CN111433507A - 压力容器 - Google Patents

Abstract

压力容器(10)设有：缸部(1)，限定压力室(11)；螺接部(3)，被设置在缸部的两个端部中的至少一个端部的内侧；盖(2)，具有与压力室面对的压力接收表面(2A)，且被设置在离压力室比螺接部离压力室近的位置处；和加强环(4)，配合至缸部的外周表面。加强环沿着缸部的轴向方向覆盖外周表面(1F)上的一部分，该部分对应于缸部与螺接部之间的接合部(12)的一部分或全部。

Description

压力容器

技术领域

本发明涉及一种压力容器，该压力容器包括能够储存氢气等的蓄压室。

背景技术

用于储存高压气体的装置的示例包括用于储存和运输在氢气站等处使用的高压氢气的压力容器。常规地，使用诸如Cr-Mo钢的高强度低合金钢来制造压力容器。然而，在压力容器中储存有氢气的情况下，当压力容器具有氢气与构成压力容器的开口部的可螺接部直接接触的结构时，存在可螺接部中的应力集中部(例如，公螺纹和母螺纹之间的螺合部)的强度和延展性可能由于所谓的氢环境脆化而降低的问题。压力容器的这种脆化是不优选的，因为这可能导致压力容器的蓄压性能下降。

因此，在一种常规的压力容器中，采用盖状结构介于可螺接部和蓄压室之间的结构(所谓的可螺接螺母型盖结构)，使得可螺接部和氢彼此不直接接触。通过这种结构，常规的压力容器抑制可螺接部的在公螺纹和母螺纹之间的螺合部(例如，螺纹的根部)处的氢环境脆化(例如，参见非专利文献1)。

引用列表

非专利文献

非专利文献1：John F.Harvey，“Pressure Component Construction design andmaterials application(压力部件构造设计和材料应用)”，VAN NORSTANDREINHOLDCOMPANY(范·诺斯特兰德·瑞因霍德公司)，(1980)P.382-P.384

非专利文献2：JIS B 8265:2010

非专利文献3：JIS B 8267:2010

非专利文献4：“超高圧ガス設備に関する基準KHKS(超高压气体设备标准KHKS)(0220)2010”，2010，P.26高圧ガス保安協会(日本高压气体安全协会)出版

发明内容

技术问题

在上述可螺接螺母型盖结构中，盖状结构通常由可螺接部保持在预定位置处。换句话说，由蓄压室中的气体施加在盖状结构上的力经由盖状结构传递至可螺接部，并最终作用在可螺接部的螺合部上。因此，除了氢环境脆化以外，还存在由于在可螺接部的螺合部(特别是在最靠近蓄压室的第一螺纹的附近)中产生的应力而可能在螺合部中发生疲劳裂纹的问题。

根据上述背景，对于压力容器而言，期望的是在将氢储存在蓄压室中的情况下抑制可螺接部的氢环境脆化以及由于蓄压室的内部压力而导致的可螺接部的疲劳裂纹。

本发明的目标在于提供一种能够抑制压力容器内包括的可螺接部的氢环境脆化和疲劳裂纹两者的压力容器。

问题的解决方案

在本发明的第一方面中，一种压力容器包括：缸部，所述缸部中限定蓄压室；可螺接部，所述可螺接部被布置在所述缸部的两个端部中的至少一个端部的内侧，所述可螺接部的外周部螺合到所述缸部的内周部中；盖部，所述盖部被布置在离所述蓄压室比所述可螺接部离所述蓄压室近的位置处，并且所述盖部包括与所述蓄压室面对的压力接收表面；和加强环，所述加强环配合至所述缸部的外周表面，并且所述加强环沿着所述缸部的轴向方向覆盖所述外周表面的一部分，所述外周表面的所述一部分对应于所述缸部和所述可螺接部的螺合部的一部分或全部。

根据第一方面，由于盖部被设置在可螺接部和蓄压室之间，所以抑制了氢气直接接触可螺接部，即使在将氢气储存在蓄压室中时也是如此。此外，被设置成覆盖缸部的外周表面(换句话说，以配合至外周表面)的加强环覆盖与可螺接部和缸部之间的螺合部的一部分或全部对应的缸部的外周表面。根据发明人作出的实验和考量，显然，通过将加强环布置在这样的位置处(参见图4等)，能够抑制螺合部中的疲劳裂纹的发生。因此，根据第一方面的压力容器能够抑制可螺接部的氢环境脆化和疲劳裂纹两者。

在本发明的第二方面中，根据第一方面的压力容器，进一步包括：密封部，所述密封部密封在所述盖部与所述缸部之间的间隙，其中所述加强环被构造成使得所述加强环的在所述轴向方向上的蓄压室侧的端部位于所述外周表面上的与所述密封部对应的位置处，或者位于离所述轴向方向上的所述蓄压室侧比所述外周表面上的与所述密封部对应的所述位置离所述轴向方向上的所述蓄压室侧近的位置处。

