大容積全纏繞高壓儲氫容器的加工工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于大容量高壓儲氣設(shè)備的領(lǐng)域，具體涉及一種大容積全纏繞高壓儲氫容器的加工工藝，容積大于500L，承壓高于87.5MPa。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，特別是氫能源技術(shù)的突破，用于儲運氫氣的大容積容器的需求量隨之增加。氫氣的液化溫度較低(-252.8°C)，因此實現(xiàn)儲存與運輸，最簡單、實用和經(jīng)濟的方法仍然是采用大容量和提高耐壓能力的高壓、常溫氣態(tài)運輸；由于制造技術(shù)上的難度，大容量高壓儲氫氣瓶項目被列入863高科技追蹤計劃之中。
[0003]高壓金屬材料性能在目前的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中限定為70MPa。為保證安全，容器的直徑、管壁厚、容積均設(shè)置了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，是這類容器的特點。任何指標(biāo)的突破均會引起一系列的重大變化，直徑小、管壁厚、容積難以突破，是這類容器的特點。
[0004]目前，隨著復(fù)合材料技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，借助復(fù)合條件下的強化手段提高產(chǎn)品氣瓶的容重比和承壓能力有了希望。眾多領(lǐng)域內(nèi)已廣泛使用復(fù)合強化工藝，完全可以用來強化金屬無縫內(nèi)膽的承壓能力和加大容積。按一定實驗決定的特別技術(shù)手段和規(guī)律來復(fù)合纏繞高強度纖維與高性能增強樹脂形成復(fù)合材料層成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點。
[0005]纏繞復(fù)合鋁合金內(nèi)膽已經(jīng)進入應(yīng)用階段。但應(yīng)用實踐僅限于小容積，一般在120L以下，承壓能力低，一般20?35MPa。這遠遠不能滿足大規(guī)模儲氫、運輸、使用的需求。提高容器的儲氫能力，要通過加大儲氫容器的容積，又要提高儲氫容器的承壓能力。而上述兩個方面的提高，不是增大容器容積的尺寸后、用增加器壁厚度即可以解決的。因為加大無縫管壁厚首先遭遇的瓶頸技術(shù)即是厚壁管的乳制技術(shù)中均質(zhì)的問題。另由于儲氫容器的密封性能、自重以及纏繞時的瓶身結(jié)構(gòu)對大容積和高壓力形成諸多制約因素。壓力越大，對密封性能要求越高，相關(guān)的失效點變換與纏繞方式產(chǎn)生相當(dāng)大的關(guān)聯(lián)性；內(nèi)膽加厚管壁與旋壓過程中瓶肩和瓶身處的工藝處理及材料的力學(xué)性能變化、纏繞層的結(jié)構(gòu)和厚度設(shè)計、以及纏繞層厚度與瓶身結(jié)構(gòu)等多種因素之間相互制約。例如，對于內(nèi)膽旋壓而言，由于工作壓力大，瓶頸內(nèi)螺紋剪切應(yīng)力大，螺紋長，所以瓶頸的直邊長度一般不小于80mm的特點，且要求壁厚較厚，相比常規(guī)高壓氣瓶產(chǎn)品，對旋壓工藝提出了更苛刻的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種大容量高壓儲氫鋼內(nèi)膽的旋壓工藝，其通過控制旋壓的工藝參數(shù)，實現(xiàn)對大容積、厚壁、長端口的鋼內(nèi)膽旋壓，借助于在鋼內(nèi)膽的瓶身、瓶肩、瓶口處全方位高強纖維纏繞強化，使儲氫容器工作壓力可達90MPa，容積達到500L以上。
