CN108713122A - 压力容器和包箍复合压力容器 - Google Patents

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佐藤慎也
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Abstract

提供包箍复合压力容器(1A)，其中容器主体(1)的圆顶部具有比圆筒形部(2)的厚度大的厚度且具有形状，在该形状中，位于容器主体的在轴向方向上平坦的外径表面(20)的轴向外侧的外周曲面起点(30A)比位于容器主体的在轴向方向上平坦的内径表面(21)的轴向外侧的内周曲面起点(31A)进一步沿轴向向外偏移，并且其中FRP(10)像箍一样绕容器主体适当缠绕。

Description

压力容器和包箍复合压力容器
技术领域
本发明涉及一种压力容器和一种用于储存高压气体的包箍复合压力容器。本发明能够优选地应用于例如高压氢气的储存和运输以及在氢气站使用的蓄压容器。
背景技术
包箍复合压力容器已知为用于储存高压气体的容器。包箍复合压力容器具有这样的结构：其中如图16中所示，纤维增强塑料(下文中称为FRP)在周向方向上缠绕具有圆顶部的钢衬筒部。包箍复合压力容器是一种容器，其中FRP绕筒部缠绕直至肩部，而圆顶部未用FRP缠绕。钢衬筒部是由曼内斯曼(Mannesmann)型或艾哈德(Ehrhardt)型无缝钢管制成的容器(所谓的储气瓶)，并且两个端部都被挤压。圆顶部每一个均具有套圈部。
在这种包箍复合压力容器中，由于FRP仅必须缠绕钢衬筒部，所以包箍复合压力容器可以很容易地以低成本制造。因而，这种环箍包裹的复合压力容器通常用作天然气燃料的机动车辆的容器。环箍包裹的复合压力容器通常在大约20MPa的压力下使用。然而，当用作氢气站的蓄压容器时，设想包箍压力容器积聚40MPa或更高至约106MPa或更低的超高压氢气。此外，设想包箍复合压力容器在其中以氢气运行的燃料电池机动车辆的加氢气次数为约15年30万次的环境下使用。
引用列表
非专利文献
非专利文献1：FRP复合容器的设计分析，第二期：环箍端部位置对容器应变分布和安全性的影响，JHPI Vol.37 No.5,1999,P299至P305
非专利文献2：日本金属研究开发中心，WE-NET高松氢气站设备拆除研究报告，P99，2008年3月
非专利文献3：2008财年到2012财年绩效报告，氢生产、运输和储存系统技术开发，氢气站设备元件技术的研究和开发，低成本70MPa级氢气加气站设备的研究和开发，P202至P204
非专利文献4：http://www.meti.go.jp/policy/safety_security/industrial_safety/oshirase/2015/02/270209-1.html
非专利文献5：The American Society for Mechanical Engineers(美国机械工程师协会)：ASME Section VIII Division 1(ASME第VIII节第1部分)，Figure UG-34(图UG-34)，Some Acceptable Types of Unstayed Flat Heads and Covers(未支撑平头和盖的一些可接受类型)，2013
非专利文献6：Koatsu Gas Hoan Kyokai(高压气体安全协会)，Standard forUltra-high Pressure Gas Equipment(超高压气体设备标准)KHK S0220(2010),2010
非专利文献7：https://www.mhi.co.jp/technology/review/pdf/312/312155.pdf
发明内容
技术问题
然而，当传统的包箍复合压力容器应用于这种氢蓄压容器时，如下所述，存在的问题是圆顶部对于这种应用来说不够坚固。
1)图16是示出如上所述的传统包箍复合压力容器的示意图。图17是示出表示传统包箍复合压力容器的圆顶部的问题的图，并且是图16中所示的肩部的放大图。图17A示出其中FRP层短且不能到达平坦部的终止端的情况，图17B示出其中FRP层长并延伸超过平坦部的终止端部的情况。
包箍复合压力容器是如上所述FRP仅绕筒部缠绕的容器类型。因此，如图17A所示，需要指出的是，在FRP没有充分地缠绕到达平坦部的终止端部的情况下，则筒部暴露，并且高应力趋于容易集中在暴露的筒部处，由此，包箍复合压力容器变得容易失效(参见非专利文献1)。相反，如图17B所示，在FRP缠绕太多而朝向圆顶部延伸超出筒部和圆顶部之间的边界(平坦部的终止端部)的情况下，FRP沿着圆顶部向下滑动，由此，FRP部失效或在FRP部中产生裂纹。在实际的ERP缠绕操作中，难以将FRP绕筒部缠绕成使得FRP的终止端部被准确地(约为要缠绕的一束纤维的大小)定位在平坦部的终止端部的边缘上。因而，FRP被缠绕得长或短。