根据第二方面，密封部进一步适当地抑制蓄压室中的气体接触可螺接部。此外，加强环的“蓄压室侧的端部”位于缸部的外周表面上的与所述密封部对应的位置处，或者位于离蓄压室侧比缸部的外周表面上的与所述密封部对应的位置离蓄压室侧近的位置处。根据发明人作出的实验和考量，显然，由于加强环的端部被布置在这样的位置处，所以加强环能够抑制缸部的变形使其不会沿径向方向扩张，并且密封部能够更可靠地密封间隙(参见图6(a)和图6(b))。因此，根据第二方面的压力容器能够进一步可靠地抑制可螺接部的氢环境脆化。

在本发明的第三方面中，根据第一或第二方面的压力容器，其中所述加强环被构造成使得所述加强环的在所述轴向方向上在与所述蓄压室相反的一侧的端部位于所述外周表面上的与所述螺合部在与所述蓄压室相反的一侧的端部对应的位置处，或者位于在所述轴向方向上离开所述蓄压室比所述外周表面上的与所述螺合部在与所述蓄压室相反的所述一侧的所述端部对应的所述位置在所述轴向方向上离开所述蓄压室远的位置处。

根据第三方面，加强环的“在与蓄压室相反的一侧的端部”位于与螺合部的端部对应的位置处，或者被定位得离开蓄压室比与螺合部的端部对应的所述位置离开蓄压室远。根据发明人作出的实验和考量，显然，通过将加强环布置在这样的位置处(参见图7(a)和图7(b))，能够抑制螺合部中的疲劳裂纹的发生。因此，根据第三方面的压力容器能够进一步可靠地抑制可螺接部的疲劳裂纹。

在本发明的第四方面中，根据第一至第三方面中的任一方面所述的压力容器，其中在所述蓄压室中的压力在82MPa以下且50MPa以上的范围内变化的情况下，所述螺合部中产生的应力的最大值与最小值之间的差是300MPa以下。

根据第四方面，基于发明人作出的实验和考量，显然，能够减小螺合部中产生的应力的最大值和最小值之间的差(下文中被称为“应力范围”)，这是因为加强环被附接至缸部(参见图6(a)、图6(b)、图7(a)和图7(b))。特别地，如果在蓄压室中的压力在82MPa至50MPa的范围内变化的情况下，应力范围为300MPa以下，则即使在蓄压室具有特别高的压力(诸如氢气站处的储氢容器)时，也能够使用本发明的压力容器。特别地，如果使用满足上述条件且具有2.4以上的安全系数的薄壁管来设计缸部，则能够有助于减小氢气站处的储氢容器的尺寸。顺便提及，在这种情况下，“安全系数”是通过“形成薄壁管的钢材料等的抗拉强度和/或薄壁管的设计中所假定的最大应力”计算出的值。

在本发明的第五方面中，根据第一至第四方面中的任一方面所述的压力容器，其中所述加强环在以收紧所述缸部的方式施加压缩应力的状态下配合至所述缸部。

根据第五方面，由于通过加强环收紧缸部，所以提高了保护密封部和螺合部的效果，并且能够更可靠地抑制氢环境脆化和疲劳裂纹。例如，能够通过将加强环收缩配合至缸部来实现收紧。

在本发明的第六方面中，根据第一至第五方面中的任一方面所述的压力容器，其中所述加强环在所述缸部的径向方向上的厚度是所述缸部的外径的5％以上且10％以下。

根据第六方面，基于发明人对第六方面的实验和考量，显然，具有这样的厚度的加强环能够实现以下两者：保护密封部和螺合部的效果；以及作为产品的压力容器的经济效益和重量。

在本发明的第七方面中，根据第一至第六方面中的任一方面所述的压力容器，其中所述盖部包括延伸部，所述延伸部从所述缸部沿径向向外扩张，其中所述可螺接部包括凹进部，所述凹进部沿径向向外凹进，其中所述延伸部和所述凹进部在所述轴向方向上彼此抵靠，并且其中所述可螺接部的在所述蓄压室侧的所述外周边缘与所述盖部在所述轴向方向上彼此分离。

根据第七方面，由于可螺接部的在蓄压室侧(换句话说，在螺合部附近)的外周边缘与盖部分离，所以由蓄压室中的气体施加在盖部上的力不易于直接传递到螺合部。因此，根据第七方面的压力容器能够进一步可靠地抑制疲劳裂纹的发生。

