Особенности применения разрывных мембран в криогенных водородных системах: опыт и выявленные риски

Авторы: Степнов Ю.Г. (ООО «Н2 Тех»), Грибов Д.А., к. т. н. (ООО «Бюро 1440»), Орешкин А.Н. (ООО «Н2 Тех»), Малахов Р.С. (ООО «Н2 Тех»)

Опубликовано на портале «Химическая техника», сентябрь 2026

Аннотация

Рассмотрен опыт применения разрывных мембран в криогенных водородных системах. Полученные сведения систематизированы в технические подробности, которые необходимо учитывать при проектировании систем с разрывными мембранами. Поскольку, разрывные мембраны относятся к области обеспечения безопасного проведения различных технологических процессов, описанные потенциальные проблемы с разрывными мембранами помогут оценить возможные последствия их неправильной работы. Набор поставленных технических вопросов, особенно при наличии специальных требований, должен прорабатываться при поиске разрывных мембран и определении их технических характеристик.

Введение

Разрывные мембраны широко применяются в системах защиты от избыточного давления в химической, энергетической и криогенной технике. В отличие от предохранительных клапанов, мембраны обеспечивают высокую герметичность до момента срабатывания, простоту конструкции и предсказуемость пропускной способности после разрушения, что делает их востребованными в системах, работающих с опасными и криогенными средами.

Одно из возможных применений разрывных мембран – системы хранения и транспортировки криогенных сред, в том числе жидкого водорода (LH₂), где требования к надежности предохранительных устройств определяются сочетанием экстремально низких температур (до 20 К и ниже), высокой проникающей способностью водорода, а также потенциальной пожаро- и взрывоопасностью среды. В условиях транспортного исполнения, вибрационных и механических нагрузок корректность срабатывания мембраны является критическим фактором безопасности.

Целью настоящей работы является анализ фактического поведения разрывных мембран в составе системы защиты от избыточного давления контейнера-цистерны для транспортировки жидкого водорода, а также выявление факторов, влияющих на надежность их срабатывания. На основе результатов испытаний и эксплуатации сформулированы практические рекомендации по выбору, испытаниям и применению разрывных мембран.

Нормативная база

Действующие нормативные документы ([1, 2, 3, 4] и др.) регламентируют основные параметры разрывных мембран, включая допустимые отклонения давления разрыва, требования к герметичности и пропускной способности. Однако данные документы в основном ориентированы на эксплуатацию при стандартных или умеренно низких температурах и не в полной мере учитывают особенности работы мембран в криогенных условиях, а также влияние компоновки системы и динамических процессов.

Основные технические требования к изделиям, указанные в нормативной документации и влияющие на работоспособность, перечислены далее.

А) Номинальная температура разрыва мембран – указана необходимость учета данного фактора, т.к. давление разрыва в значительной степени зависит от температуры. Далее в зависимости от документа, предлагается обращаться к производителю, либо измерять фактически, либо рассчитывать по общепринятым зависимостям, однако, дальнейшей конкретики из нормативной документации не следует.

Б) Допуск на давление разрыва. Во всей НД указано значение ± 5% при заданной температуре разрыва. Немного более детально описано в ISO 4126-6 [1]: допуск на давление разрыва определяется производителем мембран после анализа требований заказчика исходя из: типа мембраны, технологии изготовления, материала. Однако, далее в таблице F.1 указаны те же значения в ± 5%.

В) Номинальная пропускная способность / Коэффициент сопротивления разорванной мембраны/ Определение Krg. Во всей нормативной документации указана необходимость обязательного определения данного параметра. Кроме того, подробные рекомендации по подготовке и выбору образцов для испытаний, а также подробное описание методик либо ссылки на них указаны в [2, 3, 4].

Г) Материал мембраны. Наиболее полные рекомендации по выбору материала (в т.ч. для криогенных систем) указаны в ISO 21013-2:2007 [5] и ISO 20421-1:2019 [6]. В других нормативных документах основное направление выбора материала сводится к необходимости учета коррозии.

