку они часто бывают несущими и теплопроводными. Изменения по части ТУСД и/или в компонентах ТС, не включенных в систему хранения сжатого водорода, но которые влияют на пожарную безопасность, должны быть переквалифицированы для пожарной безопасности, но не связаны с устойчивостью компонентов системы к разрыву и утечке, и не требуют аттестации в соответствии с 5.2.2.2 или 5.2.2.3, поскольку ТУСД должно быть отдельно квалифицировано как компонент, устойчивый к разрыву и утечке.

В.8 Испытания в рамках контроля качества продукции

В.8.1 Серийное производство

Эти требования к контролю качества производства соответствуют традиционным требованиям, используемым для хранения сжатого газа на ТС.

В.8.2 Производственная партия

Эти требования к контролю качества производства соответствуют традиционным требованиям, используемым для хранения сжатого природного газа, за тремя исключениями:

- размеры партий;

- требование контроля давления разрыва на уровне более 1,80  НРД и более 90 % BP _DQ, номинального расчетного давления разрыва, проверенного во время аттестации конструкции, подтверждает, что производство соответствует этой квалификации. Значение запаса в  10 % появилось в результате оценки наихудших случаев усталости композитного материала в системах с уменьшенной на 10 % начальной прочностью на разрыв по сравнению с требуемыми характеристиками;

- требование об ограничении изменчивости срока службы при циклическом изменении давления, а также о регистрации мер по контролю этих изменений в системах, испытанных при аттестации проекта, в случаях, когда срок службы при циклическом изменении давления меньше двукратного количества циклов, требуемых для 5.2.2.1.3. Это требование гарантирует, что системы, спроектированные с максимальным уровнем производительности, будут производиться с соответствующим низким уровнем рентабельности производства. Например, для систем с НССЦД равным 1,33 циклов, требуемых для 5.2.2.1.3, изменчивость срока службы под давлением должна быть более 25 %.

В.8.3 Ограничения в обслуживании

Требования раздела А.2 касаются химического взаимодействия газообразного водорода с системой хранения и топливной системой. Системы, прошедшие испытание на гидравлическую устойчивость (такие как 5.2.2.3, где баллон испытывает воздействие физических нагрузок), не подвергаются воздействию химических явлений, в т.ч. водородной усталости. В приложении А.2 рассматривается долговечность элементов систем хранения и топливных систем, находящихся в контакте с газообразным водородом, т.е. в приложении рассматривается возможность ухудшения механических свойств металлических компонентов при воздействии газообразного водорода.

Приложение А.2 содержит ссылку на методы (см. А.3 и А.4) для аттестации компонентов затворов и баллонов или составляющих их металлических сплавов для использования в системах хранения. Основное внимание при проверке совместимости уделяется способности материалов сохранять свои прочностные свойства в атмосфере газообразного водорода, не создавая риска утечки или разрыва.

Последовательность требований для аттестации баллонов высокого давления в части совместимости материалов с водородом показана на рисунке В.1.

Рисунок В.1 - Процесс квалификации на совместимость с водородом

Металлические сплавы могут быть квалифицированы для использования с водородом посредством процедур испытаний материалов, приведенных в приложении А.3. Эти процедуры основаны на методах испытаний для оценки совместимости с водородом в условиях экстремальной температуры и давления, характерных для систем хранения газообразного водорода, предназначенных для эксплуатации на дорогах. Рекомендации по материалам представлены в таблице А.2, а процедуры испытаний в А.3.

Традиционные требования к совместимости топливопроводов с водородом применяются к трубопроводам ТС и другим устройствам низкого давления, подверженным воздействию давления и температуры с продолжительностью, соответствующей условиям применения, для которых эти стандарты были разработаны. Компоненты топливной системы и трубопроводы, как правило, разрабатываются с расчетом на долговечность в условиях ТС, поэтому низкое внутреннее давление водорода соответствует низким нагрузкам.

Долговечность баллона, работающего под давлением водорода, не полностью подтверждается пневматическими испытаниями по 5.2.2.2, не включающими 2  N _D с газообразным водородом, потому что требовать регулярного квалификационного испытания продукта такой продолжительности, которая мешает внедрению нового продукта по ежегодному графику, нецелесообразно. Проверка того, что водород не снижает долговечность защитной оболочки, может быть достигнута путем оценки материалов конструкции (см. А.3) или полномасштабными пневматическими испытаниями до 2  НД (см. А.4).