图18示出在传统包箍复合压力容器上执行的应力分析的示例，其中FRP被缠绕在靠近圆顶部的部分处。从图18能够看出，在套圈部的内表面的角部处产生高应力，并且圆顶部在位于平坦部的终止端部边缘附近的部分处较大地凸出。因而，应理解，在FRP缠绕得短甚至很少的情况下，存在包箍负荷材料压力容器在FRP未缠绕的部分处破裂的风险。
另外，在具有圆顶部的普通容器中，通过锻造圆顶部以产生颈部来形成如图16所示的套圈部，以便将容器的盖拧入如此形成的套圈部中。然而，如图18所示，在套圈部的内表面的角部处产生高应力。
2)此外，在套圈部的内表面的角部中，在图19A中所示的部分1至6处产生皱褶状裂纹。部分1至6相对于套圈部的内径的角度位置示于图19A的最低部分。图19B是整个压力容器的截面图，图19A是套圈部的放大截面图。图19C示出了在图19B中的部分A处在氢气中疲劳裂纹如何从深度a(mm)的皱褶状裂纹生长以及氢气中的疲劳破坏寿命(Nf)。
在非专利文献2和3中也指出了这些皱褶状裂纹。低合金钢用作用于包箍复合压力容器的衬里的材料。众所周知，低合金钢在高压氢气中由于氢气而变脆。因此，当存在这样的裂纹时，存在裂纹容易生长而使包箍复合压力容器破裂的风险。
3)非专利文献2报告了具有套圈部的低合金钢蓄压容器的拆除研究结果。根据研究结果，指出在整个蓄压容器中，在套圈部的内表面的角部处产生最高应力，因此缩短了蓄压容器在氢气中的疲劳裂纹生长寿命。
4)事实上，对于具有套圈部的氢蓄压容器，已经报道了事故，其中由于圆顶部处的裂纹的不完全去除而触发氢脆性，蓄压容器被破坏(参见非专利文献4)。
5)对于氢气站蓄压容器，需要去除套圈部的内表面上的皱褶状裂纹或检查圆顶部的内表面是否有皱褶状裂纹或确认是否有皱褶状裂纹留在上面。通常，存在各种各样的容积大约为50L至300L的氢气站蓄压容器。在这些氢气站蓄压容器中，套圈部被收缩以具有范围通常在φ30mm至约φ40mm的小开口直径。这使得难以通过将工具或手插入φ30mm至约φ40mm的开口部，以直接检查圆顶部是否有皱褶状裂纹，或用检查镜通过开口部验证圆顶部中是否存在皱褶状裂纹，从而去除在圆顶部(包括套圈部的内表面的角部)中产生的皱褶状裂纹。就强度而言，难以增大开口直径。
以这种方式，对于传统的包箍复合压力容器，存在的问题是，在圆顶部的肩部和未缠绕FRP的套圈部处的强度变得不足。
已经鉴于这些情况而作出本发明，并且本发明的目的之一是提供：一种包箍复合压力容器，其促进改善圆顶部的强度和FRP的缠绕；以及一种在圆顶部处非常坚固且FRP绕其适当缠绕的包箍复合压力容器。
问题的解决方案
通过下列构造实现本发明的目的。
(1)一种压力容器，在所述压力容器中，将纤维增强塑料像箍一样绕容器主体缠绕，所述容器主体具有圆筒形部，所述圆筒形部在所述圆筒形部的两端处都被封闭，所述压力容器包括：
圆顶部，所述圆顶部被设置到所述容器主体的至少一端，
其中所述圆顶部具有比所述圆筒形部的厚度大的厚度，并且
其中所述圆顶部具有形状，在所述形状中，位于所述容器主体的在轴向方向上平坦的外径表面的轴向外侧的外周曲面起点比位于所述容器主体的在所述轴向方向上平坦的内径表面的轴向外侧的内周曲面起点进一步沿轴向向外偏移。
(2)根据以上(1)所述的压力容器，其中所述圆顶部具有厚度增大区域，在所述厚度增大区域中，所述圆顶部的厚度从所述内周曲面起点沿轴向向外增大。
(3)根据以上(2)所述的压力容器，其中在内周面的轴向曲面形状中，所述厚度增大区域至少存在于相对于轴向方向限定从90度至45度的角度范围内。
(4)根据以上(1)至(3)中的任一个所述的压力容器，其中所述偏移的量是所述圆筒形部的外径的至少3％或更多。
(5)根据以上(1)至(4)中的任一个所述的压力容器，其中所述偏移的量等于或小于所述圆筒形部的外径的12.3％。
(6)根据以上(1)至(5)中的任一个所述的压力容器，
其中所述圆顶部在所述圆顶部的在所述轴向方向上的末端处具有开口部，并且
其中所述开口部具有70mm或更大的直径。
(7)根据以上(1)至(6)中的任一个所述的压力容器，
其中所述圆顶部在所述圆顶部的在所述轴向方向上的末端处具有开口部，
其中所述开口部具有90mm或更小的直径，并且
其中所述开口部与所述容器主体的在所述轴向方向上平坦的内径表面的直径的比率是3.6或更小。
(8)根据以上(1)至(7)中的任一个所述的压力容器，其中所述圆顶部的外径表面不位于比所述容器主体的在所述轴向方向上平坦的外径表面进一步外周。
(9)根据以上(1)至(8)中的任一个所述的压力容器，其中所述容器主体的在所述轴向方向上平坦的所述外径表面在±0.1mm的公差范围内。
(10)根据以上(1)至(9)中的任一个所述的压力容器，其中所述容器主体的所述圆筒形部是无缝钢管。
(11)根据以上(1)至(10)中的任一个所述的压力容器，在所述圆顶部的末端处包括不具有套圈部的开口部，
其中用可移除保持环将可开闭盖保持在所述开口部中。
