CN104841790A - 制造用于储氢的无缝压力容器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造用于储氢的无缝压力容器的方法以及由该方法制造的压力容器，其中通过旋压成形工艺将由多层复合金属板材构成的圆形或管状工件形成为无缝中空体，其中无缝中空体将作为半成品被进一步加工成无缝压力容器，其中多层复合金属板材包括由钢材料优选碳钢制成的承载层以及耐氢脆的屏蔽层，其中所述工件以下述的方式被形成，即屏蔽层作为压力容器的内层，并且其中有关屏蔽层的厚度以下述方式选择或制造多层复合金属板材或工件，即在工件的旋压成形期间，屏蔽层作为整体区域的不简单层被保留。根据本发明的压力容器能够经受非常高的内部压力与压力波动和(低)温度与温度波动以及来自外部的机械负荷，并能耐氢脆且相对轻量和成本合理。

Description

制造用于储氢的无缝压力容器的方法
技术领域
本发明涉及一种制造用于储氢的无缝压力容器的方法以及由该方法制造的压力容器。
背景技术
为了可以高效利用作为能源载体的氢，气体的适当存储是重要的。这需要成本合理、适于量产的轻量容器，其一方面特别地能承受高压和压力波动以及(低)温度和温度波动，另一方面应避免氢气发生反应。此外，压力容器(也被称作加压气体容器)必须可靠承受外部机械负荷。
为了可以高效利用作为能源的氢，需要将大量气体存储在很小的空间内。存储气体所需空间的最小化同时显著增加了内部压力。内部压力的增加以及相关的大压力波动显著增加了对压力容器机械稳定性的要求。
从外部对压力容器的机械损坏是非常危险的，因此必须确保完全避免。压力容器在此方面的要求也相应增加，特别是考虑到内部压力的增加。此外，还应当可以省去复杂的安全壳，其经常是防止例如由事故(撞车)或轰击所引起的损害所需要的。
未涂覆的钢材料的微观结构可以被氢的渗透而不利改变。在此方面，特别地存在术语氢脆。通过负荷的交替变化，例如氢气罐中内部压力的大波动，这可能导致更大程度的材料失效。通过传统表面涂覆的保护，例如涂漆或通过例如镀锌的金属覆盖，不能永久防止氢攻击碳钢或低合金钢的微观结构。
现有技术中已知由多层结构来制造储氢的容器，具体而言，通过由高等级合金钢制成的内层和碳钢或低合金钢制成的外层来制造容器(参见JP61-123496A)
此外，已知借助旋压成形机由圆形金属板件来制造加压气体容器(参见DE102006039656B4)。为此目的，使用了诸如碳钢、CrNi钢或(在低压下)铝的“单体”材料。
发明内容
基于此背景，本发明的目的在于设计一种制造用于储氢的无缝压力容器的方法，通过该方法可以以合理成本制造轻量压力容器，其能承受非常高的内部压力和压力波动以及(低)温度和温度波动，并且还能承受来自外部的高机械负荷，此外还能耐氢脆。
上述目的是通过具有如权利要求1所述技术特征的方法来实现的。根据本发明方法的优选或有利实施例在从属权利要求中进行了规定。
根据本发明，通过利用旋压成形(flow forming)工艺将由多层复合金属板材构成的圆形或管状工件成形为无缝中空体，无缝中空体作为半成品将被进一步加工成无缝压力容器，进而来制造用于储氢的无缝压力容器，其中多层复合金属板材包括由钢材料制成的承载层(优选为碳钢)以及耐氢脆的屏蔽层。在该过程中，工件以下述的方式被形成，即屏蔽层作为压力容器的内层。此外，根据本发明就屏蔽层的厚度以下述方式选择或制造多层复合金属板材或工件，即在工件的旋压成形期间，屏蔽层被保留为整体的不间断层。
通过采用根据本发明的方法，可以合理成本制造用于储氢的无缝压力容器，其具有相对轻的重量，并且能承受非常高的内部压力和压力波动以及来自外部的高机械负荷，此外还耐氢脆。
例如通过热辊包覆，可以制造执行根据本发明的方法所使用的金属的多层复合金属板材。例如CrNi钢可以用于屏蔽层(氢阻挡层)，其耐氢脆并且用作压力容器的内层。
根据本发明的方法的优选实施例提出，多层复合金属板材的承载层由可硬化钢材料优选由可硬化碳钢材料构成，并且半成品被加热并且随后通过冷却液淬火而被硬化。可硬化钢材料的使用以及对其的硬化增加了压力容器对外部机械负荷的耐受力。如果条件适当，压力容器的硬化使得可以实现将要通过旋压成形工艺成形的多层复合金属板材的承载层厚度的减小，并且进而减小如此制造的压力容器的重量。