В таблице А.2 приведены рекомендации по выбору материалов для работы с водородом. В таблице А.2 указаны металлические сплавы, для которых уже имеются значительные экспериментальные данные из опубликованной научной литературы и из исторического опыта использования материалов в сравнимых применениях с газообразным водородом. Металлические сплавы и условия, при которых их использование обычно считается приемлемым, перечислены в таблице А.2 на основе успешного применения этих материалов в дорожных и стационарных условиях. Это руководство может быть пересмотрено по мере необходимости, чтобы отразить результаты испытаний, проводимых в соответствии с приложением А.3.

В соответствии с настоящим стандартом, основным фактором, учитываемым при проектировании топливных систем ТС, в первую очередь, должны быть усталостные характеристики. В отсутствие данных об усталости материалов в газообразном водороде для установленного диапазона рабочих температур от минус 40 °C до 85 °C исторически использовалось значение пластичности при растяжении для оценки совместимости материалов. Содержание никеля является критически важным фактором в повышении пластичности при растяжении аустенитных стальных сплавов в водородных средах. На рисунке В.2 показано относительное уменьшение площади после испытания на растяжение в зависимости от содержания никеля. Поскольку в сплавах с содержанием никеля менее 13 % наблюдается снижение пластичности при растяжении в газообразном водороде при минус 50 °C, минимальное содержание никеля 13 % представляет собой классическую рекомендацию для материалов, не подверженных деградации при работе с водородом. Современные данные показывают отсутствие значительного ухудшения предела выносливости в газообразном водороде для аустенитных нержавеющих сталей с содержанием никеля менее 13 %. Таким образом, конструкции с бесконечным сроком службы (с расчетным напряжением меньше предела выносливости) не будут показывать ухудшения усталостных характеристик этих сплавов при работе с водородом.

Рисунок В.2 - Влияние содержания никеля на пластичность (относительное уменьшение площади (ОУП) при растяжении)

В.8.3.1 Ограничение по азоту для аустенитных нержавеющих сталей.

Совместимость с водородом ухудшается при более высокой концентрации азота. Рекомендуемый предел концентрации азота составляет менее 0,25 % (по весу) (см. [7]).

В.8.3.2 Ограничение по дельта-ферриту для аустенитных нержавеющих сталей

Ферритные фазы ухудшают совместимость с водородом аустенитных нержавеющих сталей. Предусмотрено ограничение содержания дельта-феррита до менее 3 % (по объему) для обеспечения приемлемой совместимости с водородом (см. [8]).

В.8.3.3 Алюминиевые сплавы, подверженные воздействию сухого газообразного водорода

Нет никаких доказательств того, что сухой молекулярный газообразный водород влияет на алюминиевые сплавы (см. [9]).

В.8.3.4 Алюминиевые сплавы, подверженные воздействию влажного воздуха.

Многие высокопрочные алюминиевые сплавы подвержены коррозионному растрескиванию под напряжением в условиях влажного воздуха, (см. [10]).

В.8.3.5 Ограничения по напряжению

Базовая стойкость к росту трещин под усталостным напряжением в металлических горловинах, металлических лейнеров и металлических цилиндров без оболочки во время эксплуатации подтверждается первым требованием минимального разрыва 2,00  НРД (см. 5.2.2.1.2) и вторым требованием отсутствия разрыва или утечки после 2  N _D (125 % НРД) (см. рисунок 4). Дополнительным классическим требованием для металлических лейнеров в баллонах с композитной оболочкой является выдерживание 1,50  НРД, что примерно соответствует нагрузке (при НРД) менее предела выносливости материалов. Кроме того, предел выносливости аустенитных нержавеющих сталей не изменяется при испытаниях в водороде под высоким давлением (в основном сплавы с содержанием никеля менее 13,0 %).

В.8.3.6 Испытания материалов на совместимость с водородом высокого давления

Системы хранения сжатого водорода должны быть совместимы с газообразным водородом во всех применяемых диапазонах давления и температуры. Испытание на медленную скорость деформации (ИР) и испытание на усталостную долговечность (А.3.2 и А.3.3 соответственно) предназначены для подтверждения того, что конструкционные материалы обладают достаточной совместимостью с предполагаемыми условиями эксплуатации. ИР оценивает, сохраняют ли конструкционные металлы свои прочностные свойства в газообразном водороде при низкой температуре. Испытание на усталостную долговечность определяет, что металлы обладают достаточными характеристиками усталостной долговечности в газообразном водороде при соответствующих приложенных напряжениях (1,25 НРД) и наихудшей температуре. Показатели, полученные при оценке испытаний, должны гарантировать актуальность квалификационных испытаний на долговечность с использованием циклов гидравлического давления для работы с газообразным водородом. Эти испытания не предназначены для обеспечения проектных данных.