(12)一种包箍复合压力容器，在所述包箍复合压力容器中，将纤维增强塑料像箍一样绕根据以上(1)至(11)中的任一个所述的容器主体的在所述轴向方向上平坦的所述外径表面缠绕，并且
其中所述纤维增强塑料的轴向端边缘超过所述内周曲面起点，以被定位在位于在所述外周曲面起点之前且沿所述容器主体的在所述轴向方向上平坦的所述外径表面延伸的外周面上。
(13)根据以上(12)所述的包箍复合压力容器，其中所述纤维增强塑料的所述轴向端边缘被定位成从所述外周曲面起点沿轴向向内1mm或更大。
(14)根据以上(12)或(13)所述的包箍复合压力容器，在所述圆顶部的内表面上存在具有1.0mm或更小的线性长度和0.3mm或更小的深度的裂纹的前提下，在具有82MPa的最大压力和35MPa的最小压力的高压氢气中在重复压力波动条件下，所述包箍复合压力容器具有承受重复施加负荷50万次或更多次的耐久性。
发明的有益效果
根据本发明，可以解决圆顶部不够坚固的问题。另外，用FRP以适当的方式将压力容器环箍起来变得容易。此外，可以去除皱褶和瑕疵。此外，可能提供具有便于检查的大小的开口部。此外，可以确保压力容器的安全性，因为其在氢气中的使用寿命相当于加载氢气至少50万次，由此使得可以有助于氢气站的安全性和普及。
附图说明
[图1]图1A是示出根据本发明的实施例的压力容器的一部分的截面图，图1B是示出根据本发明的实施例的包箍复合压力容器的一部分的截面图。
[图2]图2是示出根据本发明的实施例的包箍复合压力容器的局部放大图，其示出了圆顶部及其周边。
[图3]图3示出了部分截面图，其示出用于描述本发明的示例的包箍复合压力容器的测试样品和用作比较示例的测试样品，其中图3A是传统形状1的部分截面图，图3B是其中L偏移为50mm的形状2的部分截面图，并且图3C是其中L偏移为100mm的形状3的部分截面图。
[图4]图4是示出根据本发明的实施例的包箍复合压力容器的圆顶部的厚度变化的图。
[图5]图5是示出根据本发明的实施例的包箍复合压力容器上的执行应力分析的评价点的图。
[图6]图6是示出在根据本发明的实施例的包箍复合压力容器的偏移位置中在圆顶部的厚度与评价点B处的应力之间的关系的图。
[图7]图7是示出在根据本发明的实施例的包箍复合压力容器的在偏移量与平坦外径表面的终止端处的圆顶部的厚度之间的关系的图。
[图8]图8示出根据本发明的实施例的偏移比率与应力值之间的关系的图，其中图8A表示在评价点A处的应力，图8B表示在评价点B处的应力。
[图9]图9是示出在根据本发明的实施例的包箍复合压力容器中在偏移位置处的圆顶部的厚度与评价点A处产生的应力之间的关系的图。
[图10]图10是示出圆顶形测试样品的图，其用于根据本发明的实施例的包箍复合压力容器的开口部的开口直径变化的分析。
[图11]图11是示出根据本发明的实施例的包箍复合压力容器的测试样品的图，其具有用于内表面裂纹检查的保持环型的可开闭盖。
[图12]图12是示出根据本发明的实施例的包箍复合压力容器的考虑到高压氢气环境的疲劳裂纹寿命评价程序的流程图。
[图13]图13是示出用于图12中所示的评价程序的氢气中疲劳裂纹生长数据的图。
[图14]图14示出在本发明的示例中用于疲劳生长寿命计算的测试样品的假定裂纹插入位置的图，其中图14(a)表示形状1，图14(b)表示形状2，图14(c)表示形状4，并且图14(d)表示形状5。
[图15]图15是示出在本发明的示例中计算疲劳寿命时使用的在破裂重复次数(Nf)与应力振幅之间的关系的图。
[图16]图16是示出传统的包箍复合压力容器的示意图。
[图17]图17是示出传统的包箍复合压力容器的圆顶部存在的问题的图，其中图17A示出其中FRP层太短而未到达平坦部的终止端的情况，并且图17B示出其中FRP层太长而使FRP层延伸超过平坦层的终止端的情况。
[图18]图18是示出传统的包箍复合压力容器的圆顶部附近的部分处的应力分析的示例的图。
[图19]图19示出在传统的包箍复合压力容器中产生裂纹的示例的视图，其中图19A是套圈部的放大截面图，图19B是整个包箍复合压力容器的截面图，并且图19C是示出图19B中所示的部分A处在氢气中疲劳裂纹如何从深度a(mm)的皱褶状裂纹生长以及氢气中的疲劳破裂寿命(Nf)的视图。
具体实施方式
下文中，将基于附图描述本发明的实施例。
图1A是示出根据本发明的实施例的压力容器1的一部分的截面图，并且图1B是示出根据本发明的实施例的包箍复合压力容器1A的一部分的截面图。
压力容器1包括圆筒形部2，圆筒形部2由无缝钢管制成并且具有形成在圆筒形部2的每一个端部处的圆顶部3，并且开口部4设置在每一个圆顶部3的末端处。使用保持环方法将可开启和可关闭的盖(未示出)固定到开口部4。无缝钢管由诸如碳钢或低合金钢的材料制成，并且能够使用诸如曼内斯曼或艾哈德法的方法制作。
图2是示出包箍复合压力容器1A的圆顶部3和圆筒形部2的一部分的放大图，在该包箍复合压力容器1A中，将FRP10绕压力容器1缠绕。