在本上下文中，下述做法也在根据本发明方法的范围内，即硬化的半成品被热处理(如果适合的话)以便设置相对低的硬度。该热处理涉及术语回火。在仅仅淬火状态，钢偶尔是非常硬且脆的，并且不总是适用于这里的用途。通过可选地对硬化碳钢材料的回火，其硬度可以降低，并且可以设置钢的期望使用特性，特别是拉伸强度、延展性和硬度。回火温度越高，硬度越低并且延展性越高。例如，回火温度在100-600℃，特别地在100-350℃。
优选地，通过旋压成形获得的中空体形式的半成品可以用例如由碳、玻璃、玄武岩和/或芳纶构成的增强纤维包封，从而进行增强。半成品可以用编织的增强纤维包封。对使用了增强纤维增强压力容器的更有利方式是用热固性和/或可热固化的塑料(合成树脂)预浸渍或干化。例如，根据本发明方法的另一实施例，由增强纤维制成用于此目的的预浸渍织物特别是编织物、席垫(mat)、针织物、网状物、粗纱、带(特别是条带)或非编织物。然而，作为替代，卷绕半成品的至少一个无尽头纤维(粗纱)或织物也可以用于增强目的，其中无尽头纤维或织物事先通过包含可热固化合成树脂的浸渍池。然而，作为替代，不是喷射而是嵌在塑料基质中的“干”增强纤维被用于包封压力容器。所有这些根据本发明方法的变体可以实现压力容器的中空体形式半成品的可靠以及可重复地增强。
根据本发明方法的另一优选实施例的特征在于，半成品用热固性和/或可热固化的塑料(合成树脂)包封(涂覆)，并且经受相对于环境压力升高的内部压力，其中塑料在保持内部压力的同时被固结，内部压力在塑料已被固结之后被释放，从而在由半成品制造的压力容器中产生持久的弹性预应力。该持久的预应力在压力容器的后续工作期间允许更高的内部压力。
关于上述半成品或压力容器的增强和校准，根据本发明方法的优选实施例的特征在于，半成品被引入可闭合的铸造模具中，其中增强纤维用热固性塑料预渗透。用经预渗透的增强纤维包封的半成品随后在铸造模具中通过液压成形经受超过500bar的内部压力，优选高于1000bar，从而塑料浸渍增强纤维并且半成品在塑性状态下被成形(校准)为压力容器的最终几何形状。内部压力只有在塑料已经固结之后才被释放，从而在压力容器中产生持久的弹性预应力。该持久的预应力在压力容器的后续工作期间允许更高的内部压力。
根据本发明方法的另一有利变体的特征在于，用热固性塑料预浸渍的增强纤维被用作增强纤维。用预浸渍增强纤维包封的半成品随后又通过液压成形经受超过500bar优选超过1000bar的内部压力，从而半成品在塑性状态下被成形(校准)为压力容器的最终几何形状。在与前述方法实施例相对应的方式下，在本变体中内部压力也是在塑料已经固结之后才被释放，从而在压力容器中产生持久的弹性预应力。
根据本发明方法的另一有利变体的特征在于，用增强纤维包封的半成品被引入可闭合铸造模具中，其中半成品经受最高200bar的内部压力，其中在保持内部压力的同时增强纤维被热固性塑料渗透，并且其中内部压力在塑料已经固结之后被释放，从而在压力容器中产生持久的弹性预应力。
根据本发明方法的另一有利变体的特征在于，用热固性和/或可热固化的塑料预浸渍的增强纤维被用做增强纤维，并且用该增强纤维包封的半成品被引入模具中，其中半成品经受最高200bar的内部压力，并且塑料通过加热被固化。同样在该变体中，内部压力在塑料已经固结之后被释放，从而在压力容器中产生持久的弹性预应力。
附图说明
在下文中，将结合示出了多个示例性实施例的附图更为详细地说明本发明，附图中：
图1示出了根据本发明方法的第一示例的工作步骤序列；
图2示出了根据本发明方法的第二示例的工作步骤序列；
图3示出了根据本发明方法的第三示例的工作步骤序列；以及
图4示出了根据本发明方法的第四示例的工作步骤序列。
具体实施方式
图1中示出的根据本发明方法的示例性实施例用于金属的多层复合金属板材的制造或使用，其中多层复合金属板材包括由钢材料优选由碳钢制成的至少一个承载层以及例如由CrNi钢制成且耐氢脆的至少一个屏蔽层(氢阻挡层)。多层复合金属板材例如通过热辊包覆制造。
圆坯或管状部分由该多层复合金属板材制成。圆坯由多层复合金属板材通过切割和/或冲压制造。管状部分可以由多层复合金属板材通过成型一个管并且将后者切割成多个管状部分来制造。
