本書首先描述了氫能裝備與橡膠密封結(jié)構(gòu)的基本術(shù)語與概念，緊接著闡述了氫在橡膠中的傳輸行為，之后分別從密封材料層面和密封結(jié)構(gòu)層面系統(tǒng)梳理了氫能裝備橡膠密封材料與密封性能的氫損傷，隨后論述了氫能裝備橡膠密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本書完善了氫能裝備密封失效泄漏事故預(yù)防所需的技術(shù)資料和性能數(shù)據(jù)，內(nèi)容層層深入且充實(shí)緊湊，語言表述與邏輯思路清晰，具有很強(qiáng)的科學(xué)性、工程指導(dǎo)性。本書可作為高等院校的氫能科學(xué)與工程、安全工程、儲能科學(xué)與工程、過程裝備與控制工程等專業(yè)及相關(guān)專業(yè)的本科生教材和研究生參考教材，也可作為從事氫能裝備，特別是密封技術(shù)研究的科研人員和工程技術(shù)人員的參考書。
黨的二十大將能源安全作為國家安全體系和能力現(xiàn)代化的重要組成部分，并站在人與自然和諧共生的高度謀劃能源綠色發(fā)展，積極穩(wěn)妥推進(jìn)碳達(dá)峰、碳中和。氫能作為21世紀(jì)重要的清潔能源之一，備受各國重視。美國、日本、歐盟等發(fā)達(dá)國家/地區(qū)均將發(fā)展氫能作為國家戰(zhàn)略。我國《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計(jì)劃(20162030年)》已將氫能與燃料電池技術(shù)列為重點(diǎn)創(chuàng)新任務(wù)，2022年發(fā)布的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(20212035年)》明確了氫能是我國未來國家能源體系重要組成部分的戰(zhàn)略定位，并指出氫能是推動我國能源綠色低碳轉(zhuǎn)型與實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要載體。
隨著氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴(kuò)大，應(yīng)用場景增加，氫能承壓設(shè)備的種類和數(shù)量快速增長。然而，氫能承壓設(shè)備密封失效導(dǎo)致的氫氣泄漏爆炸是國內(nèi)外氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的共同挑戰(zhàn)之一。我國對于氫能裝備的密封技術(shù)研究起步較晚，相關(guān)技術(shù)資料尤為匱乏，難以滿足中國氫能產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展對氫氣密封抗泄漏安全保障的迫切需求。因此，系統(tǒng)梳理氫能裝備橡膠密封技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹氫能裝備橡膠密封的失效機(jī)理及調(diào)控方法，具有重要理論意義和實(shí)際應(yīng)用參考價(jià)值。
本書共5章，第1章主要介紹氫能裝備與橡膠密封的基本術(shù)語與概念；第2章主要介紹氫在橡膠中的傳輸行為；第3章從密封材料層面系統(tǒng)梳理氫環(huán)境下橡膠密封材料的氫損傷，包括鼓泡斷裂、吸氫膨脹、力學(xué)性能氫致劣化、化學(xué)結(jié)構(gòu)損傷等；第4章從結(jié)構(gòu)層面論述氫能裝備密封性能的氫損傷，包括靜密封性能、動密封特性、摩擦磨損特性；第5章介紹氫能裝備橡膠密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括密封設(shè)計(jì)方法、密封性能預(yù)測、密封性能優(yōu)化、密封結(jié)構(gòu)的失效與防治等。
本書按照雙碳目標(biāo)的國家戰(zhàn)略需求，在國內(nèi)外氫能市場化起步大背景下編寫，可為氫能源領(lǐng)域工程技術(shù)人員，氫能源安全專業(yè)教師及本科、研究生提供行業(yè)亟須的氫能裝備密封技術(shù)方面的知識。
本書得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.52075183)、廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.2023A1515010692)、華南理工大學(xué)研究生教材建設(shè)項(xiàng)目& 華南理工大學(xué)研究生精品教材修訂專項(xiàng)項(xiàng)目(No.2023XJZX08)的資助，謹(jǐn)致謝忱。