圆筒形部2具有在轴向方向上平坦的内径表面21以及在轴向方向上平坦的外径表面20。
通过拉拔而在圆筒形部2的每一端处形成圆顶部3，并且通过成型而在每一个圆顶部3、3的末端处形成开口部4。
在圆筒形部2中，在轴向方向上平坦的外径表面20和在轴向方向上平坦的内径表面21的轴向端部组成其终止端，并且圆顶部3分别形成在外径表面20和内径表面21的末端侧处。因而，圆筒形部2与圆顶部的内周曲面31的内周曲面起点31A连续。
另外，在圆顶部3的轴向方向上平坦的外径表面32形成于在圆筒形部2的轴向方向上平坦的外径表面20的终止端上，以便遵循在轴向方向上平坦的外径表面20。即，关于圆顶部3的外部形状，在轴向方向上平坦的外径表面32像是从圆筒形部2的终止端沿轴向向外一样延伸。外周曲面起点30A被定位在内周曲面起点31A的轴向外侧，并且圆顶部外周曲面30被定位在外周曲面起点30A的轴向外侧。
内周曲面起点31A和外周曲面起点30A的轴向偏离量被示出为L偏移。存在该L偏移使得平坦部在外径表面上的范围变宽。因此，促进了FRP10像箍一样缠绕圆筒形部2的操作，并且能够选择更适当的范围。如下文所述，提供L偏移使得能够更有效地增大圆顶部3的厚度。
在本发明中，L偏移的长度不限于任何特定范围，因此应超过0。理论上，L偏移的最小值应等于或大于一束纤维的距离(例如，当每一束的纤维数为24,000时，最小值约为7μm)。然而，根据非专利文献1，应指出，当环箍区域的端部仅改变圆筒形部的外径的约1.5％时，容器的爆破强度会受到显著降低。因此，考虑到环箍或缠绕操作时的环箍或缠绕区域的终止端的定位误差，所以期望确保偏移量与圆筒形部的外径的比(称为偏移比率)为圆筒形部的外径的3％或更大。
在本发明中，不确定L偏移的上限。由于圆顶部通常由管形成，所以实际上难以部分地增加圆顶部的厚度，并且在真正尝试这样做的情况下，将涉及高成本。此外，当偏移量达到约50mm时，轴向平坦部的终止端的边缘处的肩部处的应力降低效果变得饱和，因此期望将上限设为50mm。
因此，偏移量与圆筒形部的外径之比，即偏移率的最佳上限值为12.3％。
圆顶部3比圆筒形部2更厚。圆顶部3的厚度能够由在圆顶部内周曲面31的曲率中心的方向上限定的厚度表示。提高圆顶部3的厚度防止了压力容器1在FRP10在压力容器1上终止的位置附近的一部分处由于该部分处的高应力集中而破裂。
期望圆顶部3的厚度从内周曲面起点31A轴向向外逐渐增大。这是因为其中被施加了更大应力的部位与内周曲面起点31A和圆筒形部2相比朝着圆顶部3的末端侧更远地存在，这些部位包括位于其中FRP10在压力容器1上终止的位置附近的部分以及其中保持环(未示出)接触圆顶部内周面的点。期望其中厚度逐渐增大的厚度增大区域在内周面的曲率半径方向上从与轴向方向成直角的部分至相对于轴向方向成至少45度的部分连续。原因在于，即使圆顶部的厚度在相对于轴向方向成小于45度角的区域中增大，对于在其中FRP10在压力容器1上终止的位置附近的部分处以及其中保持环(未示出)接触圆顶部内周面的点处产生的高应力的降低也基本上没有影响。
圆顶部3在其末端侧具有开口部4。通过用保持环将可开启和可关闭的盖(未示出)保持在开口部4中来密封开口部4。能够从开口部4移除可开启和可关闭的盖(未示出)，以进行内表面检查等。开口部4的大小不限于本发明中的任何具体大小。然而，优选地，开口部4的开口直径为70mm或更大。确保直径为70mm或更大的开口使得能够使用渗透检查方法或磁粉检查方法直接从容器主体的内表面侧进行裂纹检查。当开口小时，必须从外表面侧执行检查，这使得难以执行精确的检查。相反，当开口太大时，承压面积增加，由此增大应力，因此，期望开口直径的上限被设为90mm。当内表面直径与外表面直径之比(内径和外径比)恒定，并且开口直径与内表面直径或外表面直径之比相同时，厚度方向上的容器截面中的应力分布是相同的。因此，期望开口直径与在轴向上平坦的容器主体的内径表面的直径的比率被设为3.6或更小。
圆顶部能够通过使用无缝钢管制造，该无缝钢管在由与轴向方向成直角的部分和相对于轴向方向成至少45度的部分限定的区域中预先给予足够的厚度。如段落0029至0035中所述，能够通过将无缝钢管的端部通过热加工形成圆顶形状、对圆顶形部分进行硬化和回火等热处理并且切割圆顶形部分的外表面而制作圆顶部。可替选地，如段落0029至0035中所述，也能够通过对无缝钢管进行热加工以便能够从与轴向方向成直角的部分到相对于轴向方向至少成45度的部分确保所需厚度、对已热加工的部分施加热处理(诸如硬化和回火)、并且切割已热加工的部分的外表面而制作圆顶部。作为圆顶部的热加工方法，提出了将无缝钢管挤压到圆顶形模具的方法或旋压成形方法。