圆坯或管状部分随后通过旋压成形方法被成形为中空体形式的半成品，其中屏蔽层(氢阻挡层)也被变形和延展，但未断裂，从而屏蔽特性得以保持。相应中空体形式的半成品实质上具有类似瓶子的形状。其已经很大程度上或者近似具有要生产的压力容器的形状。
在下一工作步骤，中空体形式的半成品被增强，并且为此目的用增强纤维进行包封。增强纤维例如由碳、玻璃、玄武岩和/或芳纶纤维构成。半成品可以例如通过编织的方式由增强纤维包封。
然后，用增强纤维包封的半成品被引入组合式RTM/液压成形模具中。这涉及用于执行树脂注入方法(树脂传递模塑＝RTM)的可闭合铸造模具，该模具以这样的方式形成，即包封的半成品在其中通过液压成形即通过液体或气体施加内部压力的方式而被校准。
在内部压力施加在半成品中之前，封绕半成品的增强纤维首先用热固性合成树脂进行预渗透。然后，施加超过500bar优选超过1000bar的内部压力。结果，半成品在塑性状态下成形为要制造的压力容器的最终几何形状，并且经预渗透的增强纤维作为基质材料同时被合成树脂完全渗透。半成品成形为要制造的压力容器的最终几何形状还包括形状的一定比例弹性变化(预应力)。只有在基质材料(合成树脂)已经固结之后才释放内部压力(之后是支持压力的形式)，而该预应力得以保留。
如图2所示的根据本发明方法的示例性实施例与图1所示示例性实施例的不同之处在于，在由多层复合金属板材制成的圆坯或相应的管状部分进行旋压成形操作以及用增强纤维包封中空体形式的半成品之间，对半成品进行热处理。热处理包括对中空体形式的半成品的硬化。硬化通过加热以及快速冷却热的半成品来实现。加热例如可以在炉子中进行，炉子特别地可以是间歇式退火炉或连续式炉，或者可以通过感应装置加热，特别地还可以选择性地针对半成品的边缘层。为了快速冷却(淬火)加热的半成品，后者可以浸入包含冷却液的池中或者喷以冷却液。适合的话，在进一步处理之前已硬化的半成品可以经受热处理，也被称作回火。
此外，如图2所示的根据本发明方法的示例性实施例与图1所示示例性实施例的不同之处在于，用增强纤维包封的经热处理的半成品被引入具有集成低压单元的可闭合RTM模具(树脂注入模具)中。低压单元被用于将中空体形式的半成品的中空空间经受最高100bar的内部压力。为此目的，液体或气体被压入半成品的中空空间。从而在半成品中产生弹性预应力。然后，开始合成树脂注入工艺，同时保持内部压力。只有在合成树脂(基质材料)已经固结之后才释放内部压力(支持压力)，从而弹性预应力被保持。作为此实施例的替代并且对其他实施例来说有代表性的是，在开始合成树脂注入工艺之前，内部压力(支持压力)可以降低至使得内部压力被边际设定在注入压力之下，以便减小合成树脂被注入时的流动阻力。在注入以及完全润湿之后，内部压力被再次增加，以便一方面将多余的合成树脂挤出模具，并且另一方面保持弹性预应力，其中内部压力只有在合成树脂已经固结之后才被释放。
如图3所示的根据本发明方法的示例性实施例与图1所示示例性实施例的不同之处在于，由旋压成形制成的中空体形式的半成品用增强纤维(例如，碳、玻璃、玄武岩和/或芳纶纤维)进行包封，其中增强纤维已经用热固合成树脂进行了预浸渍。预浸渍合成树脂的半成品(术语为预浸料)可以用于此目的。或者，为此目的，还可以在卷绕(包封)之前将连续纤维引导通过包含液态合成树脂的浸渍池。
然后，用预浸渍增强纤维包封的半成品被引入液压成形模具中，其中半成品经受通过液体或气体施加的超过500bar优选超过1000bar的内部压力。结果，半成品在塑性状态下被成形或校准成要制造的压力容器的最终几何形状。校准包括一定比例的弹性成形(预应力)，通过预浸渍增强纤维的合成树脂在保持的内部压力(支持压力)以及足够高固结温度下被固化，预应力被保持。
如图4所示的根据本发明方法的示例性实施例与图2所示示例性实施例的不同之处在于，已通过硬化以及适当情况下回火进行热处理的中空体形式半成品被预浸渍增强纤维(例如碳、玻璃、玄武岩和/或芳纶纤维)包封。为此目的，可以再次使用预浸渍半成品(预浸料)。或者，为此目的，还可以在卷绕之前通过将无尽头纤维通过浸渍池，可以浸渍无尽头增强纤维，相应地“干”纤维材料被用于包封。