[0007 ]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
一種大容積全纏繞高壓儲氫容器的加工工藝，包括內(nèi)膽旋壓、均質(zhì)處理、纏繞固化復(fù)合增強殼層在內(nèi)的工藝步驟，具體的工藝參數(shù)包括: ①選用壁厚為15?25mm、設(shè)計水容積不小于550L的優(yōu)質(zhì)鉻鉬鋼熱乳成型的無縫鋼管為基材；
②按照下述工藝參數(shù)對合格的基材進行雙端縮口加工內(nèi)膽:
2.1、將基材的收口段加熱到100?1180 °C；
2.2、旋壓封頭和聚料頭:對所述收口段進行補熱，用旋壓機主軸卡爪夾緊無縫鋼管坯料外壁，并以180?220r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，同時將旋輪的工作面靠近無縫鋼管坯料收口段外壁、對其進行7?8道次半球形旋壓;每道次中，模座沿?zé)o縫鋼管坯料軸向進給后，旋輪臂帶動旋輪按照圓弧軌跡從無縫鋼管坯料軸線垂直位置起始、以0.10?0.14rad/s的速度擺動設(shè)計角度，再按照相同的軌跡以0.25-0.35rad/s的轉(zhuǎn)速回位;其中，第I?3道次旋輪臂擺動的角度為45?55°，其后各道次中，旋輪臂擺動的角度依次增加4?8°，最后一次擺動的角度為60?82°，形成半球形封頭圓滑外延一聚料頭的結(jié)構(gòu)；
2.3、聚料頭增厚:繼續(xù)補熱使收口段溫度保持在950?1180V，旋輪臂帶動旋輪按照圓弧軌跡以0.1O?0.14rad/s的速度進行5?6道次旋壓，每道次步進量與收口段壁厚的比值為
0.74-0.52:1，聚料頭的壁厚逐次增加為無縫鋼管坯料壁厚的1.3?2.5倍；
2.4、將旋輪臂首先擺動0.1?0.5rad，然后模座沿?zé)o縫鋼管坯料軸線方向的進給、同時旋輪臂帶動旋輪擺動旋壓，經(jīng)2?3道次形成橢球形瓶肩圓滑外延一直段瓶頸的結(jié)構(gòu)；
2.5、將步驟2.4中的瓶頸平頭、磨削去除瓶肩內(nèi)外壁上可能出現(xiàn)的褶皺、拋丸處理；
③內(nèi)膽熱處理:將內(nèi)膽加熱至935?965°C，保溫時間60?10min后出爐淬火，完成淬火后立即進行回火處理，回火加熱溫度為620?690 °C，保溫時間40?80min，出爐后在空氣中自然冷卻；
④對瓶頸內(nèi)、外壁分別加工螺紋，然后進行二次拋丸處理；
⑤在內(nèi)膽的瓶頸、瓶肩和瓶身纏繞固化纖維增強殼層；
⑥纏繞容器固化后進行自緊、水壓試驗，外表面進行噴漆處理，進行充氮保護，保壓0.1_0.2MPaο
[0008]所述大容積厚壁高壓儲氫鋼內(nèi)膽的容積大于500L、壁厚大于15mm，為了保證較高的充氫效率，瓶頸內(nèi)徑不小于50mm;為了承載較高的壓力，要求瓶頸內(nèi)螺紋剪切應(yīng)力大，因此需要螺紋長，長度不小于80mm、厚度不小于20mm，但是瓶頸的長度和厚度又受到旋壓工藝的限制。上述技術(shù)方案中，經(jīng)過多道次、步進量及進給速度的控制，首先形成了聚料頭，然后經(jīng)過5?6道次的壁厚增加及瓶頸延長的處理，形成了大容積厚壁的高壓鋼內(nèi)膽。熱處理工藝對鋼內(nèi)膽的均質(zhì)也具有重要的作用，決定了鋼內(nèi)膽的力學(xué)性能，上述技術(shù)方案中通過退火和回火的特殊處理，顯微組織為回火索式體結(jié)構(gòu)，抗拉強度在750?760MPa、屈服強度620?640MPa，硬度在 235HB。