纤维增强塑料(FRP)10作为环箍缠绕在如上所述获得的压力容器上。将FRP10缠绕在压力容器上的方法不限于任何特定方法，因此，FRP10能够通过已知方法作为环箍缠绕在压力容器上。纤维增强塑料包括碳纤维增强塑料(CFRP)和玻璃纤维增强塑料(GFRP)，在本发明中，可使用两种纤维增强塑料中的任一种。
特别地，将FRP10的终止端位置定位于在内周曲面起点31A和外周曲面起点30A之间限定的范围内使得FRP10能够缠绕在沿圆顶部3的轴向方向平坦的外径表面32上。此外，这使得FRP10能够缠绕到内周曲面起点31A的轴向外侧的位置。以这些方式缠绕FRP10能够提高圆顶部3的强度。这解决了圆顶部3的强度由于FRP10的缠绕长度过短而不足的问题，或者解决了纤维由于FRP10的过度缠绕而在圆顶部3上滑落的问题，由此能够避免FRP10破裂或出现裂纹的风险。从确保其强度的观点看，期望FRP10尽可能径向向外地绕在轴向方向上平坦的外径表面32缠绕。然而，为了避免FRP10的过度缠绕，期望FRP10的终止端位于在轴向方向上平坦的外径表面32的终止端的边缘的内侧，在两者间限定微小的间隙，并且期望例如确保1mm或更大的间隙。
作为环箍绕压力容器1缠绕的FRP10能够获得包箍复合压力容器1A。这种包箍复合压力容器1A具有耐久性，使得包箍复合压力容器1A能够在高压氢气中的在最大压力82MPa和最小压力35MPa之间的反复压力波动条件下，承受重复施加的50万次或更多次的负荷，即使在包箍复合压力容器1A的与高压氢气接触的内周面上存在有直线长度为1.0mm或更小且深度为0.3mm或更小的裂纹也是如此。
示例1
接着，将描述本发明的示例。
图3示出了在该示例中作为样品使用的包箍复合压力容器的部分截面图。图中所示的衬里都为具有如图16中所示的套圈的一种衬里。
图3A示出其中在圆顶部处内周曲面起点31A和外周曲面起点30A在轴向方向上彼此重合的传统样品。图3B示出在该实施例中使用的样品，其中外周曲面起点30A从内周曲面起点31A偏移50mm的偏移量。图3C是在该实施例中使用的样品，其中外周曲面起点30A从内周曲面起点31A偏移100mm的偏移量。
在所有样品中，圆筒形部2都具有406mm的外径、322mm的内径以及42mm的厚度，并且FRP10的终止端的边缘被定位成从外周曲面起点30A向内5mm。FRP10的厚度为20mm。
在图3A的示例中，圆顶部内周曲面31的曲率半径为161mm，并且圆顶部外周曲面30的曲率半径为203mm。关于曲率的中心，内周曲面起点31A的曲率中心和外周曲面起点30A的曲率中心彼此重合。开口部4的内径为38mm，套圈部的外径和长度分别为100mm和90mm。
在图3B的示例中，圆顶部内周曲面31的曲率半径为161mm，并且圆顶部外周曲面30的曲率半径为203mm。关于曲率的中心，圆顶部内周曲面31的曲率中心向外偏移50mm。开口部4的内径为38mm，并且套圈部的外径和长度分别为100mm和65mm。
在图3C的示例中，圆顶部内周曲面31的曲率半径为161mm，圆顶部外周曲面30的曲率半径为203mm。关于曲率的中心，圆顶部内周曲面的曲率的中心向外偏移100mm。开口部4的内径为38mm，套圈部的外径和长度分别为100mm和27mm。
根据图3B、3C中所示的样品，如图4中所示，在FRP10的终止端部处的圆顶部厚度被增大为大于圆筒形部厚度，由此防止在FRP10的终止端处产生高应力，这防止在FRP10的终止端部处的爆破。
图5示出其中在样品上执行应力分析的评价点。在样品中，将FRP的终止端的边缘所在的位置确定为点B，将套圈部的内表面上的角部确定为点A。
在样品中，使用有限元法计算径向应力σr、轴向应力σL、周向应力σt、第一主应力σ1以及第三主应力σ3，并且在表1至3和图6中示出通过计算获得的值。
[表1]
部位 A B
σr -65.4 -3.6
σL -66.3 171.1
σt 471,4 254,0
σrL -32.1 -4.7
σ1 471.4 254.0
σ3 -97.9 -3.7
σMises 540.1 227.9
形状1的σ1：第一主应力，σMises：Mises应力
[表2]
部位 A B
σr -93.0 -0.5
σL -62.6 84.5
σt 226.1 157.6
σrL -13.0 -4.8
σ1 226.1 157.6
σ3 -97.9 -0.8
σMises 306.0 137.3
形状2的σ1：第一主应力，σMises：Mises应力
[表3]
部位 A B
σr -95.6 -0.2
σL -84.4 93.7
σt 242.9 162.5
σrL 4.8 -2.3
σ1 242.9 162.5
σ3 -97.4 -0.2
σMises 333.2 141.4
形状3的σ1：第一主应力，σMises：Mises应力
如从图1至3和图6显见，示出形状2、3的应力值小于形状1的应力值，并且即使FRP10的终止端短了5mm，在本发明的实施例中也难以在点B处发生应力集中。
