碱性电解槽用密封垫片 蠕变松弛性能测试方法研究

摘要：碱性电解槽用密封垫片的蠕变松弛性能是保证其长时间稳定服役的重要因素之一，良好的蠕变松弛性能能直接影响整个系统的密封性能。本文系统研究并分析了国内外已有密封垫片蠕变松弛性能测试方法，针对碱性电解槽工况条件提出了一种区别于已有标准方法的蠕变松弛性能表征和测试方法，并选取两种不同改性聚四氟乙烯垫片进行了试验验证，结果表明，本文提出的测试方法能够更加准确全面地评价垫片高温蠕变松弛性能，不同添加剂对垫片蠕变松弛性能有较大影响。本文研究结果可为电解槽密封垫片设计、测试评价及提高系统运行稳定性和可靠性提供指导。

关键词：碱性电解槽、密封垫片、蠕变松弛

Research on Test Methods for Creep Relaxation Performance of Sealing Gaskets for Alkaline Electrolyzers

TAO Lanlan  XU Shi

Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute of Jiangsu Province Zhangjiagang Branch,Zhangjiagang 215600,China

Abstract：Creep relaxation performance of sealing gaskets used in alkaline electrolyzers is one of the critical factors ensuring long-term stable operation. Good creep relaxation performance directly determines the sealing performance of the entire system. This paper systematically reviews and analyzes existing domestic and international test methods for evaluating the creep relaxation performance of sealing gaskets. A characterization and testing method for creep relaxation performance different from current standard procedures is proposed to match the actual operating conditions of alkaline electrolyzers. Two types of modified polytetrafluoroethylene (PTFE) gaskets are selected for experimental verification. The results show that the proposed method achieves more accurate and comprehensive evaluation of the high-temperature creep relaxation properties of gaskets.Various additives greatly affect gasket creep relaxation performance. The research findings of this work offer references for the design and performance assessment of electrolyzer sealing gaskets, and help enhance the stability and reliability of system operation.

Keywords：alkaline electrolyzer; sealing gasket; creep relaxation

1 引言

在国家政策的大力推动下，氢能源作为优质绿色清洁能源，产业发展提速，各领域应用愈发广泛。在制氢设备中，密封垫片作为碱性电解槽的关键部位之一，材料需承受高温、高压以及长期服役等情况，密封垫片在长时间服役情况下能否保持优良的力学性能对电解槽的稳定长期服役有直接影响[1]。目前电解槽密封垫片大部分选用改性聚四氟乙烯垫片，具有良好的抗腐蚀性，密封性能和抗蠕变性能，往往残余垫片应力越大，密封性能越好[2,3]。碱性电解槽，大量使用改性聚四氟乙烯密封垫片，但其抗蠕变性能尚不能完全达到使用要求，已成为制约碱性电解槽性能提升和运行可靠性的一个痛点难点[4]。因此，改进密封垫片蠕变松弛试验方法，提高测试精度和准确性，对于保障密封垫片产品质量和安全使用具有重要意义。

当前，国内外针对氢能垫片蠕变松弛测试方法的主要有GB/T 12621-2008，GB∕T 20671.5-2020，ASTM F38-18，EN13555-2021，前三个试验标准采用应力螺栓法，测试装置需用加力杆拧紧螺母，十分费力且试验垫片尺寸只能用规定小尺寸规格，垫片应力是通过测量测试前后螺栓伸长量计算而得。因此，应力测量的准确性受到应力螺栓加工工艺、装配精度、材料性能、千分表自身测试误差的影响较大，进而导致试验数据分散性较大。另外，该方法无法实时测量升温、保温、降温各阶段应力变化情况，也无法测量恒温状态下垫片的蠕变变形量。EN13555方法采用垫片综合性能测试装置，主要优点有智能化、自动化、高精度、重复性好等特点，是目前测试垫片蠕变松弛性能较为理想的方法，代表了智能测试的发展方向，但该方法需采用进口测试装置，在国内尚未普遍推广。

本文旨在建立一种不同于已有测试标准方法的蠕变松弛性能表征和测试方法，该方法具有测试范围广、测量精度高、自动化程度高的特点，并可实时监控测量全过程垫片应力变化情况，从而更为准确全面地评价垫片高温蠕变松弛性能[5]，对提升电解槽长期服役可靠性有重要意义。

2试验

2.1试验装置

本试验设备系统主要由以下几个重要系统模块组成：（1）液压加载系统（2）测试系统（3）加热、冷却系统（4）实时监测温度、应力的监测系统（5）数据采集和数据处理系统等，实现对垫片表面应力实时监控、测量和采集（载荷≤200KN、温度≤300℃、位移测试精度1μm），如图1所示。该试验设备可依据国内外现行测试标准，开展各类非金属密封垫片材料的蠕变松弛试验，精准测定指定试验温度与压缩应力载荷工况下密封垫片材料的残余应力，测试精度对标国内外同类检测设备先进水准。