在本发明的第八方面中，根据第一至第七方面中的任一方面所述的压力容器，其中所述缸部具有直管状且圆筒形的形状。

根据第八方面，由于缸部具有直管状(即，非弯曲的管状形状)且圆筒形的形状，所以与缸部弯曲的情况相比，能够在制造缸部时容易地进行精确的机加工。因此，能够抑制在缸部的内壁表面等上发生机加工裂纹，并且抑制由于机加工裂纹而导致的缸部中的氢环境脆化的发生。另外，也能够提高检查是否存在机加工裂纹的工作效率。

在本发明的第九方面中，根据第一至第八方面中的任一方面所述的压力容器，其中在根据由日本高压气体安全协会定义的超高压气体设备标准KHKS0220(2010)的疲劳裂纹扩展分析中，在具有0.1mm的深度的环状裂纹被假定为所述缸部的所述螺合部中的初始假定裂纹的情况下，疲劳裂纹寿命不小于400,000次。

根据第九方面，由于在根据上述标准的疲劳裂纹扩展分析中，压力容器具有400,000次以上的疲劳裂纹寿命，所以这种能够耐受长期实际使用的压力容器能够作为氢气站处的储氢容器被提供。顺便提及，“400,000次”是假定压力容器每天经受约100次的压力升高和压力降低持续约十年的情况下的值。

本发明的有利效果

根据本发明，能够抑制在蓄压室中储存有氢气的情况下的可螺接部的氢环境脆化以及由于蓄压室的内部压力而导致的可螺接部的疲劳裂纹两者。

附图说明

[图1]图1是示出根据本发明的实施例的压力容器的截面图。

[图2]图2是示出图1中所示的压力容器的一部分的放大截面图。

[图3]图3是示出根据比较例的压力容器的一部分的截面图。

[图4]图4是示出是否存在加强环与裂纹深度的发展或扩展之间的关系的曲线图。

[图5]图5(a)是用于解释根据实施例的压力容器中的应力分布的视图，并且图5(b)是用于解释根据实施例的压力容器的尺寸的视图。

[图6]图6(a)和图6(b)是示出加强环的在蓄压室侧的端部的位置与螺合部中所产生的应力之间的关系的视图。

[图7]图7(a)和图7(b)是示出加强环的在与蓄压室相反的一侧的端部的位置与螺合部中所产生的应力之间的关系的视图。

具体实施方式

<压力容器的结构>

下面将描述根据本发明的实施例的压力容器10。

如图1中所示，本实施例的压力容器10包括：圆筒形缸部1，由钢制成，在其中限定蓄压室11；盖部2，该盖部2由金属制成，该盖部2被设置成封闭圆筒形缸部1的两个端部，并且每一个盖部2都具有通道孔25D；可螺接部3，该可螺接部3由金属制成，该可螺接部3将盖部2固定至圆筒形缸部1；以及加强环4，该加强环4由金属制成，该加强环4配合至圆筒形缸部1的两个端部的外周表面1F。如下文所述，盖部2的面对蓄压室11的压力接收表面2A直接接收蓄压室11中的高压气体的压力。另一方面，可螺接部3通过对应的盖部2与蓄压室11中的气体隔离。压力容器10可以例如被用于储存氢气。

圆筒形缸部1具有直管状且圆筒形的形状，其两个端部都敞开。因此，当制造圆筒形缸部1时，能够进行精确的机加工，诸如镜面抛光，使得圆筒形缸部1的主内表面1A不被损坏或不产生裂纹。例如，如下文将描述的，能够进行质量管理，使得在主内表面1A上不会产生深度为0.5mm以上的机加工裂纹。另外，也容易在制造了圆筒形缸部1之后检查是否存在裂纹。另一方面，作为常规的压力容器，具有管横截面随着其接近开口部而变小的形状的无缝容器(例如，曼内斯曼型(Mannesmann-type)罐或埃尔哈特型(Ehrhardt-type)罐)通常具有比圆筒形缸部1小的开口部。因此，在常规的压力容器中，难以进行与圆筒形缸部1相同的检查。

圆筒形缸部1、盖部2、可螺接部3和加强环4的材料不受特别限制。例如，能够使用锰钢、铬钼钢、镍铬钼钢或其它低合金钢(不包括不锈钢)。通过使用如上所述的具有优异抗拉强度的这些材料，能够提高压力容器10的强度。盖部2、可螺接部3和加强环4可以由与圆筒形缸部1相同的材料制成，也可以由其它材料(例如，碳纤维加强塑料等)制成。盖部2、可螺接部3和加强环4可以由不同的材料制成。

制造圆筒形缸部1的方法不受特别限制。例如，优选的是通过例如锻造、挤出等将圆筒形缸部1形成为一体单元，这是具有很少缺陷的机加工方法。主内表面1A限定蓄压室11并接收高压气体的压力。优选的是：圆筒形缸部1的主内表面1A被镜面抛光成无裂纹。特别地，主内表面1A优选被镜面抛光成在圆筒形缸部1的厚度方向上不具有深度为0.5mm以上的裂纹并且在圆筒形缸部1中不具有表面长度为1.6mm以上的裂纹。通过镜面抛光，能够抑制由氢环境脆化引起的裂纹的发展或扩展。