图7示出偏移量与在轴向方向上平坦的外径表面20的终止端的边缘处的圆顶部厚度之间的关系。在轴向方向上平坦的外径表面20的终止端的边缘处的圆顶部厚度随着偏移量增大而增大。然而，当偏移量达到50mm时，应力降低效果变饱和。圆顶部厚度于是变为48.06mm。
期望圆顶部厚度的上限值被设为50mm，因为当偏移量达到约50mm时，点B处的应力减小效果变饱和。
图8示出作为偏移量(L偏移)与圆筒形部2的外径的比的偏移比率与图5中的点A、B处的应力之间的关系。点A、B处的应力变小的偏移比率的最佳上限为12.3％。
图9示出偏移位置处的圆顶部厚度与点A处的应力之间的关系。
套圈部的点A处的应力具有如图9中所示的趋势，从而随着偏移量增大而减小，而在偏移量为50mm或更大时，开始再次增大。因而，在点A处提供了在氢气中的裂纹生长抑制效果。
然而，通过这种构造(形状2和形状3)，由于开口直径保持小到φ38mm，确认在圆顶部内部或在套圈部处是否存在皱褶状裂纹或通过一般方法的加工去除皱褶状裂纹是不可能的。
然后，通过移除套圈部，考虑如图11中所示的压力容器，其具有其中使用保持环方法(非专利文献5)保持盖的结构。在具有这种形状的压力容器内，考虑到在去除圆顶部的内表面上的皱褶状裂纹或直接检查圆顶部的内表面是否存在皱褶状裂纹所需的操作，开口直径扩大到90mm或110mm。图10示出了其分析模型。这里，将开口直径为90mm的形状称为形状4，将开口直径为110mm的形状称为形状5。
在形状4和5中，圆顶部内周曲面31的曲率半径为161mm，圆顶部外周曲面30的曲率半径为250mm。圆顶部内周曲面31的曲率中心位于圆筒形部2的中心轴线上，圆顶部外周曲面30的曲率中心位于在径向方向上离圆顶部内周曲面31的曲率中心47mm的位置。
当具有以上述方式扩展的开口部时，承压面积增大，由此应力也增大。然而，能够去除裂纹，并且能够使用渗透检查法(PT)或磁粉检查法(MT)直接检查圆顶部的内表面的裂纹。因而，不会错过即使是非常微小的裂纹的检查。
另一方面，当仅能够从圆顶部的外部执行裂纹检查时，能够通过使用超声波检查法(UT)来确认是否存在裂纹(例如，参见表4)。基于超高压压力容器设计指南(非专利文献6)，在考虑到检测极限的疲劳裂纹分析中呈现的最小裂纹尺寸如表4所示能够变为1.1mm深且不小于3.3mm长，因为在该示例中圆筒形部2的厚度为42mm。
[表4]
在使用超声波检查法从外部检查内表面的裂纹时，能够在疲劳裂纹生长分析中设定的最小裂纹尺寸。
另一方面，根据非专利文献6，在能够通过增加开口直径而直接检查内表面的裂纹时，除超声波方法之外，也可以使用根据JIS Z 2320-1至3的磁法(MT)和根据JIS Z 2343-1至4的渗透法(PT)作为生产时检查裂纹的方法。因此，在考虑到裂纹检测的检测极限时，疲劳裂纹分析中能够采取的最小裂纹尺寸能够小于使用UT方法时产生的最小裂纹尺寸，并且能够被设定为0.3mm深和约1.0mm长。
接着，比较形状1、2、4、5的疲劳寿命。基于非专利文献6中依据KHK S 0220规定的方法，使用图12所示的考虑到高压氢气环境的影响的疲劳裂纹寿命评估程序来执行疲劳寿命的评估。
在该程序中，设定初始裂纹形状a(＝表面上的裂纹深度)和I(＝表面上的裂纹长度)，并计算应力强度因子。在此之后，计算裂纹生长速率。本示例中使用的衬里全部由抗拉强度为930MPa级的低合金钢制成。使用在图13中所示材料在90MPa氢气环境下进行的疲劳裂纹生长测试的结果，来计算裂纹生长速率。通过在90MPa的氢气环境下执行疲劳裂纹生长试验，来计算裂纹生长速率。在裂纹生长测试中，da/dN表示裂纹生长速率，ΔK表示应力强度因子在负荷重复期间的波动范围，C、m表示常数。
在计算裂纹生长速率之后，计算裂纹增量Δa、ΔI，重复次数n＝n+1，之后，更新裂纹尺寸。即，计算a＝a+Δa，I＝I+ΔI。
接着，确定是否达到极限裂纹深度。使用基于上升负荷测试的KIH或基于延迟测试的KIH来执行所述确定。
如果未达到极限裂纹深度，则程序返回到计算应力强度因子的步骤，而如果达到极限裂纹深度，则计算可允许重复次数Nc，然后，程序结束。
图13示出用以计算图12中所示的疲劳裂纹生长寿命的氢气中疲劳裂纹生长数据(c、m、KIH)。
图14示出形状1、2、4、5中的假定裂纹插入位置。裂纹插入位置是应力最集中的危险点(形状1、2中的套圈的角的内表面(点A)，以及在形状4、5中的保持环和圆顶部内周面接触的点)。在形状4、5中，由于圆顶部内周面与保持环以该点彼此接触，因此，也考虑接触应力。
另外，虽然不存在裂纹，但金属由于金属疲劳而断裂。因此，从图15所示的氢气中疲劳寿命曲线得到无裂纹的氢气中疲劳断裂寿命(Nf)，并与基于疲劳裂纹生长分析提前计算的可允许重复次数进行比较，选择寿命和可允许重复次数中较小的一个作为衬里的寿命。表5示出了比较结果。
[表5]
套圈的形状的氢气中疲劳寿命的比较示例