Д) Герметичность изделия / прочность. В нормативной документации в общем случае оговорена необходимость данных испытаний, и в некоторых случаях конфигурации данных испытаний с учетом держателя (например [7]). При этом отсутствуют конкретные критерии по требуемому уровню утечек, уровню давлений при испытаниях, времени воздействия и т.д. Формулировки критериев сводятся к «согласно документам изготовителя» либо «не должно быть признаков утечки». Также крайне размыты понятия прочности и герметичности, отсутствуют требования по испытаниям на герметичность относительно внешней среды, когда мембрана находится в сработанном состоянии.

Авторский надзор за испытаниями и опыт эксплуатации показал полную недостаточность такого рода описания для контроля и получения работоспособного изделия. Практический опыт применения разрывных мембран в составе криогенных систем хранения жидкого водорода показывает наличие ряда эффектов, не описанных или недостаточно детализированных в нормативной и справочной литературе. К таким эффектам относятся изменение давления разрыва при криогенных температурах или под воздействием рабочей среды, влияние взаимодействия мембраны с предохранительными клапанами и замкнутыми объемами в системе, а также особенности поведения мембран при длительном воздействии давления ниже порога срабатывания.

Характеристики изделий и описание условий опытной эксплуатации разрывных мембран

При реализации проекта по производству контейнера-цистерны для транспортировки жидкого водорода была спроектирована группа безопасности для защиты от превышения давления во внутреннем сосуде контейнера-цистерны. Основными элементами, обеспечивающими защиту от превышения давления во внутреннем сосуде выше допустимого рабочего давления вследствие нормального теплового потока и/или потери вакуума, а также, в случае пожара- выбраны разрывные мембраны. В первом случае мембраны установлены перед предохранительными клапанами, а во втором случае выход мембран через дренажный трубопровод сообщается с атмосферой см. рисунок 1.

Технологическим расчетом (и нормативной документацией) определены необходимые давления разрыва мембран, диаметры трубопроводов и необходимые пропускные способности мембран. На схеме указанной на рисунке 1 мембраны обозначены с префиксом PSE. Давление срабатывания PSE1, PSE2 -11,5 бар изб ± 5%; PSE3, PSE4 -15,25 бар изб ± 5%. Диаметры всех мембран – 50 мм. Материал мембран – никель, выбран как наименее подверженный упрочнению при снижении температуры. Тип мембран – хлопающий, обратного действия (по условию бесфрагментарного срабатывания и максимального рабочего давления). В рамках проекта проработка разрывных мембран выполнялась совместно с российскими изготовителями. Доступ к альтернативным решениям зарубежного производства отсутствовал.

В конкретном случае при реализации проекта требовалось обеспечить некоторые специфические особенности мембран, учитывая потенциальные условия срабатывания при криогенных температурах (до 20 К), совместимость материалов с водородом, и полное соблюдение нормативной документации (в т.ч. для сертификации контейнера-цистерны). Также при определении необходимых параметров для заказа были изучены опросные листы зарубежных производителей мембран, которые имели ограниченный набор запрашиваемых данных. В связи с чем, требуемые параметры для технологического расчета, требования маркировки, сроки эксплуатации и хранения, особенности взаимодействия материалов мембраны со средой оговаривались отдельно.

Результаты опытной эксплуатации мембран

Основные критерии, которые влияют на правильную работу разрывной мембраны в изделии в течение жизненного цикла перечислены далее. По ходу реализации проекта каждый из нижеперечисленных вопросов, в большей или меньшей степени, подлежал детальной проработке, дополнительным экспериментам и уточнениям.

Рабочее давление

Рабочее давление мембраны определяет уровень давления, который может многократно достигаться в процессе эксплуатации без изменения характеристик изделия. При этом практический интерес представляет также область давлений выше рабочего давления, но ниже минимального давления срабатывания мембраны. Поведение мембран в указанном диапазоне давлений в нормативной и справочной литературе практически не описано, а данные изготовителей по изменению характеристик мембран при подобных режимах нагружения, как правило, отсутствуют. С инженерной точки зрения данный диапазон является критически важным, поскольку именно в нем возможны длительные эксплуатационные воздействия, связанные с нештатными режимами работы, испытаниями или временными отклонениями параметров системы. При этом изготовитель мембран, как правило, заинтересован в снижении допустимого рабочего давления для обеспечения стабильности срабатывания, тогда как потребитель стремится к повышению допустимого уровня эксплуатационного давления для расширения диапазона рабочих и испытательных режимов.