然后，用增强纤维包封的经热处理的半成品被引入具有集成低压单元的可闭合模具中。低压单元被用来将液体或气体压入半成品的中空空间，从而半成品经受最高200bar的内部压力。从而在半成品中产生弹性预应力。通过只有在预浸渍增强纤维的合成树脂已经固化之后才释放内部压力(支持压力)，弹性预应力被保留。为了固化合成树脂，半成品在模具中被加热至所需的固化温度。

Claims (13)

1.一种制造用于储氢的无缝压力容器的方法，其中由多层复合金属板材构成的圆形或管状工件通过旋压成形工艺被成形为无缝中空体，所述无缝中空体作为半成品将被进一步加工成无缝压力容器，其中多层复合金属板材包括由钢材料优选碳钢制成的承载层以及耐氢脆的屏蔽层，其中所述工件以下述的方式被形成，即屏蔽层作为压力容器的内层，并且其中有关屏蔽层的厚度以下述方式选择或制造多层复合金属板材或工件，即在工件的旋压成形期间，屏蔽层作为整体区域的不间断层被保留。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，多层复合金属板材的承载层由可硬化钢材料构成，优选由可硬化碳钢材料构成，并且半成品被加热并且随后通过冷却液淬火而被硬化。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，硬化的半成品被热处理以设置相对低的硬度。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的方法，其特征在于，半成品被用增强纤维包封。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，使用的增强纤维是用热固性和/或可热固化塑料预浸渍的或干的增强纤维。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，由增强纤维制成的干的或预浸渍的织物，特别是席垫、编织物、针织物、网状物、粗纱、带或非编织物，被用作增强纤维。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，卷绕半成品的至少一个无尽头纤维被用作增强纤维，其中无尽头纤维事先通过包含可热固化合成树脂的浸渍池。
8.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的方法，其特征在于，半成品用热固性和/或可热固化的塑料包封，并且经受相对于环境压力升高的内部压力，其中塑料在保持内部压力的同时被固结，并且内部压力在塑料已经固结之后被释放，从而在由半成品制造的压力容器中产生持久的弹性预应力。
9.根据权利要求4至7中任一权利要求所述的方法，其特征在于，半成品被引入可闭合的铸造模具中，其中增强纤维用热固性塑料预渗透，用经预渗透的增强纤维包封的半成品随后在铸造模具中通过液压成形经受超过500bar的内部压力，从而塑料浸渍增强纤维并且半成品在塑性状态下被成形为压力容器的最终几何形状，并且内部压力在塑料已经固结之后被释放，从而在压力容器中产生持久的弹性预应力。
10.根据权利要求4至7中任一权利要求所述的方法，其特征在于，用热固性塑料预浸渍的增强纤维被用作增强纤维，用该增强纤维包封的半成品通过液压成形经受超过500bar的内部压力，从而半成品在塑性状态下被成形为压力容器的最终几何形状，并且内部压力在塑料已经固结之后被释放，从而在压力容器中产生持久的弹性预应力。
11.根据权利要求4至7中任一权利要求所述的方法，其特征在于，用增强纤维包封的半成品被引入可闭合铸造模具中，其中半成品经受最高200bar的内部压力，其中在保持内部压力的同时增强纤维被热固性塑料渗透，并且内部压力在塑料已经固结之后被释放，从而在压力容器中产生持久的弹性预应力。
12.根据权利要求4至7中任一权利要求所述的方法，其特征在于，用热固性和/或可热固化的塑料预浸渍的增强纤维被用做增强纤维，用该增强纤维包封的半成品被引入模具中，其中半成品经受最高200bar的内部压力并且塑料通过加热而固化，并且内部压力在塑料已经固结之后被释放，从而在压力容器中产生持久的弹性预应力。
13.一种通过根据权利要求1-12中任一权利要求所述的方法制造的压力容器。
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