一種大容量鋼內(nèi)膽全纏繞高壓儲(chǔ)氫容器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于大容量高壓儲(chǔ)氣設(shè)備的領(lǐng)域，具體涉及一種大容量鋼內(nèi)膽全纏繞高壓儲(chǔ)氫容器，設(shè)計(jì)壓力可達(dá)lOOMPa，容積達(dá)到500L以上。
【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(chǔ)運(yùn)氫氣的大容積容器的需求量隨之增加。由于氫氣的液化溫度較低(-252.8°C)，液化的功耗很大。最簡(jiǎn)單、實(shí)用和經(jīng)濟(jì)的氫氣儲(chǔ)運(yùn)方法是氣態(tài)高壓運(yùn)輸。
[0003]由于金屬材料性能的限制，70MPa以上鋼制超高壓容器的研制受到限制，直徑小、管壁厚、容積難以突破，是這類容器的特點(diǎn)。隨著復(fù)合材料技術(shù)的普遍應(yīng)用，為了提高氣瓶的容重比和承壓能力，本領(lǐng)域內(nèi)已廣泛使用纖維纏繞氣瓶，其方案是在金屬無(wú)縫內(nèi)膽外壁按一定的規(guī)律纏繞高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)樹脂基體并將其固化形成強(qiáng)化復(fù)合殼層。
[0004]現(xiàn)階段，儲(chǔ)氫容器的結(jié)構(gòu)一般采用碳纖維纏繞鋁合金內(nèi)膽，但是其容積較小，一般在120L以下，承壓能力在20~35MPa，不適用大規(guī)模儲(chǔ)氫、運(yùn)輸使用。提高容器的儲(chǔ)氫能力，一方面可以通過提高儲(chǔ)氫容器的容積，另一方面可以增大儲(chǔ)氫容器的承壓能力。而上述兩個(gè)方面的提高，不是僅僅增大容器容積、增加壁厚即可解決，因?yàn)閮?chǔ)氫容器的密封性能、自重以及纏繞時(shí)的瓶體結(jié)構(gòu)對(duì)大容積和高壓力形成諸多制約因素。如壓力越大，對(duì)密封性能要求越高；內(nèi)膽壁厚與自重形成相互制約，而且內(nèi)膽壁厚與纏繞層的結(jié)構(gòu)和厚度設(shè)計(jì)也相互影響；纏繞層的厚度也不是無(wú)限制增厚的，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也受制于瓶體的結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種大容量鋼內(nèi)膽全纏繞高壓儲(chǔ)氫容器，其通過旋壓制備無(wú)縫鋼內(nèi)膽、并設(shè)置了三層結(jié)構(gòu)纏繞層和端部密封的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)壓力可達(dá)lOOMPa，容積達(dá)到500L以上。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是:
[0007]包括鋼質(zhì)旋壓氣瓶和纏繞固化在鋼質(zhì)旋壓氣瓶外壁上的強(qiáng)化復(fù)合殼層，所述鋼質(zhì)旋壓氣瓶的水容積不小于500L、壁厚不小于15mm，瓶頸的內(nèi)徑不小于50mm、長(zhǎng)度不小于80mm、壁厚是瓶身壁厚的1.3-2.5倍。
[0008]優(yōu)選的，鋼質(zhì)旋壓氣瓶的瓶肩為橢球面或蝶形曲面，瓶身與瓶肩之間圓弧過渡，過渡圓弧α的弧度為0.1~0.4。過渡圓弧的設(shè)計(jì)一方面降低了旋壓的難度，減少旋壓段內(nèi)部褶皺、降低應(yīng)力集中，另一方面增強(qiáng)了鋼質(zhì)旋壓氣瓶軸向承壓力。
[0009]所述瓶身的外徑為500~600mm、厚度為15~25mm，瓶頸的內(nèi)徑為50~150mm、長(zhǎng)度為80~125mm、厚度為 20~60_。
[0010]所述瓶頸的內(nèi)外壁均設(shè)置螺紋、端面設(shè)置1~3道密封溝槽。對(duì)于工作壓力較高的儲(chǔ)氫容器，密封性能要求很高，通常需要設(shè)置2道以上的密封溝槽。
[0011]所述瓶頸的端面外緣設(shè)置多邊形的限位臺(tái)、形成鋼質(zhì)旋壓氣瓶的旋壓限位結(jié)構(gòu)。
[0012]所述強(qiáng)化復(fù)合殼層由內(nèi)至外依次包括2~6mm玻璃纖維隔離層、40~80mm碳纖維增強(qiáng)層和2~6mm玻璃纖維保護(hù)層。
[0013]所述鋼質(zhì)旋壓氣瓶設(shè)置與瓶頸螺紋配合的端塞，端塞的端面或/和環(huán)塞柱上部設(shè)置1~3道密封溝槽。
[0014]上述技術(shù)方案中，大容量鋼內(nèi)膽全纏繞高壓儲(chǔ)氫容器的容積大于500L，為了保證向氣瓶?jī)?nèi)充氫的效率，需要瓶頸的內(nèi)徑不小于50_;而較高的承載壓力要求瓶口的承壓較大，因此對(duì)瓶頸長(zhǎng)度和厚度設(shè)置要求較高，但是瓶頸的長(zhǎng)度和厚度又受到旋壓工藝的限制，上述技術(shù)方案經(jīng)過申請(qǐng)人大量創(chuàng)造性勞動(dòng)，成功研制了大容量、高壓儲(chǔ)氫容器，突破了現(xiàn)有技術(shù)中儲(chǔ)氫容器的容量和壓力限制。