В общем случае выбор материалов должен определяться спецификацией материалов, в которой указаны диапазоны состава и указаны минимальные свойства при растяжении. Допустимые расчетные напряжения определяются из заданных минимальных прочностных свойств материала. Подтверждение того, что материал соответствует своему назначению, может быть основано на сертификации предприятия или на основе испытаний, проведенных производителем или другой уполномоченной организацией. Проверочные испытания проводятся в лабораторном воздухе.

В.8.3.7 Условия воздействия водорода

Квалификационные испытания проводятся в среде газообразного водорода. Результаты испытаний на разрыв при растяжении показывают, что испытания в газообразном водороде являются более жесткими, чем альтернативные испытания, например испытания образцов, предварительно обработанных водородом.

Порядок деструкции образцов для ИР, испытанных в газообразном водороде, включает образование поверхностной трещины с последующим ее распространением по диаметру образца с присутствующим на поверхности газообразным водородом. Разрастание поверхностной трещины ускоряется присутствием водорода, ухудшающего пластичность при растяжении, однако трещины за счет пластичности демонстрируют рост и сами по себе. Ускорение роста поверхностной трещины происходит при относительном растяжении на более, чем 10 % для нержавеющей стали, испытанной в газообразном водороде при давлении 95 МПа и при комнатной температуре. Испытания образцов, предварительно обработанных водородом, менее строги из-за возможного выделения водорода с поверхности при изначальном его отсутствии в окружающей атмосфере.

Минимальное испытательное давление должно составлять 1,25  НРД, чтобы обеспечить учет эффектов давления. Можно проводить испытания при более высоком давлении (более 1,25 НРД) - например, данные испытаний при 100 МПа можно использовать для квалификации материалов в системе с НРД при 70 МПа, поскольку испытательное давление должно быть 87,5 МПа.

Небольшие количества газовых примесей (например кислорода) могут оказывать существенное влияние на измеряемые характеристики. Различные соединения, в частности, кислород, адсорбируются на поверхности испытуемого образца и препятствуют проникновению в него водорода во время испытания, влияя на рост усталостных трещин и прочие характеристики.

Диапазон температур испытаний для ТС обычно составляет от минус 40 °C до плюс 85 °C. Экспериментальные данные показывают ухудшение пластичности при растяжении при низких температурах в некоторых стальных сплавах. Увеличенная потеря пластичности аустенитных сплавов нержавеющей стали в водороде при низкой температуре (менее минус 45 °C) показана на рисунках В.2 и В.3. Для аустенитных нержавеющих сталей и сплавов на основе никеля рекомендуется температура ИР минус 45 °C, чтобы зарегистрировать эти эффекты. Для цветных металлов комнатной температуры достаточно, чтобы зафиксировать потерю пластичности в водороде, в то время как для сталей рекомендуется проводить испытания как при комнатной температуре, так и при низкой, пока не будет установлена температура, ограничивающая рабочие характеристики. Усталостная долговечность аустенитных сталей обычно улучшается с понижением температуры в связи с повышением прочности (см. рис. В.5). С учетом вышесказанного, рекомендуется проводить испытания сталей на усталостную долговечность как при комнатной температуре, так и при низкой.

Рисунок В.3 - Результаты испытания различных сталей при медленной скорости деформации (ИР)

Рисунок В.4 - Данные по усталостной долговечности нержавеющей стали типа 304L, испытанной в средах жидкого гелия (4 К), жидкого водорода (20 К), жидкого азота (77 К) и температуры окружающей среды (293 К и 773 К)

Целью испытания на медленную скорость деформации (ИР) является проверка стойкости материала к полному разрыву в атмосфере водорода, анализ разрушений, отличных от усталостных (см. А.3.3), и проверка заданных минимальных прочностных свойств в наихудших случаях воздействия водородной среды.

Для обеспечения проникновения водорода внутрь образца рекомендуется, чтобы диаметр испытуемого образца был ограничен 8 мм.

Предполагается скорость деформации наихудшего случая менее 10 ^-4 с ^-1.