Указанное противоречие требует проведения дополнительных исследований для каждого типа мембран, поскольку отсутствие достоверных данных о поведении изделия в данной области давлений может привести к снижению предсказуемости работы системы защиты.

Кроме того, допустимый диапазон эксплуатационного давления существенно зависит от конструкции и типа мембраны, что может ограничивать возможность применения конкретных изделий в заданных условиях эксплуатации.

Давление разрыва

Давление разрыва являлось одной из ключевых характеристик мембран, требующих экспериментального подтверждения в полном диапазоне эксплуатационных температур.

В рамках проекта были проведены:

• климатические испытания мембран в диапазоне температур, предусмотренном условиями эксплуатации, в соответствии с требованиями ISO 4126-6 [1], ГОСТ Р 59374.6 [2], ISO 11114-1 [8];
• дополнительные испытания по определению давления разрыва в криогенных условиях вплоть до температуры 4 К.

Результаты испытаний и опытной эксплуатации показали, что фактическое давление разрыва мембран может существенно отличаться от требуемых значений. В большинстве случаев наблюдалось срабатывание мембран при давлениях ниже номинального значения, включая отдельные случаи выхода за пределы установленного отрицательного допуска. Вместе с тем был зафиксирован единичный случай срабатывания мембраны при давлении выше установленного положительного допуска (16,22 бар изб. при верхнем пределе допуска 16,01 бар изб.), что указывает на наличие значительного разброса характеристик давления разрыва.

Полученные результаты свидетельствуют о необходимости дополнительной экспериментальной верификации характеристик мембран при их применении в криогенных водородных системах.

Значения давления разрыва мембран PSE1 и PSE2, полученные в ходе климатических и криогенных испытаний, приведены на рисунке 2.

Герметичность изделий по отношению к внешней среде

Герметичность изделий по отношению к внешней среде, в том числе после срабатывания мембран, являлась одной из наиболее критичных проблем, выявленных в ходе испытаний и опытной эксплуатации.

На различных этапах проекта как на исходных, так и на доработанных изделиях неоднократно фиксировались утечки во внешнюю среду сразу после сборки узла. Для исключения влияния монтажных факторов дополнительно были организованы испытания непосредственно на месте сборки с использованием мембран из комплекта ЗИП. При этом следует учитывать, что мембраны фактически предназначены для одноразового монтажа.

Проведенные испытания показали наличие существенной негерметичности уже при давлении порядка 4 бар изб. при рабочем давлении мембраны 10 бар изб. и номинальном давлении сборочного узла 16 бар изб. Для устранения утечек потребовалась последовательная доработка конструкции мембраны и держателя, включая:

• изменение геометрии контактных поверхностей держателя;
• увеличение усилий затяжки фланцевых соединений;
• применение мягких уплотнительных материалов.

Вместе с тем установлено, что подобные меры способны оказывать влияние на другие характеристики изделия, включая давление разрыва мембраны. Таким образом, изменение конструкции узла герметизации фактически требует повторной верификации параметров срабатывания мембран, в том числе в криогенных условиях.

Дополнительно выявлено, что применение повышенных усилий затяжки может приводить к релаксации напряжений в крепежных элементах с течением времени и, потенциально, потери герметичности системы, а использование мягких уплотнений — к возникновению дополнительных рисков при эксплуатации в условиях криогенных температур, вибраций и возможных перекосов трубопроводов.

Отдельной проблемой являлось обеспечение герметичности узла после срабатывания мембраны. Испытания показали, что герметичность держателя и мембраны по отношению к внешней среде не обеспечивалась даже при рабочих давлениях, не говоря о необходимости выполнения требований по герметичности для полного сборочного узла более высокого класса давления.