比较的结果得出结论，形状4具有φ90mm的开口部4，其能够达到当氢气站保持运行15年时应执行的30万次氢气加载。对于具有φ110mm的太大开口部4的形状5，承压部必须承受大负荷，由此不能获得疲劳寿命。因此，希望开口直径设定为最大φ90mm。
另一方面，关于开口直径的下限值，非专利文献7示出了使用渗透方法检查内表面的示例。考虑到插入所需的检查工具(液体药物的应用或雾化、洗涤液注射喷嘴、CCD照相机等)的便利性，开口直径应约为φ70mm的量级。因此，认为开口直径的下限值为φ70mm是合理的。
在该示例中，通过设置圆筒形部的内径为φ322.4mm，开口直径的最大极限值为φ90mm。当考虑各种圆筒形部的内径时，根据该示例期望的是，开口直径与圆筒形部的内径之比(圆筒形部的内径/开口直径)为3.6或更小。
本发明不限于上述实施例，因此能够根据需要进行各种变型或改进。另外，本发明实施例的构成元件的材料、形状、尺寸、数值、形式、数目、部位等是任意的，而不限于上述的那些，只要通过它们能够实现本发明。
虽然已经详细地或参考特定模式描述了本发明，但是对于本发明所属领域的技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，能够对其进行各种改变或变型。
本专利申请是基于2016年3月1日提交的日本专利申请(特愿2016-039473)，其内容通过应用并入本文。
这里，根据本发明的实施例的压力容器和包箍复合压力容器的特征将在下面的[1]至[14]中一起逐项总结。
[1]一种压力容器(1)，在所述压力容器(1)中，将纤维增强塑料像箍一样绕容器主体(2)缠绕，所述容器主体(2)具有圆筒形部，所述圆筒形部在所述圆筒形部的两端处都被封闭，所述压力容器包括：
圆顶部(3)，所述圆顶部(3)被设置到所述容器主体(2)的至少一端，
其中所述圆顶部(3)具有比所述圆筒形部的厚度大的厚度，并且
其中所述圆顶部(3)具有形状，在所述形状中，位于所述容器主体(2)的在轴向方向上平坦的外径表面(20)的轴向外侧的外周曲面起点(30A)比位于所述容器主体(2)的在所述轴向方向上平坦的内径表面(21)的轴向外侧的内周曲面起点(31A)进一步沿轴向向外偏移。
[2]根据以上[1]所述的压力容器(1)，其中所述圆顶部(3)具有厚度增大区域，在所述厚度增大区域中，所述圆顶部的厚度从所述内周曲面起点(31A)沿轴向向外增大。
[3]根据以上[2]所述的压力容器(1)，其中在内周面(31)的轴向曲面形状中，所述厚度增大区域至少存在于相对于轴向方向限定从90度至45度的角度范围内。
[4]根据以上[1]至[3]中的任一个所述的压力容器(1)，其中所述偏移的量是所述圆筒形部的外径的至少3％或更多。
[5]根据以上[1]至[4]中的任一个所述的压力容器(1)，其中所述偏移的量等于或小于所述圆筒形部的外径的12.3％。
[6]根据以上[1]至[5]中的任一个所述的压力容器(1)，
其中所述圆顶部在所述圆顶部的在所述轴向方向上的末端处具有开口部，并且
其中所述开口部(4)具有70mm或更大的直径。
[7]根据以上[1]至[6]中的任一个所述的压力容器(1)，
其中所述圆顶部(3)在所述圆顶部(3)的在所述轴向方向上的末端处具有开口部(4)，
其中所述开口部(4)具有90mm或更小的直径，并且
其中所述开口部(4)与所述容器主体(2)的在所述轴向方向上平坦的内径表面(21)的直径的比率是3.6或更小。
[8]根据以上[1]至[7]中的任一个所述的压力容器(1)，其中所述圆顶部(3)的外径表面(外周曲面30)不位于比所述容器主体(2)的在所述轴向方向上平坦的外径表面(20)进一步外周。
[9]根据以上[1]至[8]中的任一个所述的压力容器(1)，其中所述容器主体(2)的在所述轴向方向上平坦的所述外径表面(20)在±0.1mm的公差范围内。
[10]根据以上[1]至[9]中的任一个所述的压力容器(1)，其中所述容器主体(2)的所述圆筒形部是无缝钢管。
[11]根据以上[1]至[10]中的任一个所述的压力容器(1)，在所述圆顶部(3)的末端处包括不具有套圈部的开口部(4)，
其中用可移除保持环将可开闭盖保持在所述开口部(4)中。
[12]一种包箍复合压力容器(1A)，在所述包箍复合压力容器(1A)中，将纤维增强塑料(FRP10)像箍一样绕根据以上[1]至[11]中的任一个所述的容器主体(2)的在所述轴向方向上平坦的所述外径表面(20)缠绕，
其中所述纤维增强塑料(10)的轴向端边缘超过所述内周曲面起点(31A)，以被定位在位于在所述外周曲面起点(30A)之前且沿所述容器主体(2)的在所述轴向方向上平坦的所述外径表面(20)延伸的外周面(所述圆顶部的在所述轴向方向上平坦的所述外径表面32)上。
[13]根据以上[12]所述的包箍复合压力容器(1A)，其中所述纤维增强塑料(10)的所述轴向端边缘被定位成从所述外周曲面起点沿轴向向内1mm或更大。
