氢能装备橡胶密封技术

党的二十大将能源安全作为国家安全体系和能力现代化的重要组成部分，并站在人与自然和谐共生的高度谋划能源绿色发展，积极稳妥推进碳达峰、碳中和。氢能作为21世纪重要的清洁能源之一，备受各国重视。美国、日本、欧盟等发达国家/地区均将发展氢能作为国家战略。我国《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》已将“氢能与燃料电池技术”列为重点创新任务，2022年发布的《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》明确了氢能是我国未来国家能源体系重要组成部分的战略定位，并指出氢能是推动我国能源绿色低碳转型与实现“双碳”目标的重要载体。
随着氢能产业规模扩大，应用场景增加，氢能承压设备的种类和数量快速增长。然而，氢能承压设备密封失效导致的氢气泄漏爆炸是国内外氢能产业发展面临的共同挑战之一。我国对于氢能装备的密封技术研究起步较晚，相关技术资料尤为匮乏，难以满足中国氢能产业迅速发展对氢气密封抗泄漏安全保障的迫切需求。因此，系统梳理氢能装备橡胶密封技术的发展现状，介绍氢能装备橡胶密封的失效机理及调控方法，具有重要理论意义和实际应用参考价值。
本书共5章，第1章主要介绍氢能装备与橡胶密封的基本术语与概念；第2章主要介绍氢在橡胶中的传输行为；第3章从密封材料层面系统梳理氢环境下橡胶密封材料的氢损伤，包括鼓泡断裂、吸氢膨胀、力学性能氢致劣化、化学结构损伤等；第4章从结构层面论述氢能装备密封性能的氢损伤，包括静密封性能、动密封特性、摩擦磨损特性；第5章介绍氢能装备橡胶密封结构设计，包括密封设计方法、密封性能预测、密封性能优化、密封结构的失效与防治等。
本书按照“双碳”目标的国家战略需求，在国内外氢能市场化起步大背景下编写，可为氢能源领域工程技术人员，氢能源安全专业教师及本科、研究生提供行业亟须的氢能装备密封技术方面的知识。
本书得到国家自然科学基金项目(No.52075183)、广东省自然科学基金项目(No.2023A1515010692)、华南理工大学研究生教材建设项目& 华南理工大学研究生精品教材修订专项项目(No.2023XJZX08)的资助，谨致谢忱。
在本书编撰过程中，浙江大学郑津洋院士、华东理工大学涂善东院士提出了宝贵的意见和建议。
特别感谢课题组研究生郑益然同学在书稿编写、制图、校对等方面付出的辛勤劳动，感谢刘先晖、戴鹏智、黄炎磊、薛金鑫等同学对本书出版付出的辛勤努力。
由于编著者水平有限，书中难免有不妥之处，敬请读者指正。

周池楼
华南理工大学
2023年6月

本书首先描述了氢能装备与橡胶密封结构的基本术语与概念，紧接着阐述了氢在橡胶中的传输行为，之后分别从密封材料层面和密封结构层面系统梳理了氢能装备橡胶密封材料与密封性能的氢损伤，随后论述了氢能装备橡胶密封结构设计。本书完善了氢能装备密封失效泄漏事故预防所需的技术资料和性能数据，内容层层深入且充实紧凑，语言表述与逻辑思路清晰，具有很强的科学性、工程指导性。本书可作为高等院校的氢能科学与工程、安全工程、储能科学与工程、过程装备与控制工程等专业及相关专业的本科生教材和研究生参考教材，也可作为从事氢能装备，特别是密封技术研究的科研人员和工程技术人员的参考书。

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第1章橡胶密封与氢系统1
1.1氢系统中橡胶密封的应用  1
1.1.1氢能装备概述  1
1.1.2典型密封部件  6
1.1.3密封类型  12
1.2橡胶密封材料概述  15
1.2.1基本性能  15
1.2.2典型密封材料  17
1.2.3常用添加剂  18
1.3橡胶密封氢相容性概述  19
1.3.1橡胶密封主要失效模式  19
1.3.2橡胶密封氢相容性  20
1.3.3橡胶密封氢相容性研究方法  21
参考文献  22

第2章氢在橡胶中的传输24
2.1氢溶解  24
2.1.1氢的存在状态  24
2.1.2氢吸附模式  26
2.1.3氢浓度  27
2.1.4氢溶解度  34
2.2氢扩散  40
2.2.1氢扩散系数定义  40
2.2.2氢扩散机理  40
2.2.3氢扩散系数影响因素  42
2.2.4典型密封材料氢扩散系数  47
2.3氢渗透  51
2.3.1氢渗透系数定义  51
2.3.2氢渗透理论模型  51
2.3.3氢渗透系数影响因素  54
2.3.4典型密封材料氢渗透系数  56
参考文献  60

第3章密封材料的氢损伤64
3.1鼓泡断裂  64
3.1.1鼓泡断裂定义  64
3.1.2鼓泡断裂机理  64
3.1.3鼓泡断裂影响因素  79
3.2吸氢膨胀  92
3.2.1吸氢膨胀定义  92
3.2.2吸氢膨胀机理  93
3.2.3吸氢膨胀下的微观形貌演化  93
3.2.4吸氢膨胀影响因素  97
3.3力学性能氢致劣化  109
3.3.1拉伸性能  109
3.3.2压缩性能  118
3.3.3疲劳性能  121
3.3.4动态热机械性能  124
3.4化学结构损伤  129
3.4.1单次氢气暴露化学结构  129
3.4.2氢气循环暴露化学结构  130
参考文献  131

第4章密封性能的氢损伤135
4.1静密封性能  135
4.1.1橡胶密封件自紧密封机理  135
4.1.2典型橡胶组合密封结构  137
4.1.3静密封氢损伤影响因素  139
4.2动密封特性  147
4.2.1橡胶密封件动密封概述  147
4.2.2动密封氢损伤影响因素  148
4.3摩擦磨损特性  154
4.3.1摩擦磨损概述  154
4.3.2摩擦行为  155
4.3.3磨损行为  158
参考文献  162

第5章氢能装备橡胶密封结构设计164
5.1密封设计方法  164
5.1.1密封结构选材原则  164
5.1.2密封结构设计原则  168
5.1.3密封结构设计  170
5.2密封性能预测  179
5.2.1密封特性预测  179
5.2.2磨损预测  187
5.2.3泄漏预测  192
5.3密封性能优化  194
5.3.1抗氢损伤的优化方法  194
5.3.2抗氢渗透的优化方法  198
5.3.3抗磨减摩的优化方法  200
5.3.4阻氢与耐磨协同优化方法  205
5.4密封结构的失效与防治  206
参考文献  208

本书首先描述了氢能装备与橡胶密封结构的基本术语与概念，紧接着阐述了氢在橡胶中的传输行为，之后分别从密封材料层面和密封结构层面系统梳理了氢能装备橡胶密封材料与密封性能的氢损伤，随后论述了氢能装备橡胶密封结构设计。本书完善了氢能装备密封失效泄漏事故预防所需的技术资料和性能数据，内容层层深入且充实紧凑，语言表述与逻辑思路清晰，具有很强的科学性、工程指导性。本书可作为高等院校的氢能科学与工程、安全工程、储能科学与工程、过程装备与控制工程等专业及相关专业的本科生教材和研究生参考教材，也可作为从事氢能装备，特别是密封技术研究的科研人员和工程技术人员的参考书。

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