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发布：2026-06-14 22:46:36 · 事件：2026-06-14 22:46:36

摘自 《煤气与热力》2025年7月刊 临氢输配设备橡胶材料的选择 王洪林 1、2 ，张梦婷 1 、2 ，陈浩 1、2 ，金辉 3 ，阮约偲 3 (1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司 国家燃气用具质量检验检测中心， 天津 300384；2.天津市城镇燃气应用重点实验室， 天津 300384； 3.金申密封技术（上海）有限公司， 上海 201821) 摘要： 研究临氢输配设备橡胶材料的选择要求，以及适用于临氢输配设备的橡胶材料。

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  摘自 《煤气与热力》2025年7月刊>>> 临氢输配设备橡胶材料的选择 王洪林 1、2 ，张梦婷 1 、2 ，陈浩 1、2 ，金辉 3 ，阮约偲 3 (1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司    国家燃气用具质量检验检测中心，    天津    300384；2.天津市城镇燃气应用重点实验室，    天津    300384；    3.金申密封技术（上海）有限公司，    上海    201821) 摘要：  研究临氢输配设备橡胶材料的选择要求，以及适用于临氢输配设备的橡胶材料。 氢气在橡胶材料中的渗透率越大，橡胶材料的吸氢膨胀现象就越严重，环境温度、氢气压力、橡胶材料的微观结构等因素影响氢气在橡胶材料中的渗透率。氢气渗透可能导致橡胶材料吸氢膨胀失效或起泡爆裂失效。氯丁橡胶材料、丁腈橡胶材料适用于气态氢环境。橡胶材料物理机械性能、耐燃气性能对橡胶材料在氢气环境中的性能有显著影响。 关键词：  临氢输配设备；橡胶材料；耐燃气性能；物理机械性能 参考文献示例： 王洪林，张梦婷，陈浩，等 .  临氢输配设备橡胶材料的选择［J］ .  煤气与热力，2025，45（7）：67-70，76 . 1  概述 氢能属于国家新兴战略能源，但目前氢气的生产、储存、输送、应用等方面存在很多技术困难，氢气对金属有氢脆效应，对管道、设备有特殊要求，我国现有的城镇燃气标准不适用。此外，氢气燃烧速度快，爆炸极限宽，最小点火能较小，发生火灾或爆炸事故的危险性较高。为保障城镇氢气输配系统安全，应制定氢能应用领域相关标准。 调压器、过滤器、阀门是氢气输配系统的关键设备， O 形橡胶密封圈、膜片、阀口垫片是临氢输配设备的关键零部件，其可靠性关乎氢气输配系统和下游用户的安全。由于我国目前尚无氢气调压器、过滤器、阀门等产品的国家标准，现有的城镇燃气输配设备标准不适用于临氢输配设备，本文开展临氢输配设备橡胶材料性能研究，研究了常用临氢输配设备橡胶材料的氢气渗透机理，以及橡胶材料的吸氢膨胀失效和起泡爆裂失效。探讨了 临氢输配设备橡胶材料的选择和性能评估。 为表述方便 , 本文将调压器、过滤器、阀门等统称为输配设备 。 2  临氢输配设备橡胶材料特性研究 2.1  氢气在橡胶材料中的渗透性 ①  氢气在常见材料中的渗透率 根据 ISO 11114 — 2 — 2021 《气瓶 - 气瓶和阀门材料与气体含量的相容性      第 2 部分：非金属材料》（ Gas Cylinders-Compatibility of Cylinder and Valve Materials with Gas Contents-Part 2: Non-metallic Materials ）   第 6.2.5.5 款，渗透是气体穿过橡胶材料的缓慢过程，氢气在橡胶材料中的渗透可能会很严重。氢气渗透会导致橡胶材料内部的气体压力升高，可能导致橡胶材料坍塌或起泡。氢气在一些橡胶材料中的渗透率、扩散率和溶解度系数见表 1 [1] 。 表 1     氢气在一些橡胶材料中的渗透率、扩散率和溶解度系数 [1] 氢气在橡胶材料中的渗透率越大，橡胶材料的吸氢膨胀现象就越严重，因此，选择临氢输配设备橡胶材料时，应优先选择氟碳橡胶材料，其次是丁腈橡胶材料，再次是三元乙丙橡胶材料。氢气在橡胶材料中的渗透率比氢气在塑料中的渗透率大。因此，氢气在橡胶材料中更容易渗透，也更容易使橡胶材料发生吸氢膨胀失效 [1] 。 ②  氢气渗透率的影响因素 环境温度、氢气压力、橡胶材料的微观结构等因素影响氢气在橡胶材料中的渗透率。 