[0009]采用上述技術(shù)方案產(chǎn)生的有益效果在于:(1)采用本發(fā)明的成功旋壓了一種大容積、壁厚的鋼內(nèi)膽，經(jīng)過檢測表明:內(nèi)、外壁未發(fā)現(xiàn)明顯脫碳層;儲氫容器進行水壓試驗，在256Mpa發(fā)生爆破，爆破發(fā)生在容器的中部，內(nèi)膽斷口呈現(xiàn)45°剪切唇形貌，爆口兩側(cè)呈對稱倒“V”字型，爆破后，容器一端纖維層脫落，但無內(nèi)膽碎片產(chǎn)生，表明旋壓的瓶頸和瓶肩符合技術(shù)要求。(2)在纏繞結(jié)構(gòu)的設(shè)計與鋼質(zhì)旋壓氣瓶的壁厚之間相互彌補，使內(nèi)膽壁厚與纏繞層的結(jié)構(gòu)和厚度設(shè)計達到優(yōu)化。
【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明儲氫容器的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是鋼內(nèi)膽端部剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是瓶頸端面的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是鋼內(nèi)膽端部解剖的圖片；
圖5是本發(fā)明鋼內(nèi)膽水壓爆破試驗后的圖片；
圖6是本發(fā)明儲氫容器水壓爆破試驗后的圖片；
圖7是圖1中A處的放大結(jié)構(gòu)示意圖；
圖8是左、右端口強化復(fù)合層和左、右瓶肩強化復(fù)合層的制作示意圖；
圖9是瓶肩強化復(fù)合層的制作效果圖；
圖10是瓶身強化復(fù)合層的制作示意圖；
其中，1、端塞，2-1、瓶身，2-2、瓶肩，2-3、瓶頸，3-1、玻璃纖維隔離層，3-2-1是左端口強力復(fù)合層，3-2-2是右端口強力復(fù)合層，3-2-3是變向方位槽，3-2-4是左瓶肩強化復(fù)合層，3-2-5是右瓶肩強化復(fù)合層，3-2-6是瓶身強化復(fù)合層，3-3、玻璃纖維保護層。
【具體實施方式】
[0011 ] 參見圖1?圖3，本發(fā)明主要包括兩部分:旋壓鋼內(nèi)膽和纏繞固化在旋壓鋼內(nèi)膽外壁上的強化復(fù)合殼層。本實施例中鋼內(nèi)膽材料選用鉻鉬鋼4130X，該種材料具有強度高，韌性好，耐氫脆性能，為國內(nèi)外充裝天然氣和氫氣的成熟鋼材。鋼內(nèi)膽的結(jié)構(gòu)為兩端熱旋壓收口中間筒形的型式;考慮到全纏繞結(jié)構(gòu)，瓶肩2-2為橢球型或碟型，通過熱旋壓圓滑過渡到瓶頸2-3部分;瓶頸2-3管口加工有內(nèi)、外螺紋，內(nèi)螺紋用于與端塞I封堵連接，外螺紋用于固定限位纏繞層。因全纏繞結(jié)構(gòu)纏繞層厚度較大，纏繞用連接工裝只能借用瓶頸2-3內(nèi)螺紋，為保證纏繞過程中有效固定，在瓶頸2-3端部外緣設(shè)計成六方結(jié)構(gòu)的限位臺2-3-1。
[0012]強化復(fù)合殼層所述由內(nèi)至外依次包括2?6mm玻璃纖維隔離層3-1、40?80mm碳纖維強力層3-2和2?6mm玻璃纖維保護層3-3。因內(nèi)膽為鋼內(nèi)膽，碳纖維強力層3-2為碳纖維/環(huán)氧樹脂，為避免二者之間產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，同時實現(xiàn)外部碳纖維層的保護，在碳纖維結(jié)構(gòu)層的內(nèi)外兩側(cè)增加玻璃纖維隔離層3-1和玻璃纖維保護層3-3;另外，碳纖維材料雖然有較高的強度，但耐沖擊性能較弱，在工藝設(shè)計時增加玻璃纖維保護層。
[0013]本實施例中以直徑為559_、長度為3200mm的無縫鋼管為例，詳細介紹大容量