В соответствии с назначением ИР критерии приемки обеспечивают соответствие прочностных свойств требованиям спецификации материалов; как правило, допустимые расчетные напряжения выводятся из минимальных прочностных характеристик, определенных спецификацией материалов (усталость и другие факторы могут уточнять допустимые расчетные напряжения). Кроме того, требование способности к деформационному упрочнению 1,07 (> 0,935) устанавливает минимальную остаточную пластичность для высокопрочных материалов. Точно так же эмпирически определенное минимальное удлинение 12 % основано на допустимости использования материалов в компонентах, подверженных высокому давлению.

Целью испытания на усталостную долговечность является проверка того, что материалы демонстрируют достаточную усталостную долговечность при высоких напряжениях. Типичная зависимость между амплитудой приложенного напряжения и количеством циклов до разрушения называется кривой многоцикловой усталости. Амплитуда напряжения в точке перегиба кривой называется пределом выносливости. Метод испытания определяет простые показатели усталостной долговечности, характерные для аустенитных нержавеющих сталей, обычно используемых в среде газообразного водорода, например типа 316L. Усталостная долговечность (количество циклов до разрушения) оценивается при максимальном приложенном напряжении, равном 1/3 от предела прочности материала. Для обычных аустенитных нержавеющих сталей напряжение при 1/3 предела прочности при растяжении может быть больше, чем предел текучести, но, как правило, будет меньше предела выносливости материала (где предел выносливости представляет собой напряжение, при котором количество циклов до разрушения составляет более 10000000 циклов при полностью реверсивном нагружении). Для обычных аустенитных нержавеющих сталей количество циклов в точке перегиба составляет около 200000 циклов как в газообразном водороде, так и в воздухе.

Допускаются два варианта испытаний на усталость:

- цельные образцы, подвергнутые циклическому изменению нагрузки при коэффициенте нагрузки -1 (отношение минимальной приложенной нагрузки к максимальной, обозначаемое как R);

- образцы с надрезом, подвергнутые циклическому изменению нагрузки при R = 0,1.

В обоих случаях испытание на усталость проводят при максимальном приложенном напряжении, равном 1/3 от предела прочности материала на растяжение S _UTS. Для цельного образца амплитуда напряжения эквивалентна 1/3 S _UTS, а диапазон напряжений (разница между максимальным и минимальным напряжениями) удваивает это значение, определяя жесткие границы номинальных напряжений в компоненте. Для образца с надрезом максимальное номинальное напряжение также составляет 1/3 S _UTS, а приложенная нагрузка представляет собой растягивающее напряжение, соответствующее номинальным напряжениям в системах, работающих под давлением. Помимо прочего, надрез образца осуществляют для оценки чувствительности материала к концентрациям напряжений в присутствии водорода. На рисунке В.6 показаны циклы напряжения для цельных образцов и для конфигурации с надрезом.

Рисунок В.5 - Схема циклов напряжения для испытаний на усталостную долговечность

В.8.3.8 Приемочные критерии

Критерии приемлемости для усталостной долговечности выполняются в том случае, если усталостная долговечность материала при относительно высоком напряжении близка к бесконечной в контексте применения в ТС. Для обоих вариантов нагрузки три образца должны выдержать 200000 циклов до разрушения при предписанном максимальном приложенном напряжении 1/3 S _UTS. Отсутствие разрушения всех трех образцов позволяет принять вероятность разрушения равной нулю и заключить, что 200000 циклов соответствуют количеству циклов в точке перегиба для цельного образца из обычных отожженных аустенитных нержавеющих сталей. Испытания могут быть прекращены после 200001 цикла, если образец не вышел из строя. Испытание цельного образца на усталостную долговечность должно выявить отсутствие снижения предела усталости в атмосфере газообразного водорода под высоким давлением. Для облегчения испытаний образцов с надрезом и сокращения их времени допустимо уменьшение количества требуемых циклов до 100000, однако в этом случае для подтверждения эксплуатационных характеристик материалов потребуются дополнительные образцы: всего должно быть испытано 5 образцов, все они должны выдержать не менее 100000 циклов до разрушения. Материалы образцов с надрезом, прошедшие от 100000 до 200000 циклов нагрузки до разрушения, считаются приемлемыми при условии, что все испытанные образцы (минимум 5) успешно прошли более 100000 циклов. Следует учесть, что кривые усталостной долговечности различных нержавеющих сталей имеют большее число циклов до разрушения в газообразном водороде, чем отожженные аустенитные нержавеющие стали типа 316L, при той же приложенной нагрузке.