Yamabe 等人 [2] 研究了三元乙丙橡胶材料、丁腈橡胶材料中氢气含量与氢气压力的关系，得出了当氢气压力在 10 MPa 以下时，氢气压力越高，橡胶材料吸氢量越大，环境温度越高，橡胶材料吸氢量也越大。一些学者试验得出氢气在橡胶材料中的渗透率随氢气压力和环境温度升高而增大 [3] 。 Menon 等人 [4] 对比了氢气在丁腈橡胶材料、氟橡胶材料、聚乙烯、聚四氟乙烯中的渗透性能，得出了橡胶材料具有较大自由体积，分子链流动性较好，氢气分子较易穿过分子链，氢气在橡胶中的渗透率远大于氢气在塑料中的渗透率。 2.2  高压氢气环境中橡胶材料密封失效的原因 ①  吸氢膨胀失效 氢气输配系统中的高压氢气通过吸附侵入、溶解扩散进入橡胶材料内部，导致橡胶材料体积变大，造成橡胶材料吸氢膨胀。临氢输配设备橡胶密封件的吸氢膨胀失效机理为，氢分子在橡胶材料内部扩散渗透引发吸氢膨胀，由此产生各向异性体积膨胀，导致橡胶材料密封结构发生塑性形变，最终在机械应力作用下形成裂纹扩展路径。在氢气输配系统高压氢气作用下，橡胶密封件有静态密封和动态密封 2 种形式，氢气压力恒定工况下为静态密封，氢气压力波动工况下为动态密封。吸氢膨胀影响橡胶材料的静态密封性能，吸氢膨胀甚至可能造成橡胶材料挤压断裂。氢气压力波动会影响橡胶材料的动态密封性能，甚至发生起泡爆裂失效。因而橡胶材料的吸氢膨胀性能是选用和评估橡胶材料密封性能重点考虑的因素。周池楼等人 [5] 研究得出，橡胶材料吸氢膨胀形成了自增强密封效应，但同时也增加了冯 ·米塞斯等效应力，导致橡胶材料永久变形，影响寿命和密封性能。 ②  起泡爆裂失效 橡胶材料发生吸氢膨胀时，若氢气输配系统中氢气快速减压，橡胶材料内外气体压力的平衡将被破坏，氢气快速从橡胶材料中逸出，导致橡胶材料膨胀，若膨胀量足够大，且降压速率比氢气扩散速率快，则可能造成橡胶材料起泡爆裂，导致橡胶件密封失效。 研究表明， O 形橡胶密封圈在高压氢气环境下会发生挤压断裂  [6] ，高压氢气快速降压时可能会使其发生内部断裂。这是由于在高压氢气环境下，氢气分子会渗透到 O 形橡胶密封圈的橡胶材料中，发生吸氢膨胀。当氢气快速降压时，氢气分子逸出，使 O 形橡胶密封圈出现空洞或裂缝。 Yamabe 等人 [7] 用 O 形橡胶密封圈进行渗漏试验，研究结果表明，压力循环次数越多，周期越长，起泡爆裂损坏越严重，氢气泄漏量也越大。 Yamabe [7] 对高压氢气中橡胶材料起泡爆裂失效的影响因素进行了研究，结果显示，氢气快速减压引起的裂纹随着氢气压力增高、环境温度增高和橡胶材料样品厚度增厚，裂纹变得更加严重，并且裂纹会随着减压时间的减小而增加。临氢输配设备橡胶材料应避免橡胶材料出现吸氢膨胀失效和起泡爆裂失效。 3  临氢输配设备橡胶材料的选择 3.1  选择临氢输配设备橡胶材料的影响因素 ①  橡胶材料与氢气的相容性。橡胶材料与氢气接触后是否会发生腐蚀，氢气在该橡胶材料中的渗透率和扩散率。 ②  橡胶材料与相邻材料的相容性，橡胶材料对氢气压力变化的适应性。 ③  橡胶材料与环境温度、氢气压力、操作条件的相容性。 ④  橡胶材料与周围环境的相容性，周围环境是否为腐蚀性环境，是否为高温环境等。 ⑤  橡胶材料的失效模式，是否发生脆性快速断裂与延性缓慢分离。 ⑥  橡胶材料的性能等。低温可能导致橡胶材料硬化和脆化，而高温可能导致橡胶材料软化。 ⑦  橡胶材料的可利用性。 3.2  临氢输配设备橡胶材料选择要求 临氢输配设备橡胶材料通用选材要求见表 2 ，设计选材要求见表 3 。 表 2     临氢输配设备橡胶材料通用选材要求 表 3     临氢输配设备橡胶材料设计选材要求 3.3  适用于氢气环境的橡胶材料 在选择氢气输配系统橡胶材料时，应对橡胶材料进行评估。除非有数据表明橡胶材料适用于氢气环境，否则不应将该橡胶材料用于氢气环境，应优先选择工程应用成熟的橡胶材料。 ISO/TR 15916 — 2015 《氢气系统安全的基本考虑因素》（ Basic Considerations for the Safety of Hydrogen Systems ）表 C.2 给出了常用橡胶材料在氢气环境中的适用性，见表 4 。目前我国氢气输配系统为气态输送，液态氢由于超低温技术难度大、成本高，目前仅在储存设备中应用。 表 4     常用橡胶材料在氢气环境中的适用性 ISO 11114 — 2 — 2021  也给出了常用橡胶材料在氢气、甲烷环境中的适用性，可为纯氢和掺氢天然气输配系统设计选材提供参考。常用橡胶材料在氢气或甲烷环境中的相容性（不用作气瓶或储罐内衬材料）见表 5 。 