Герметичность изделий по потоку

Герметичность мембран по потоку является одним из наименее изученных аспектов их применения, особенно в области давлений выше рабочего, но ниже минимального давления срабатывания.

В ходе проведения технологических испытаний наблюдался следующий режим работы:

• давление в системе в течение длительного времени постепенно повышалось до уровня рабочего давления мембраны;
• после продолжительного воздействия давления, превышающего рабочее, но остающегося ниже минимального давления срабатывания, был зафиксирован медленный перепуск рабочей среды из защищаемого объема в замкнутую полость за мембраной, ограниченную предохранительным клапаном и измерительными приборами.

Указанное явление было интерпретировано как микротечь через мембрану. При этом следует отметить, что дублирующая мембрана, находившаяся в аналогичных условиях эксплуатации, признаков микротечи не продемонстрировала, что может указывать как на влияние конструктивных или технологических факторов конкретного изделия, так и на возможную нестабильность характеристик мембран данного типа.

С инженерной точки зрения возникновение микротечи представляет существенный риск, поскольку изменение исходного состояния мембраны потенциально способно повлиять на механизм ее последующего разрушения и фактическую пропускную способность после срабатывания.

Следует отметить, что вопросы возникновения микротечей, их влияния на характеристики мембран и критерии допустимости подобных явлений практически не рассматриваются в нормативной и справочной литературе. Дополнительные исследования данного эффекта изготовителем мембран не проводились.

Совместимость материалов с рабочей средой

Совместимость материалов мембран с рабочей средой является одним из ключевых факторов, определяющих надежность изделий в водородных криогенных системах.

Несмотря на сравнительно низкую химическую активность водорода, его воздействие на металлические материалы может приводить к изменению механических свойств, включая снижение пластичности и развитие эффектов водородного охрупчивания. Дополнительные ограничения возникают при применении мягких уплотнительных материалов, чувствительных к воздействию водорода и криогенных температур.

Потенциальная эксплуатация мембран при температурах вплоть до 20 К дополнительно сужает перечень допустимых материалов, поскольку требует одновременного учета:

• стойкости к водородному воздействию;
• сохранения пластичности при криогенных температурах;
• стабильности механических характеристик в широком диапазоне температур.

Несмотря на наличие нормативных документов и справочных материалов по совместимости материалов с водородом (например, ISO 11114-1 [9]), анализ литературы показывает, что особенности взаимодействия конкретных материалов с водородной средой могут существенно зависеть от условий эксплуатации, температурного режима и конструктивного исполнения изделия NSS 1740.16 [10].

При этом в рассматриваемом случае данные изготовителя мембран по совместимости применяемых материалов с рабочими средами практически отсутствовали. В результате задачи анализа, выбора и подтверждения совместимости материалов фактически были возложены на заказчика изделия.

Устойчивость к вакууму

Устойчивость мембран к воздействию вакуума и обратного перепада давления является важным фактором при проектировании систем с возможностью образования разрежения до или после мембраны.

В подобных случаях необходимо отдельно анализировать условия эксплуатации изделия и предусматривать проведение соответствующих испытаний, подтверждающих устойчивость мембраны к вакуумным и обратным нагрузкам.

В ходе криогенных испытаний на давление разрыва наблюдался случай срабатывания мембраны при воздействии разрежения. Дополнительно при проведении теплотехнических испытаний зафиксировано срабатывание одной из мембран в направлении, противоположном штатному режиму нагружения, что может свидетельствовать о чувствительности конструкции к обратному перепаду давления.

Следует отметить, что данные эффекты наблюдались в условиях ограниченного объема экспериментальных данных, а также при наличии особенностей испытательной оснастки, способных повлиять на результаты испытаний.

По этой причине детальный технический анализ механизма указанных явлений в рамках настоящей работы не проводился. Тем не менее, полученные результаты указывают на необходимость дополнительного исследования устойчивости мембран к вакуумным и обратным нагрузкам, особенно в условиях криогенной эксплуатации.