При приведенных к S _UTS нагрузках аустенитные нержавеющие стали демонстрируют аналогичные характеристики (около 100000 циклов до разрушения) при напряжении более 1/3 S _UTS.

Сварные швы должны быть аттестованы с использованием процедур, приведенных в приложении А.3, поскольку сварные швы потенциально подвержены водородному охрупчиванию. Существуют данные о пагубном влиянии феррита в концентрациях от 2 до 7 объемных процентов при высоких концентрациях водорода.

В.8.3.9 Испытание металлов на совместимость с водородом для конкретных конструкций

Протокол испытаний (см. приложение Ж) обеспечивает оценку повышенной склонности к неисправностям в присутствии газообразного водорода в наихудших условиях эксплуатации на дороге для конкретной конструкции сосуда. Испытание производительности фокусируется на циклическом изменении давления с водородом в качестве рабочей среды.

В.8.3.10 Температурные ограничения

Протокол заправки топливом для систем на 70 МПа рекомендует использовать топливо с температурой минус 40 °C во многих условиях окружающей среды для полной заправки в течение 3 мин после заправки. Воздействие температуры менее минус 40 °C происходит в крайних широтах в зимние месяцы. Влияние водородного охрупчивания на материалы обычно уменьшается при более высоких температурах и увеличивается при низких температурах, потому что растет вероятность того, что водород будет адсорбироваться и связываться с материалом в местах дефектов при более низких температурах. Низкая температура не подавляет кинетику поглощения водорода в достаточной степени, чтобы предотвратить охрупчивание, а вместо этого приводит к большей чувствительности к охрупчиванию.

Условия воздействия низких температур возможно в случаях использования автомобильных транспортных средств в зимнее время (особенно ночью) в высоких широтах и при движении на высокой скорости в течение часа после заправки, когда давление остается повышенным, а температура внутри баллона достигает менее минус 40 °C.

Проводить испытания требуется при температуре 20 °C, чтобы обеспечить полноту условий испытаний для систем, которые могут иметь значительную восприимчивость к негативным воздействиям водорода в обычных условиях воздействия окружающей среды.

В.8.3.11 Ограничения по чистоте водорода

Установлены требования к неизменной чистоте испытательного газообразного водорода на протяжении всего испытания, поскольку известно, что некоторые примеси в газообразном водороде препятствуют водородному охрупчиванию. Примерами таких примесей могут служить кислород, вода, окись углерода и двуокись серы. Влияние водорода на распространение трещин ярко выражено при концентрациях примесей менее 1 ppm (объемных) по кислороду и менее 10 ppm (объемных) по воде.

Другие примеси, влияющие на водородное охрупчивание (например, окись углерода и двуокись серы), редко содержатся в водороде высокой чистоты, но могут появляться в результате выделения их из материалов баллона во время испытаний, поэтому чистота выходящего газа должна быть подтверждена в конце испытаний. Требования к качеству топлива приведены в [6], но с более низким содержанием кислорода, чем верхний предел (см. [6]), по следующим причинам:

- водородное топливо, получаемое при транспортировке жидкого водорода на заправочные станции, может иметь более низкое содержание кислорода, чем верхний предел (см. [6]);

- более низкое содержание кислорода усугубляет водородное охрупчивание, поскольку адсорбция кислорода на металлических поверхностях может уменьшить поглощение водорода и, следовательно, чувствительность материала к охрупчиванию;

- испытание на охрупчивание традиционно проводят при содержании кислорода  1 ppm из остаточного воздуха после продувки газообразным водородом с концентрацией 99,9999 %, поэтому условия испытания выполнимы.

В.8.3.12 Уменьшение внутреннего объема

Возможность уменьшить внутренний объем баллона за счет использования наполнителя включена в процедуру испытаний, чтобы сократить время испытаний и снизить риск для испытательного оборудования. Для баллонов на 70 МПа с вместимостью более 1 кг по водороду время пневматического цикла (при отсутствии наполнителя) может составлять около 3 ч в условиях реальных температурных профилей, таким образом отказ системы при 11000 циклов потребует более 3000 ч (18 недель) испытаний.