表 5     常用橡胶材料在氢气或甲烷环境中的相容性 （不用作气瓶或储罐内衬材料） 4  临氢输配设备橡胶材料性能评估 目前国内外尚无氢气输配系统用氢气调压器、过滤器、阀门的专用标准。加氢站阀门、调压器的标准起步较早，且已非常成熟。但由于临氢输配设备与加氢站设备的用途、工作压力、管道直径、工况差异很大，相关标准不能通用，因而应制定相关性能评估要求。 4.1  橡胶材料物理机械性能 ①  硬度：硬度反映了橡胶材料的刚性和韧性。硬度高意味着橡胶不易变形，但同时也可能降低其韧性。也反映橡胶材料的弹性和抗吸氢膨胀性能。 ②  拉伸强度：拉伸强度影响橡胶材料的强度、耐磨性能和抗撕裂性能。反映橡胶材料的强度、抗吸氢膨胀性能和抗起泡爆裂性能。 ③  拉断伸长率：拉断伸长率反映了橡胶材料的延展性和韧性，反映橡胶材料抗吸氢膨胀性能和抗起泡爆裂性能。 ④  最大压缩永久变形：最大压缩永久变形评估了橡胶材料的弹性，反映橡胶材料的密封性能。 ⑤  抗屈挠龟裂性：抗屈挠龟裂性反映橡胶材料的耐磨性和使用寿命。 ⑥  最小回弹量：最小回弹量衡量了橡胶材料在变形后恢复原状的能力，直接影响其在反复使用或外力作用下的表现。反映橡胶材料抗吸氢膨胀性能、抗起泡爆裂性能和密封性能。 ⑦  耐氢气老化性能：耐氢气老化性能通常用于评估橡胶材料在氢气压力和环境温度变化下的化学稳定性。高压和高温可能导致橡胶材料内部结构破坏，从而影响其强度、韧性。反映橡胶在氢气环境下的使用寿命。 ⑧  热空气老化最大拉伸强度变化率：热空气老化最大拉伸强度变化率反映了橡胶材料在高温环境下的耐久性。 ⑨  最小脆性温度：最小脆性温度决定了橡胶材料的低温脆性性能。 4.2  橡胶材料耐燃气性能 橡胶材料耐燃气性能是评价橡胶材料的重要指标，常采用耐介质浸泡试验进行评估，关键检验项目为橡胶材料的体积变化率和质量变化率。橡胶材料耐燃气性能试验的主要目的是评估橡胶材料在燃气环境下的稳定性和可靠性。 ①  体积变化率 采用液态正己烷、 IRM903 油进行浸泡试验，采用高压氢气进行耐氢气浸泡试验，评价试验前后橡胶材料的体积变化率。 ②  质量变化率 采用液态正己烷、 IRM903 油进行浸泡试验，采用高压氢气进行耐氢气浸泡试验，评价试验前后橡胶材料的质量变化率。 5  结论 ①  氢气在橡胶材料中的渗透率越大，橡胶材料的吸氢膨胀现象就越严重，环境温度、氢气压力、橡胶材料的微观结构等因素影响氢气在橡胶材料中的渗透率。氢气渗透可能导致橡胶材料吸氢膨胀失效或起泡爆裂失效。 ②  氯丁橡胶材料、丁腈橡胶材料适用于气态氢环境。 ③  橡胶材料物理机械性能、耐燃气性能对橡胶材料在氢气环境中的性能有显著影响。 参考文献 : [1]  刘翠伟 , 张睿 , 田磊 , 等 .   非金属管材临氢环境下相容性研究进展 [J].   天然气工业 ,2022 (9):145-156.  [2] YAMABE J,NISHIMURA S. 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International Journal of Hydrogen Energy,2022,47:4725-4740.  [7] YAMABE J, NISHIMURA S, KOGA A.  A Study on Sealing Behavior of Rubber O-ring in High Pressure Hydrogen gas[J].  SAE International Journal of Materials and Manufacturing, 2009 (1): 452-460. （本文责任编辑：马艳） 维普免费下载《煤气与热力》论文（现刊和过刊均可） 日前，《煤气与热力》杂志社有限公司在维普网站 http://cqvip.com/ 开通论文免费下载服务，论文刊出后两个月后，可在维普网站查询，并直接免费下载。在维普网站 免费下载《煤气与热力》论文 步骤如下： 1. 在维普网站注册会员。 2. 搜索出《煤气与热力》论文，点击进入。 3. 论文免费下载界面截图见上图。点击“免费下载”，可直接下载该论文。 声明：本文著作权（版权）归《煤气与热力》杂志社所有，严禁任何微信号及媒体未经授权许可随意转载。 PS: 当然欢迎大家转发到朋友圈！ 更多论文请登录煤气与热力杂志官方网站，免费注册会员阅读电子期刊。阅读步骤：登录http://www.gasheat.cn/→页面右上角注册会员→注册成功后点击《煤气与热力》→期刊索引→点击某期期刊封面即可阅读当期文章。 点击关注我们↘