在本書編撰過程中，浙江大學(xué)鄭津洋院士、華東理工大學(xué)涂善東院士提出了寶貴的意見和建議。
特別感謝課題組研究生鄭益然同學(xué)在書稿編寫、制圖、校對等方面付出的辛勤勞動，感謝劉先暉、戴鵬智、黃炎磊、薛金鑫等同學(xué)對本書出版付出的辛勤努力。
由于編著者水平有限，書中難免有不妥之處，敬請讀者指正。
周池樓
華南理工大學(xué)
2023年6月
第1章橡膠密封與氫系統(tǒng)1
1.1氫系統(tǒng)中橡膠密封的應(yīng)用 1
1.1.1氫能裝備概述 1
1.1.2典型密封部件 6
1.1.3密封類型 12
1.2橡膠密封材料概述 15
1.2.1基本性能 15
1.2.2典型密封材料 17
1.2.3常用添加劑 18
1.3橡膠密封氫相容性概述 19
1.3.1橡膠密封主要失效模式 19
1.3.2橡膠密封氫相容性 20
1.3.3橡膠密封氫相容性研究方法 21
參考文獻(xiàn) 22
第2章氫在橡膠中的傳輸24
2.1氫溶解 24
2.1.1氫的存在狀態(tài) 24
2.1.2氫吸附模式 26
2.1.3氫濃度 27
2.1.4氫溶解度 34
2.2氫擴(kuò)散 40
2.2.1氫擴(kuò)散系數(shù)定義 40
2.2.2氫擴(kuò)散機(jī)理 40
2.2.3氫擴(kuò)散系數(shù)影響因素 42
2.2.4典型密封材料氫擴(kuò)散系數(shù) 47
2.3氫滲透 51
2.3.1氫滲透系數(shù)定義 51
2.3.2氫滲透理論模型 51
2.3.3氫滲透系數(shù)影響因素 54
2.3.4典型密封材料氫滲透系數(shù) 56
參考文獻(xiàn) 60
第3章密封材料的氫損傷64
3.1鼓泡斷裂 64
3.1.1鼓泡斷裂定義 64
3.1.2鼓泡斷裂機(jī)理 64
3.1.3鼓泡斷裂影響因素 79
3.2吸氫膨脹 92
3.2.1吸氫膨脹定義 92
3.2.2吸氫膨脹機(jī)理 93
3.2.3吸氫膨脹下的微觀形貌演化 93
3.2.4吸氫膨脹影響因素 97
3.3力學(xué)性能氫致劣化 109
3.3.1拉伸性能 109
3.3.2壓縮性能 118
3.3.3疲勞性能 121
3.3.4動態(tài)熱機(jī)械性能 124
3.4化學(xué)結(jié)構(gòu)損傷 129
3.4.1單次氫氣暴露化學(xué)結(jié)構(gòu) 129
3.4.2氫氣循環(huán)暴露化學(xué)結(jié)構(gòu) 130
參考文獻(xiàn) 131
第4章密封性能的氫損傷135
4.1靜密封性能 135
4.1.1橡膠密封件自緊密封機(jī)理 135
4.1.2典型橡膠組合密封結(jié)構(gòu) 137
4.1.3靜密封氫損傷影響因素 139
4.2動密封特性 147
4.2.1橡膠密封件動密封概述 147
4.2.2動密封氫損傷影響因素 148
4.3摩擦磨損特性 154
4.3.1摩擦磨損概述 154
4.3.2摩擦行為 155
4.3.3磨損行為 158
參考文獻(xiàn) 162
第5章氫能裝備橡膠密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)164
5.1密封設(shè)計(jì)方法 164
5.1.1密封結(jié)構(gòu)選材原則 164
5.1.2密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則 168
5.1.3密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 170
5.2密封性能預(yù)測 179
5.2.1密封特性預(yù)測 179
5.2.2磨損預(yù)測 187
5.2.3泄漏預(yù)測 192
5.3密封性能優(yōu)化 194
5.3.1抗氫損傷的優(yōu)化方法 194
5.3.2抗氫滲透的優(yōu)化方法 198
5.3.3抗磨減摩的優(yōu)化方法 200
5.3.4阻氫與耐磨協(xié)同優(yōu)化方法 205
5.4密封結(jié)構(gòu)的失效與防治 206
參考文獻(xiàn) 208
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