Для воспроизведения условий эксплуатации баллонов минимальное время роста давления в одном цикле должно составлять 5 мин, а минимальное время выдержки при максимальном давлении - 2 мин. Скорость распространения усталостных трещин из-за водородного охрупчивания зависит от частоты циклов и от продолжительности выдержки максимального давления. Известно, что понижение частоты циклов способствует повышению скорости роста усталостных трещин при водородном воздействии, поэтому скорость повышения давления во время эксплуатационных испытаний должна быть ограничена. В принципе, скорость нарастания давления во время эксплуатационных испытаний должна быть такой же, как скорость нарастания давления во время заправки топливом, однако, в действительности, при скорости роста давления во время эксплуатационных испытаний, находящейся в пределах значений коэффициентов скорости повышения давления во время заправки топливом 2-3, ускоренный водородом рост усталостной трещины существенно не различается в сосудах для эксплуатационных испытаний и сосудах ТС. Ожидается, что максимальная скорость заправки сосудов на 70 МПа (от пустого до полного заполнения) составит 3 мин (см. ГОСТ Р 70682); возможны более медленные варианты заправки до 15 мин.

Максимальное приложенное давление обеспечивает воспроизведение наихудшего воздействия. Максимальное давление в ходе эксплуатационных испытаний соответствует максимальному давлению заправки и составляет 1,25  НРД, обеспечивая создание соответствующих напряжений на стенках сосуда во время эксплуатационных испытаний. Продолжительность выдержки в 2 мин при максимальном давлении была выбрана на основе предыдущих протоколов испытаний, разработанных для цикличных испытаний с водородом в стальных баллонах для оценки роста усталостной трещины, ускоренной водородом.

В.8.3.13 Применимость результатов испытаний для аттестации других сосудов на совместимость с водородом. Предполагается, что производители сосудов могут выпускать такие варианты сосудов, совместимых с водородом, которые не потребуют официальных квалификационных испытаний из-за достаточного сходства с сосудами, уже испытанными в соответствии с приложением Ж. Сходство сосуда заключается в эквивалентном напряжении в стенке цилиндрической защитной оболочки сосуда (_H = давление  радиус/толщина) и аналогичном способе обработки его поверхности. Таким образом, диаметр сосуда, который подвергается этому испытанию, должен быть в пределах плюс 20 % от диаметра предполагаемого применения с толщиной стенок, аналогичным образом пропорциональной диаметру. Кроме того, баллон, который подвергается этому испытанию, должен иметь сравнимую конструкцию и отделку поверхности, а также иметь начальное давление разрыва в пределах плюс 20 % от предполагаемого применения.

При испытании на гидравлический разрыв одна из целей заключалась в том, чтобы скорость наддува соответствовала реальной эксплуатации. Минимальная и максимальная скорости, указанные в процедуре испытания, рассчитаны на время заполнения от 2 до 3,3 мин.

Максимальная скорость наполнения также гарантирует, что испытание на разрыв не даст искусственно завышенных результатов разрывного давления. Выбранный максимум 100 %-НРД/МНН эквивалентен 1,17 МПа/с для баллонов на 70 МПа и немного меньше предельного значения 1,4 МПа/с.

Установление минимальной скорости повышения давления для последних 50 % перед разрывом было сделано, чтобы свести к минимуму разрыв под напряжением во время испытания, особенно для стеклянных волокон. Добавление этого предела гарантирует воспроизводимость результатов.

Проверка работоспособности в условиях прекращения эксплуатации предназначена для предотвращения разрыва в условиях, настолько тяжелых, что удержание водорода невозможно. Пожар является единственным условием прекращения службы, учитываемым при проектной аттестации.

Исследование случаев выхода из строя баллонов для СПГ в процессе эксплуатации за последнее десятилетие показало, что большинство пожаров произошло в системах хранения, в которых не использовались должным образом спроектированные УСД, а остальные произошли в результате того, что УСД не сработали для защиты баллона из-за отсутствия надлежащего теплового воздействия на УСД, несмотря на то, что локальный огонь смог разрушить стенку баллона и в конечном итоге привести к взрыву баллона. Метод испытания на огнестойкость в Б.12 касается как локальных пожаров, так и пожаров, охватывающих всю систему (см. [11])

Условия огневых испытаний:

- температуру 300 °C следует выбирать в качестве температуры, при которой может начаться локальное возгорание, поскольку термогравиметрический анализ показывает, что материалы баллонов начинают быстро разрушаться при этой температуре;

- состояние локализованного пожара прекращается, когда температура на обоих концах баллона достигает 300 °C из-за срабатывания УСД, расположенного на горловине. С учетом этого критерия около 40 % расследованных пожаров в лабораториях ТС привели к условиям, которые можно было бы классифицировать как локальные пожары;

- в то время как пожары в ТС в лабораториях часто продолжались от 30 до 60 минут, период распространения локального пожара на складе баллонов длился менее 530 секунд;

- средняя максимальная температура в период испытания огнем составила менее 570 °C с пиковыми температурами, достигая примерно от 600 °C до 880 °C в некоторых случаях;

- повышение пиковой температуры ближе к концу периода локализованного пожара часто сигнализировало о переходе к условию всепоглощающего огня.