[14]根据以上[12]或[13]所述的包箍复合压力容器(1A)，在所述圆顶部(3)的内表面上存在具有1.0mm或更小的线性长度和0.3mm或更小的深度的裂纹的前提下，在具有82MPa的最大压力和35MPa的最小压力的高压氢气中在重复压力波动条件下，所述包箍复合压力容器(1A)具有承受重复施加负荷50万次或更多次的耐久性。
工业实用性
根据本发明，在包箍复合压力容器中，能够提供：促进改善圆顶部的强度和FRP绕其的缠绕的压力容器；以及将圆顶部的强度增加到高水平并且将FRP绕其适当缠绕的包箍复合压力容器。具有这种效果的本发明可用于压力容器和包箍复合压力容器的领域中。
附图标记列表
1 压力容器
1A 包箍复合压力容器
2 圆筒形部
3 圆顶部
4 开口部
10 FRP
20 圆筒形部的在轴向方向上平坦的外径表面
21 圆筒形部的在轴向方向上平坦的内径表面
30 圆顶部外周曲面
30A 外周曲面起点
31 圆顶部内周曲面
31A 内周曲面起点
32 圆顶部的在轴向方向上平坦的外径表面

Claims (14)

1.一种压力容器，在所述压力容器中，将纤维增强塑料像箍一样绕容器主体缠绕，所述容器主体具有圆筒形部，所述圆筒形部在所述圆筒形部的两端处都被封闭，所述压力容器包括：
圆顶部，所述圆顶部被设置到所述容器主体的至少一端，
其中所述圆顶部具有比所述圆筒形部的厚度大的厚度，并且
其中所述圆顶部具有形状，在所述形状中，位于所述容器主体的在轴向方向上平坦的外径表面的轴向外侧的外周曲面起点比位于所述容器主体的在所述轴向方向上平坦的内径表面的轴向外侧的内周曲面起点进一步沿轴向向外偏移。
2.根据权利要求1所述的压力容器，其中所述圆顶部具有厚度增大区域，在所述厚度增大区域中，所述圆顶部的厚度从所述内周曲面起点沿轴向向外增大。
3.根据权利要求2所述的压力容器，其中在内周面的轴向曲面形状中，所述厚度增大区域至少存在于相对于轴向方向限定从90度至45度的角度范围内。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的压力容器，其中所述偏移的量是所述圆筒形部的外径的至少3％或更多。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的压力容器，其中所述偏移的量等于或小于所述圆筒形部的外径的12.3％。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的压力容器，
其中所述圆顶部在所述圆顶部的在所述轴向方向上的末端处具有开口部，并且
其中所述开口部具有70mm或更大的直径。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的压力容器，
其中所述圆顶部在所述圆顶部的在所述轴向方向上的末端处具有开口部，
其中所述开口部具有90mm或更小的直径，并且
其中所述开口部与所述容器主体的在所述轴向方向上平坦的内径表面的直径的比率是3.6或更小。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的压力容器，其中所述圆顶部的外径表面不位于比所述容器主体的在所述轴向方向上平坦的外径表面进一步外周。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的压力容器，其中所述容器主体的在所述轴向方向上平坦的所述外径表面在±0.1mm的公差范围内。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的压力容器，其中所述容器主体的所述圆筒形部是无缝钢管。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的压力容器，在所述圆顶部的末端处包括不具有套圈部的开口部，
其中用可移除保持环将可开闭盖保持在所述开口部中。
12.一种包箍复合压力容器，在所述包箍复合压力容器中，将纤维增强塑料像箍一样绕根据权利要求1至11中的任一项所述的容器主体的在所述轴向方向上平坦的所述外径表面缠绕，并且
其中所述纤维增强塑料的轴向端边缘超过所述内周曲面起点，以被定位在位于在所述外周曲面起点之前且沿所述容器主体的在所述轴向方向上平坦的所述外径表面延伸的外周面上。
13.根据权利要求12所述的包箍复合压力容器，其中所述纤维增强塑料的所述轴向端边缘被定位成从所述外周曲面起点沿轴向向内1mm或更大。
14.根据权利要求12或13所述的包箍复合压力容器，在所述圆顶部的内表面上存在具有1.0mm或更小的线性长度和0.3mm或更小的深度的裂纹的前提下，在具有82MPa的最大压力和35MPa的最小压力的高压氢气中在重复压力波动条件下，所述包箍复合压力容器具有承受重复施加负荷50万次或更多次的耐久性。
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