Уровень противодавления

Уровень противодавления, в том числе в замкнутых объемах за мембраной, должен рассматриваться как один из значимых факторов, влияющих на характеристики ее работы.

При проектировании систем с разрывными мембранами необходимо анализировать возможность возникновения:

• противодавления;
• локального разрежения;
• накопления давления вследствие микротечей;
• температурно-индуцированных изменений давления в замкнутых полостях.

Полученные результаты показывают, что даже незначительные температурные воздействия в ограниченных объемах способны приводить к изменению условий нагружения мембраны.

Материал мембраны

Материал мембраны и его температурно-зависимые механические свойства оказывают существенное влияние на давление разрыва изделия.

В рассматриваемом случае требования нормативной документации предусматривают необходимость учета работы мембран как при повышенных температурах (например, в условиях пожара – СGA S-1.2 [11]), так и при криогенных температурах эксплуатации.

Теоретические представления и результаты численного моделирования указывают на зависимость давления разрыва мембраны от механических характеристик материала, прежде всего от предела текучести. Для большинства металлических материалов характерно снижение предела текучести с ростом температуры и его увеличение при охлаждении.

При этом для мембран обратного действия, работающих по механизму потери устойчивости и прохлопывания, влияние механических свойств материала на давление разрыва выражено менее явно, чем для мембран прямого действия.

С инженерной точки зрения это позволяет предполагать снижение давления разрыва при повышенных температурах и его увеличение при криогенном охлаждении. В частности, в условиях пожара снижение прочностных характеристик материала может способствовать снижению давления срабатывания мембраны и ограничению максимального давления в защищаемом сосуде.

В условиях криогенной эксплуатации, напротив, возможно повышение давления разрыва вследствие температурного упрочнения материала. Данная тенденция была подтверждена результатами криогенных испытаний (рисунок 2), однако характер изменения давления разрыва оказался существенно сложнее линейной зависимости от механических свойств материала.

Следует отметить, что данные изготовителя по температурной зависимости характеристик мембран в рассматриваемом случае отсутствовали, вследствие чего задачи оценки влияния температуры и экспериментального подтверждения параметров срабатывания фактически были возложены на заказчика.

Несмотря на наличие теоретических и справочных материалов по влиянию климатических и температурных факторов [12, 13], полученные результаты показывают необходимость экспериментального подтверждения характеристик мембран для каждого конкретного типа изделия и условий эксплуатации.

Объем и содержание маркировки

Объем и содержание маркировки мембран в рассматриваемом проекте определялись требованиями Международного кодекса морской перевозки опасных грузов (МКМПОГ).

В ходе анализа документации и испытаний были выявлены случаи использования различных единиц измерения давления, включая кгс/см² и МПа, как в эксплуатационной документации, так и на средствах измерения.

При этом в отдельных случаях применялось некорректное соотношение между указанными единицами измерения, основанное на коэффициенте пересчета 1:10, что не соответствует фактическому соотношению между кгс/см² и МПа.

Подобные расхождения способны приводить к ошибочной интерпретации параметров срабатывания мембран и требуют дополнительного контроля единиц измерения и содержания маркировки на всех этапах испытаний и эксплуатации.

Коэффициент пропускной способности

Коэффициент пропускной способности K_RG (K_RL — для мембран, работающих на жидкости) является одной из ключевых характеристик предохранительных устройств и подлежит обязательному определению в соответствии с требованиями ГОСТ Р 59374.6 [2].

Однако в рассматриваемом случае подтвержденные экспериментальные данные по определению коэффициента K_RG для применяемых мембран отсутствовали, вследствие чего испытания по определению пропускной способности были организованы силами заказчика.

Дополнительно установлено, что при использовании мембран совместно с предохранительными клапанами определение пропускной способности только мембраны может быть недостаточным для корректной оценки характеристик всей системы защиты.

В подобных конфигурациях целесообразно проведение испытаний полной сборки «мембрана + предохранительный клапан», включая разработку специализированной испытательной оснастки, обеспечивающей фиксацию клапана в открытом положении и воспроизводимость условий испытаний.