Выбор 600 °C в качестве минимальной температуры для периода выдержки локализованного пожара обеспечивает соответствие средней температуры и времени воздействия локального огневого испытания данным испытаний. Термопары, расположенные на расстоянии (25  10) мм от внешней поверхности испытуемого изделия, используются для контроля подвода тепла и подтверждения соблюдения требуемого температурного профиля. Для улучшения реакции и управляемости пожара во время испытаний, а также воспроизводимости результатов предусмотрено использование сжиженного нефтяного газа и ветрозащитных экранов. Опыт показывает, что управляемость горением сжиженного нефтяного газа будет составлять примерно  100 °C на открытом воздухе, что приводит к пиковым температурам, которые также хорошо согласуются с результатами испытаний.

Предлагаемая локальная установка для испытаний на огнестойкость основана на предварительной работе, но этот подход был расширен, чтобы позволить системе хранения пройти аттестацию либо общее испытание установки или испытание установки конкретного ТС. Различия между этими двумя методами заключаются в следующем:

- общий (не относящийся к конкретному ТС) тест позволяет применять локальное испытание огнем более чем к одному ТС, но смягчающие устройства (такие как экраны) должны быть постоянно прикреплены к системе хранения и должны защищать всю систему, а не только открытую область, к локализованному пожару. Размер для типового локального испытания огнем был выбран равным (250  50) мм в продольном направлении с шириной, покрывающей диаметр баллона;

- локализованное испытание на возгорание при установке конкретного ТС будет адаптировано к фактической зоне возгорания и будет включать в себя защитные функции ТС. Если изготовитель ТС решает использовать метод испытания конкретного ТС, направление и размер локального воздействия огня корректируются с учетом особенностей ТС, таких как отверстия в соседнем листовом металле для облегчения отверстий и проходы для проводов и трубопроводов или сформированные отверстия, расплавлением материалов на пути огня. Если такие отверстия или дыры малы, размер локализованного пожара уменьшается по сравнению с общим размером, чтобы создать более сложное (и реалистичное) испытание.

В.8.3.14 Испытания материалов на соответствие требованиям производства сосудов высокого давления

Требования Д.1-Д.4 обеспечивают квалификационные измерения для использования при проверке соответствия производства. Требования гарантируют, что производитель оценил соответствующие свойства пластика и смолы для долгосрочного воздействия более низких напряжений, связанных с износом материала. Долговечность наружных покрытий может оказаться избыточной при квалификационных испытаниях конструкции на химическую стойкость по 5.2.2.3.2 и 5.2.2.3.3.

Приложение Ж определяет отношения напряжений (как минимальные разрывные давления) для различных материалов, используемых при изготовлении баллонов для систем хранения сжатого водорода. Чтобы исключить предписанные проектные требования, в приложении Ж.2 представлена методология, основанная на характеристиках, для установления минимально допустимого давления разрыва BP _min с использованием протокола испытаний, определенного в Ж.2.3.1 или Ж.2.3.2. Хотя теоретически методология, приведенная в Ж.2, может использоваться в целом для всех типов сосудов под давлением, она ориентирована на проверку BP _min для композитных баллонов под давлением с внешней оболочкой.

Процесс расчета для определения требований к разрывной нагрузке в приложении Ж.2 начинается с оценки минимальной прочности, которой должны соответствовать сосуды высокого давления с защитной оболочкой из стекловолокна и композита из углеродного волокна, чтобы обеспечить 25 лет эксплуатации ТС.

