依据FMVSS 304标准进行的压缩氢气气瓶研究与测试
《Compressed Hydrogen Cylinder Research and Testing In Accordance With FMVSS 304》
作者为Nathan Weyandt，来自西南研究院（Southwest Research Institute），该报告由美国国家公路交通安全管理局（National Highway Traffic Safety Administration，NHTSA）发布。
报告主要内容包括：
1. 引言：
- 背景：氢能作为替代燃料和可再生能源的候选者，其存储至关重要，压缩氢存储在高压气缸中是一种有吸引力的方式，但高压气缸制造商面临成本和重量降低的压力，且关于氢燃料安全的统计数据不足，公众对氢燃料安全的了解有限。
- 目的：NHTSA和西南研究院开展研究项目，旨在评估和提高高压氢气缸的安全性，包括审查现有标准和实践、选择特定测试、获取样本进行测试、评估标准的有效性和提出建议。
2. 测试样本：
- 样本获取：联系了多家压缩氢气缸制造商，最终获取了三种商用气缸类型，包括两种5000 psi的Type 3（铝衬里）和Type 4（非金属衬里）气缸各6个和4个，以及一种10000 psi的Type 4气缸5个。
- 样本描述：Type 3气缸有金属衬里和树脂浸渍的连续细丝“全包裹”，Type 4气缸有非金属衬里和树脂浸渍的连续细丝“全包裹”，所有气缸都是新的且处于原始状态。
3. 测试程序：
- Bonfire测试：遵循FMVSS 304协议，测试在定制的测试台上进行，测试台由底部托盘和顶部框架组成，中间有陶瓷纤维层，丙烷提供火源，用11个热电偶测量温度，用压力传感器测量气缸内部压力，测试结束标志为气缸释放其内容。
- 压力循环测试：遵循FMVSS 304协议，每个气缸以不超过每分钟10个循环的速率进行压力循环，包括在服务压力的100%和10%之间循环13000次，以及在服务压力的125%和10%之间循环5000次，压力介质根据压力不同有所区别。
- 静水压力爆破测试：遵循FMVSS 304协议，每个气缸以不超过每秒200 psi的速率加压到服务压力的2.25倍（NGV2和ISO / DIS 15869规定碳纤维气缸的测试压力为服务压力的2.25和2.35倍），直到气缸破裂。
- 穿透测试：遵循ISO / DIS 15869协议，每个气缸在测试台上加压到服务压力，用0.308口径（7.62mm）的步枪枪管以45°角穿透气缸侧壁，子弹需穿透至少一侧，气缸不能发生灾难性破裂。
4. 设施与仪器：
- 设施：Bonfire和穿透测试在位于德克萨斯州萨比纳尔的西南研究院消防技术部的远程设施中进行，压力循环和静水压力爆破测试在西南研究院的主校区进行。
- 仪器：温度测量使用1.6mm（1/16英寸）直径的Inconel护套接地接头K型热电偶，压力测量使用60000 psi（420 MPa）的压力传感器，丙烷流量使用0 - 80 slpm的热导质量流量控制器控制。
5. 文档记录：数据记录在专用的基于PC的数据采集系统中，压力和热电偶数据以1 Hz的速率记录和保存，同时拍摄数字照片和视频记录测试设置和结果。
6. 测试结果：
- Bonfire测试：共进行了6次测试，所有气缸都在3分钟内成功释放内容且未破裂，不同气缸在不同填充水平下的压力释放阀启动时间不同。
- 压力循环测试：共进行了3次测试，10000 psi的Type 4气缸在测试后出现了靠近阀门配件的损坏，其他两个气缸状况良好。
- 爆破压力测试：共进行了6次测试，暴露于4分钟火灾的Type 3（铝衬里）气缸的爆破压力比循环测试的气缸低约70 psi，但仍满足最低爆破要求；Type 4（塑料衬里）气缸在火灾后无法用超过5500 psi的水压进行加压。
- 穿透测试：共进行了3次测试，在5000 psi的Type 3和10000 psi的Type 4气缸穿透中，子弹未穿出气缸另一侧；在5000 psi的Type 4气缸穿透中，子弹穿出并导致测试台倾倒，氢气喷出并点燃。
7. 结论：
- Bonfire测试：虽然所有气缸在测试中表现安全，但当前测试程序不足以评估气缸承受火灾的能力，建议开发新的正式测试方法，可能需要使用防火隔热材料。
- 压力循环测试：10000 psi的Type 4气缸在测试中出现物理损坏的原因未知，但这种情况在实际服务中可能会产生灾难性后果。
- 爆破压力测试：循环测试对气缸强度没有显著负面影响，10000 psi的Type 4气缸未满足ISO / DIS 15869的要求，金属衬里气缸在火灾暴露条件下比塑料衬里气缸具有更大的安全裕度，建议为Type 4气缸指定一定水平的热绝缘。
- 穿透测试：由于测试中产生了孔洞，气缸无法进行后续的静水压力爆破测试以确定安全裕度，未来建议增加穿透子弹的口径直到气缸发生破裂。
综上，该报告通过对压缩氢气缸的一系列试，评估了相关标准的有效性，并对高压氢气缸的安全性提出了建议。