Обезжиривание оборудования

Обезжиривание элементов мембран и сопрягаемого оборудования являлось обязательной частью подготовки изделий к эксплуатации в криогенной водородной среде.

Учитывая отсутствие подтвержденных данных изготовителя по чистоте поверхностей и особенностям подготовки изделий для водородного применения, контроль обезжиривания и соответствующие проверки выполнялись силами заказчика.

Материал упорного кольца

Материал и конструкция упорного кольца (основания, на котором закрепляется мембрана) оказывают существенное влияние как на характеристики срабатывания мембраны, так и на герметичность сборочного узла.

Проведенное моделирование показало, что жесткость упорного кольца способна оказывать влияние на давление разрыва мембраны. Одновременно материал упорного кольца и сопрягаемых элементов определяет возможность обеспечения герметичности соединения мембраны с держателем.

В рассматриваемой конструкции использовались разнородные материалы:

• мембрана из мягкого никеля;
• более жесткий материал упорного кольца (нержавеющая сталь);
• материал держателя с промежуточными механическими характеристиками (нержавеющая сталь).

Такая комбинация материалов существенно осложняла обеспечение герметичности соединения. Для компенсации утечек применялись повышенные усилия затяжки фланцевых соединений и доработка конструкции контактных поверхностей. Однако даже после внесенных изменений требуемый уровень герметичности держателя, рассчитанного на давление, превышающее давление срабатывания мембраны и рабочие параметры системы, достигнут не был.

Дополнительной особенностью являлось наличие разрывающего элемента («язычка») в конструкции упорного кольца. Для обеспечения корректного разрушения мембраны данный элемент должен обладать определенными механическими характеристиками, прежде всего твердостью, что дополнительно ограничивает выбор материалов упорного кольца.

Полученные результаты показали, что применение мембран без разрывающего язычка могло бы быть более предпочтительным с точки зрения обеспечения герметичности и стабильности характеристик изделия, однако данное обстоятельство не являлось очевидным на начальном этапе проектирования.

Поиск альтернативных материалов и технологий обработки упорного кольца (термообработка, химическая обработка и др.) требует проведения дополнительных исследований со стороны изготовителя, поскольку механические характеристики листового проката существенно зависят от технологии изготовления и состояния материала.

Таким образом, выявленные в ходе проекта особенности работы мембран потребовали проведения дополнительного комплекса инженерных исследований со стороны заказчика, включая:

• прочностное моделирование;
• анализ свойств материалов;
• изучение нормативной и справочной литературы;
• повторный монтаж изделий;
• дополнительные испытания на герметичность и давление разрыва.

Несмотря на проведенную проработку, в ходе окончательных теплотехнических испытаний контейнера-цистерны были зафиксированы случаи срабатывания трех из четырех мембран при давлениях ниже установленного допуска.

Дополнительно на одной из мембран наблюдалось возникновение микротечи, сопровождавшееся постепенным перепуском рабочей среды без штатного разрушения мембраны. С инженерной точки зрения подобный режим представляет существенный риск, поскольку может приводить к изменению условий последующего срабатывания мембраны и снижению эффективности системы защиты.

Для анализа возможных причин наблюдаемых отклонений были дополнительно рассмотрены версии, связанные с влиянием гидродинамических и газодинамических процессов в системе, включая возможность возникновения локальных скачков давления. Проведенный инженерный анализ не подтвердил определяющего влияния газодинамических эффектов на процесс срабатывания мембран в рассматриваемой конфигурации.

Помимо рассмотренных выше вопросов, в ходе испытаний и эксплуатации были выявлены дополнительные факторы, способные оказывать влияние на характеристики мембран, однако не приведшие к критическим отказам системы в рассматриваемом проекте.

Бесфрагментарное срабатывание

Во всех проведенных испытаниях обеспечивалось бесфрагментарное разрушение мембран, соответствующее предъявляемым требованиям к данному типу изделий.