Оценка сопротивления на разрыв наряду с другими параметрами долговечности является простой для серийных баллонов или промышленных прототипов, однако ситуация более сложная при определении минимального давления разрыва BP _min, поскольку баллоны, представляющие BP _min, не ожидаются во время обычных производственных испытаний. По этой причине ожидается, что потребуются некоторые корректировки во время изготовления или изменения после производства, чтобы обеспечить возможность испытаний при уровнях нагрузки, которые соответствуют более высоким уровням нагрузки, испытываемым более слабыми сосудами (с давлением разрыва BP _min). В Ж.2 предусмотрена коррекция давления для "точной настройки" уровней напряжения для испытаний в Ж.2.3.1 или Ж.2.3.2 при желаемом BP _min, но эта регулировка может быть ограничена в случае испытаний баллонов типа 3, например, когда на распределение напряжений во внутренней части баллона и композитной конструкции влияет напряжение, приближающееся к пределу текучести оболочки (или превышающее его).

На конструкцию из углеродного волокна, рассчитанную на разрыв под напряжением, в первую очередь влияет испытание под давлением 1,8  НРД в конце эксплуатационного испытания долговечности (гидравлического) в 5.2.2.3. Поэтому испытание на долговечность (гидравлическое) в соответствии с 5.2.2.3 подходит для COPV типа 4, которые изготовлены исключительно из углеродных волокон.

Любые изменения в 5.2.2.3 для оценки прочности на разрыв должны исходить из возможности того, что композитная конструкция является такой же прочной, как из углеродного волокна, или такой же слабой, как из стекловолокна, и учитывать все промежуточные возможности. Для этого необходимо учитывать условия разрыва под напряжением как для углеродного, так и для баллона из стекловолокна как часть "эксплуатационных испытаний" в рамках протокола испытаний.

Конструктивным фактором устойчивости к разрыву баллона из углеродного волокна является максимальное давление, ожидаемое во время эксплуатации, т.е. 1,5  НРД, которое может возникнуть при устранении экстремальных неисправностей ТРК. 10 часов при 1,5  НРД и температуре 85 °C достаточно, чтобы воспроизвести разрыв под напряжением, ожидаемый в течение всего срока службы.

Баллонам из стекловолокна требуется 105 часов при давлении 1,5  НРД и температуре 85 °C для демонстрации стойкости к разрыву под напряжением с волокнами, потенциально такими же слабыми, как и стекловолокна.

Примечание - В качестве альтернативы возможно повышение уровня давления в баллоне до значения, необходимого для учета прочности на разрыв из стекловолокна в течение 1000-часовой выдержки, и полагаясь на 4-минутное значение, удерживание на уровне 1,8  НРД до разрыва, но это применимо только к баллонам типа 4. Поскольку одной из целей Ж.2.3.2 является использование метода, основанного на характеристиках, которые не зависят от конструкции, предпочтительнее удерживать давления на уровне 1,5  НРД. Кроме того, увеличение удержания давления до 1,5  НРД сокращает период испытаний на 900 часов (более 1 месяца) без превышения максимального давления, ожидаемого во время эксплуатации.

Учитывая ситуацию, описанную для баллона из углеродного и стекловолокна, требуется два изменения в 5.2.2.3 для создания методологии, основанной на характеристиках, которую можно использовать для оценки разрыва под напряжением для углеродного и стекловолокна в сочетании с другими эффектами долговечности; уровень давления и время выдержки необходимо изменить с 1,25  НРД на 1000 часов до 1,5  НРД на 105 часов при 85 °C. Рисунок В.6 иллюстрирует изменения к 5.2.2.3 в Ж.2.3.2.

Рисунок В.6 - Модификация протокола испытаний 5.2.2.3 в пункте Ж.2.3.2

Значение BP _min можно определить на основе минимального давления разрыва. В случае баллонов из чистого углеродного волокна минимальное давление разрыва эталонной группы может использоваться только с поправкой на давление для учета точной настройки давления в Ж.2.3, но в случае других волокон или смесей волокон необходимо применять коэффициент 10 %, чтобы обеспечить эквивалентный предел, заложенный в методе испытаний для чистых углеродных волокон, и, таким образом, также учитывать возможное изменение заданного значения во время производства. Уравнение для BP _min для всех других волокон и смесей волокон в COPV:

,

где F _H2 и BP _G1min определены в Ж.2, а значение BP _min не может быть менее 2. Между BP _min и BP _DQ должен быть установлен запас для минимизации вероятности разрыва.

Протокол испытаний в Ж.2.3.2 может применяться ко всем баллонам для оценки прочности на разрыв наряду с требованиями к долговечности. Он применим для общей оценки долговечности произведенных баллонов или промышленных образцов (вместо 5.2.2.3), а также для определения минимально допустимого давления разрыва BP _min.