图1 蠕变松弛性能测试装置

2.2试验步骤

（1）检查试验装置的各部分，清洁上下压盘，保证压盘表面干净、无杂质。

（2）压紧螺杆使试样压缩到规定的初始载荷。

（3）按试验要求对系统进行加热（加热同时需保持冷却水畅通，并控制升温速率防止温度上冲过大），在达到试验温度后，点击开始测试，开始计时测试，测试中应保持测试温度稳定，待达到相应试验时间后，关闭加热电源，停止加热，但仍保持冷却水冷却至系统温度达到室温），待温度达到室温后点击结束试验。

（4）保存和测试报告打印，保存初始载荷和残余载荷。

（5）垫片的蠕变松弛率按公式（1）计算：

                   （1）

式中：S_K—常温下垫片的初始应力，单位为兆帕（MPa）

      S_G—垫片的残余应力，单位为兆帕（MPa）

2.3 试验样品

为了保证测试装置能按预期功能进行蠕变松弛测试，本次实验采用了两种不同配方，三种厚度的改性聚四氟乙烯垫片进行了蠕变松弛测试，具体的垫片尺寸情况如下表所示：

表1 垫片规格与测试项目

2.4试验条件

本试验按照2.2的要求，参考EN13555-2021进行，通过记录垫片的初始应力和残余应力，计算得到垫片的蠕变松弛率，具体试验条件如下：

表2 蠕变松弛性能试验条件

3试验结果及讨论

3.1 试验系统性能验证

选取厚度为3.0mm，40%碳纤维填充PTFE垫片的试验结果图2为例，重点考量上下盘的温度差、升温速度和稳定性。试验结果表明上下盘的温度差可稳定控制在±4℃以内。当上下盘升温至设定试验温度 100 ℃并进入恒温阶段后，连续 4 h 内温度波动幅值不超过 ±1 ℃，温控精度优良，可满足蠕变松弛试验的温度工况要求。试验过程中借助时间-应力曲线全程表征垫片表面应力演化特征，整套测试系统能够依据预设参数完成垫片蠕变松弛性能的定量测试。

图2 典型垫片蠕变松弛测试曲线

3.2测试结果讨论

表3 不同配方/厚度PTFE垫片测试结果

（a）40%碳纤维填充PTFE          （b）40%硫酸钡填充PTFE

图3 厚度0.8mm垫片蠕变松弛测试结果

（a）40%碳纤维填充PTFE          （b）40%硫酸钡填充PTFE

图4 厚度1.5mm垫片蠕变松弛测试结果

（a）40%碳纤维填充PTFE     （b）40%硫酸钡填充PTFE

图5 厚度3.0mm垫片蠕变松弛测试结果

从表3可以看出，无论哪种配方的改性聚四氟乙烯垫片，垫片本身厚度对蠕变松弛性能的影响较大，40%碳纤维填充PTFE垫片当厚度较小时（0.8mm，1.5mm），垫片蠕变松弛率增加较小，厚度变化量也比较接近，当厚度增大到3.0mm时，不管是蠕变松弛率还是厚度变化量都近似翻倍。观察40%硫酸钡填充PTFE垫片的蠕变松弛结果可以知道，垫片厚度对蠕变松弛率和厚度变化量呈现相同的变化规律。当选择碳纤维为添加剂时，垫片厚度3.0mm时，残余应力高于硫酸钡做添加剂的垫片，蠕变松弛性能也更加优秀。因此研究不同厚度垫片、配方对提高垫片残余应力，降低蠕变松弛率，减小厚度变化量，对提高电解槽氢能垫片系统运行稳定性、延长构件长期服役寿命具有重要工程价值与研究意义。

4结论

（1）本论文研究了一种不同于已有测试标准方法的蠕变松弛性能表征和测试方法，该方法具有测试范围广、测量精度高、自动化程度高的特点，并可实时监控测量全过程垫片应力变化情况，从而更为准确全面地评价垫片高温蠕变松弛性能，对提升电解槽长期服役可靠性有重要意义。

（2）不同添加剂对垫片蠕变松弛性能有较大影响，当使用碳纤维为添加剂，厚度为（0.8mm,1.5mm）时，蠕变松弛率没有较大变化。当垫片厚度为3.0mm，残余应力较硫酸钡添加PTFE垫片高9.9%，蠕变松弛率低43.7%，厚度变化量低110%，表现出更好的抗应力变形能力。

参考文献：

[1] 邵乐，张益，李正博，王辉，唐燕飞，碱性电解槽密封垫片研究[J].研究·开发,2025,63(3).

[2]付建伟, 白鲸, 蔡醇洋, et al.填充改性PTFE复合材料蠕变性能的研究进展[J].有机氟工业,2023 (03): 56-58.

[3] 郭滨诗, 姜敏夫, 刘金义.金属波齿柔性石墨复合垫片蠕变-应力松弛性能研究[J].化工科技,2013, 21 (04): 58-60.

[4]Dhanumalayan E, Joshi G M. Performance properties and applications of polytetrafluoroethylene (PTFE)—a review[J]. Advanced Composites and Hybrid Materials, 2018, 1: 247-268.

[5] 实用新型名称：一种密封垫片高温蠕变松弛试验装置.发明人：李科;包健;高志刚;王飞，专利号：ZL 2023 2 1122254.1

基金项目：江苏省特种设备安全监督检验研究院青年科学基金项目 (项目编号：KJ(YJ)2025005）