Технологический допуск производителя на давление разрыва

Технологический допуск изготовителя на давление разрыва в рассматриваемом проекте был принят равным нулю и подтверждался в ходе предварительных испытаний.

При этом следует учитывать, что наличие дополнительного технологического допуска со стороны изготовителя может оказывать существенное влияние на итоговое отклонение давления срабатывания, поскольку фактически суммируется с установленным нормативным допуском.

Проходное сечение мембран после разрыва

Одной из особенностей, выявленных в ходе испытаний, являлась изменчивость характера раскрытия мембран после разрушения.

Площадь проходного сечения определялась изготовителем расчетным путем и фиксировалась в документации без последующего экспериментального подтверждения. При этом в ходе испытаний наблюдалась различная степень раскрытия мембран даже при близких условиях срабатывания, что потенциально может приводить к изменению фактической пропускной способности.

Дополнительно установлено, что характер раскрытия мембран зависит:

• от температуры;
• объема за мембраной;
• условий нагружения;
• особенностей конкретной партии изделий.

Наиболее выраженные отличия наблюдались в криогенных условиях и при наличии замкнутых объемов за мембраной. На рисунке 3 представлены фотографии некоторых случаев некорректно сработавших изделий.

Для проведения испытаний по определению коэффициента K_RG были выбраны мембраны с близкой и практически максимальной степенью раскрытия. При случайном выборе образцов получение удовлетворительной сходимости результатов могло быть затруднено вследствие значительной вариации фактического проходного сечения после разрушения.

Влияние типа мембраны на особенности срабатывания

Результаты испытаний показали, что конструктивный тип мембраны может оказывать влияние на характер возникающих дефектов. В частности, на одной из мембран наблюдалось возникновение микротечи. Анализ литературы показывает, что для водородных сред вероятность подобных явлений может снижаться при отсутствии насечек со стороны рабочей среды. В рассматриваемом случае применялись мембраны с насечками с обеих сторон, что потенциально могло оказывать влияние на характер их работы.

Виброустойчивость и транспортное исполнение

Специальные исследования виброустойчивости мембран и влияния транспортных нагрузок в рамках настоящей работы не проводились. При оценке допустимости применения изделий учитывался имеющийся опыт эксплуатации аналогичных технических решений в сопоставимых транспортных системах.

Дополнительно в ходе реализации проекта возникали вопросы, связанные:

• с определением необходимого объема климатических испытаний;
• повторным подтверждением характеристик мембран после внесения конструктивных изменений;
• требованиями к содержанию и оформлению эксплуатационной документации со стороны классификационного органа;
• подтверждением характеристик применяемых материалов и наличием сертификатов.

Следует отметить, что финальная партия мембран, предназначенная для пополнения комплекта ЗИП и замены некорректно сработавших изделий, была изготовлена с измененной толщиной мембран для обоих типов изделий. С инженерной точки зрения подобные изменения конструкции требуют повторного подтверждения характеристик мембран, поскольку даже незначительное изменение геометрических параметров способно оказывать влияние на давление разрыва и особенности разрушения. При этом перед поставкой указанная партия мембран проходила только испытания на герметичность по отношению к внешней среде без повторного комплекса испытаний, выполненного для предыдущих вариантов изделий.

Основные этапы доработки конструкции мембран и сопутствующих элементов приведены в таблице 1.