[0015]采用上述技術(shù)方案產(chǎn)生的有益效果在于:(1)本實(shí)用新型中鋼內(nèi)膽的瓶頸直徑不小于50mm、長(zhǎng)度不小于80mm，借助螺紋和密封結(jié)構(gòu)能夠承受大于90MPa的壓力、并形成穩(wěn)定的密封，采用本實(shí)用新型不僅容積提高至580L以上，且存儲(chǔ)壓力大大提高，為氫氣的大規(guī)模儲(chǔ)運(yùn)提供了硬件保障；(2)本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過無(wú)數(shù)試驗(yàn)，在纏繞結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與鋼質(zhì)旋壓氣瓶的壁厚之間相互彌補(bǔ)，使內(nèi)膽壁厚與纏繞層的結(jié)構(gòu)和厚度設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)化；
(3)在進(jìn)一步改進(jìn)的方案中，瓶頸長(zhǎng)度為100~120mm，一方面加長(zhǎng)了瓶頸內(nèi)部螺紋長(zhǎng)度，使端塞與瓶頸的配合能夠承受高于lOOMPa的高壓，另一方面可保證纏繞層在容器封頭纏繞時(shí)根部纏繞層的有效堆積，達(dá)到設(shè)計(jì)要求；并設(shè)置2~3道密封槽密封，防止高壓氫氣泄漏引發(fā)安全事故。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是本實(shí)用新型的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2是圖1中鋼質(zhì)旋壓氣瓶的局部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖3是圖2中瓶頸端面的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]其中，1、端塞，2-1、瓶身，2-2、瓶肩，2-3、瓶頸，2-3-1、限位臺(tái)，2-3-2、密封溝槽，3-1、玻璃纖維隔離層，3-2、碳纖維增強(qiáng)層，3-3、玻璃纖維保護(hù)層。
【具體實(shí)施方式】
[0020]參見圖1~圖3，本實(shí)用新型中大容量鋼內(nèi)膽全纏繞高壓儲(chǔ)氫容器，包括鋼質(zhì)旋壓氣瓶和纏繞固化在鋼質(zhì)旋壓氣瓶外壁上的強(qiáng)化復(fù)合殼層，所述鋼質(zhì)旋壓氣瓶的水容積不小于500L、壁厚不小于15mm，瓶頸2_3的內(nèi)徑不小于50mm、長(zhǎng)度不小于80mm、壁厚是瓶身2_1壁厚的1.3~2.5倍。本實(shí)施例的一個(gè)重要突破是儲(chǔ)氫容器的壓力和容積都大大提高。鋼質(zhì)旋壓氣瓶的水容積較大，為了保障要求充氫效率，要求瓶頸的內(nèi)徑不小于50mm ;儲(chǔ)氫壓力較大，螺紋配合的剪切力較大，經(jīng)過大量試驗(yàn)證明瓶頸的長(zhǎng)度不能小于80mm ;瓶頸壁厚一方面關(guān)系到承載壓力，另一方面較厚的瓶頸也有利于設(shè)置多道密封。但是瓶頸長(zhǎng)度和厚度不是隨意增長(zhǎng)和增厚的，受旋壓工藝的限制，壁厚越大、頸長(zhǎng)越長(zhǎng)對(duì)旋壓的工藝越高。本實(shí)用新型經(jīng)過大量的實(shí)踐試驗(yàn)，成功研制了能夠承壓lOOMPa的大容積儲(chǔ)氫容器。
[0021]鋼質(zhì)旋壓氣瓶的瓶肩2-2為橢球面或蝶形曲面，瓶身2-1與瓶肩2-2之間圓弧過渡，過渡圓弧α的弧度為0.1~0.4。橢球面或蝶形曲面有利于纖維纏繞時(shí)掛料，防止纖維滑脫，圓弧過渡一方面有利于旋壓工藝，另一方面有利于承載軸向壓力，過渡圓弧的弧度優(yōu)選 0.2-0.3ο
[0022]500L的儲(chǔ)氫容器，所述瓶身2-1的外徑優(yōu)選為500~600mm、厚度為15~25mm，瓶頸2-3的內(nèi)徑優(yōu)選為50~150mm、長(zhǎng)度為80~125mm、厚度為20~60mm。
[0023]所述瓶頸2-3的內(nèi)外壁均設(shè)置螺紋、端面設(shè)置1~3道密封溝槽2-3-2。內(nèi)螺紋用于與端塞連接，外螺紋可有效防止纏繞在瓶頸上的纖維滑脫，形成穩(wěn)定的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。
[0024]所述瓶頸2-3的端面外緣設(shè)置多邊形的限位臺(tái)2-3-1、形成鋼質(zhì)旋壓氣瓶的旋壓限位結(jié)構(gòu)。當(dāng)在纏繞時(shí)，將纏繞定位的工件借助螺紋與鋼質(zhì)旋壓氣瓶的內(nèi)徑連接，并在纏繞定位工件上設(shè)有與限位臺(tái)2-3-1匹配的定位套，防止鋼質(zhì)旋壓氣瓶在纏繞工藝中發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，影響纏繞效果。
[0025]所述強(qiáng)化復(fù)合殼層由內(nèi)至外依次包括2~6mm玻璃纖維隔離層3_1、40~80mm碳纖維增強(qiáng)層3-2和2~6mm玻璃纖維保護(hù)層3_3。碳纖維強(qiáng)度高，玻璃纖維隔離層用于隔離鋼質(zhì)內(nèi)膽與碳纖維，防止內(nèi)膽與碳纖維之間發(fā)生電化學(xué)腐蝕。
[0026]所述鋼質(zhì)旋壓氣瓶設(shè)置與瓶頸2-3螺紋配合的端塞1，端塞1的端面或/和環(huán)塞柱上部設(shè)置1~3道密封溝槽。關(guān)于端面密封，既可以在瓶頸端面上設(shè)置密封溝槽