Таблица 1

Этапы доработок изделий

Объект доработки	Исходное исполнение	Модифицированное исполнение	Комментарий
Соединение мембраны с упорным кольцом	Точечная сварка посередине упорного кольца	Механические загибы из мембраны в упорное кольцо	Точечная сварка находилась в зоне уплотнения держателя. Локальное упрочнение материала после сварки ухудшало герметичность соединения
Соединение мембраны с упорным кольцом	Механические загибы из мембраны в упорное кольцо	Аккуратная точечная сварка на внешней кромке упорного кольца	Сварка выведена из зоны, обеспечивающей герметичность
Конструкция контактных поверхностей держателя	Гладкое сплошное кольцо по всей поверхности контакта с упорным кольцом	Два тонкостенных «зуба» которые значительно деформируют материал и обеспечивают герметичность	Причины – невозможность герметизации сборки. Последствия – повышенный момент затяжки шпилек
Момент затяжки шпилек	198 Н·м	120 Н·м	Вместе с доработкой по предыдущему пункту удалось снизить момент затяжки с тем, чтобы уменьшить текучесть материала шпилек со временем
Толщина материала мембраны	0,25 мм (мембрана низкого давления) и 0,35 мм (мембрана высокого давления)	0,3 мм (мембраны и низкого и высокого давления)	В самом конце работы, ввиду отсутствия сертификатов на материал произведена новая партия из нового материала

 

Выводы

В ходе реализации проекта и проведения испытаний разрывных мембран в составе криогенной водородной системы были выявлены особенности их работы, оказывающие существенное влияние на надежность системы защиты.

Установлено, что фактическое давление разрыва мембран в криогенных условиях может существенно отличаться от номинальных значений, и демонстрирует значительный разброс, не всегда описываемый только температурной зависимостью механических свойств материала.

Выявлено явление микротечи при длительном воздействии давления выше рабочего, но ниже минимального давления срабатывания. Полученные результаты показывают, что подобный режим способен влиять на механизм последующего разрушения мембраны и, как следствие, на критические требования безопасности.

Показано, что характеристики мембран существенно зависят не только от конструкции самого изделия, но и от следующих факторов:

• компоновки системы;
• наличия замкнутых объемов;
• условий монтажа;
• материалов держателя и упорных элементов;
• температурных условий эксплуатации.

Полученные результаты также показали, что существующие нормативные требования не в полной мере охватывают особенности эксплуатации мембран в криогенных водородных системах, включая:

• влияние микротечей;
• изменение характеристик при криогенных температурах;
• влияние компоновки системы безопасности;
• особенности работы при наличии замкнутых объемов и обратных перепадов давления.

В связи с этим применение мембран в составе криогенных водородных систем требует проведения дополнительных испытаний и экспериментального подтверждения характеристик изделий в условиях, максимально приближенных к реальной эксплуатации.

Обязательные требования нормативной документации (если это заявлено) требуют тщательной проверки и анализа, т.к. зачастую не выполняются либо игнорируются.

 

Список литературы

1. ISO 4126-6-2014 Safety devices for protection against excessive pressure — Part 6: Application, selection and installation of bursting disc safety devices
2. ГОСТ Р 59374.6-2021 Устройства предохранительные для защиты от избыточного давления. Часть 6. Применение, выбор и установка предохранительных устройств с разрывной мембраной. (ISO 4126-6:2014, MOD)
3. ASME BPVC 2023 Section XIII Кодекс ASME Rules for overpressure protection.
4. ISO 4126-3-2020 Safety devices for protection against excessive pressure —Part 3: Safety valves and bursting disc safety devices in combination.
5. ISO 21013-2:2007 Cryogenic vessels — Pressure-relief accessories for cryogenic service — Part 2: Non-reclosable pressure-relief devices.
6. ISO 20421-1:2019 Криогенные сосуды. Большие транспортируемые сосуды с вакуумной изоляцией. Часть 1. Проектирование, производство, инспекции и испытания.
7. ISO 4126-2-2018 Safety devices for protection against excessive pressure — Part 2: Bursting disc safety devices.
8. ASME BPVC 2019 Section VIII Кодекс ASME Rules for construction of Pressure Vessels. Division 1.
9. ISO 11114-1 1997 Transportable gas cylinders — Compatibility of cylinder and valve materials with gas contents — Part 1: Metallic materials
10. NSS 1740.16 Safety standard for hydrogen
11. СGA S-1.2-2019 Pressure relief device standards—part 2— portable containers for compressed gases.
12. http://bsbsystems.cn/Rupture_Disks/Forward_Acting_Disks/solid_metal_rupture_disk_77-2003.html
13. РТМ 26-04-42-87 Стали для криогенной техники. Физико-механические свойства и параметры применения.