圆筒形缸部1的轴向方向上的两个端部都形成有从主内表面1A沿径向外凹进的孔部1B。在每一个孔部1B的内周部上都设有母螺纹部1C，可螺接部3螺合到该母螺纹部1C中。然而，在孔部1B的在蓄压室11侧的部分中没有设置母螺纹部1C。

可螺接部3包括公螺纹部30，该公螺纹部30具有管状形状，并且在公螺纹部30的外周部处，公螺纹部30螺合到母螺纹部1C中。可螺接部3附接至圆筒形缸部1的两个端部。在该示例中，包括可螺接部3的圆筒形缸部1的端部结构在圆筒形缸部1的一端和另一端处是相同的。然而，圆筒形缸部1的端部结构在圆筒形缸部1的一端和另一端处可以是不同的。

盖部2包括在蓄压室11侧的第一轴部21和在与蓄压室11相反的一侧的第二轴部23。盖部2包括通道孔25D，该通道孔25D在圆筒形缸部1的轴向方向上穿透第一轴部21和第二轴部23。

盖部2的第一轴部21包括沿径向向外扩张的大直径部20。第一轴部21的比大直径部20离蓄压室11近的部分沿着圆筒形缸部1的主内表面1A延伸。如图2中所示，密封部5(诸如O形环)被设置在第一轴部21和主内表面1A之间。密封部5被布置在离蓄压室11比压力接收表面2A离蓄压室11稍远的位置处。用于以这种方式布置密封部5的凹部被设置在第一轴部21的在蓄压室11侧的外周边缘处。

大直径部20和在圆筒形缸部1的主内表面1A和孔部1B之间的边界部1D在圆筒形缸部1的轴向方向上彼此抵靠。作为结果，限制了大直径部20(因此也限制了盖部2)从边界部1D朝向蓄压室11移动。

具有比大直径部20小的直径且从圆筒形缸部1沿径向向外扩张的延伸部22被设置于在与蓄压室11相反的一侧的大直径部20上。在该示例中，延伸部22具有圆柱形形状。然而，延伸部22的形状不受特别限制，并且可以具有不同于圆柱形的另一种形状。延伸部22可以由多个构件组成。延伸部22可以与大直径部20一体地形成，或者可以与大直径部20分开地形成。在该示例中，大直径部20和延伸部22一体地形成。

盖部2的第二轴部23被布置在可螺接部3的径向内侧。在该示例中，第二轴部23具有圆柱形形状。然而，第二轴部23的形状不受特别限制，并且可以具有不同于圆柱形的另一种形状。第二轴部23可以由多个构件组成。

如图2中所示，可螺接部3包括通孔31，第二轴部23被布置在该通孔31中。可螺接部3在蓄压室11侧的端部处具有沿径向向外凹进的凹进部32。凹进部32和延伸部22在圆筒形缸部1的轴向方向上抵靠。此外，可螺接部3的在蓄压室11侧的外周边缘3A(即，在螺合部12附近的部分)以及大直径部20在圆筒形缸部1的轴向方向上彼此分离，其中凹进部32保持以这种方式抵靠在延伸部22上。

当将可螺接部3从圆筒形缸部1的端部在接近蓄压室11的方向上拧入时，可螺接部3的凹进部32将盖部2的延伸部22朝向蓄压室11挤压。因而，在大直径部20被压靠在圆筒形缸部1的边界部1D上的状态下，限制了盖部2在轴向方向上的移动。此时，由于可螺接部3的外周边缘3A与大直径部20分离，所以外周边缘3A不直接挤压盖部2。相反，在在蓄压室11中储存有高压气体的情况下，由蓄压室11中的气体施加在盖部2上的力不直接传递到外周边缘3A。作为结果，由蓄压室11中的气体施加在盖部2上的力不易传递到螺合部12，并且能够减小在螺合部12中产生的应力。顺便提及，可以在可螺接部3的通孔31的内表面上形成母螺纹，可以在盖部2的第二轴部23的外周表面上形成公螺纹，使得可螺接部3和第二轴部23螺合在一起。

在圆筒形缸部1的轴向方向上，延伸部22优选延伸至离蓄压室11比在母螺纹部1C和公螺纹部30之间的螺合部12的在蓄压室11侧的两个以上的啮合接合的螺纹离蓄压室11远的位置。另外，延伸部22在轴向方向上的长度优选是设置密封部5的位置与可螺接部3的外周边缘3A之间的在轴向方向上的长度L1的54％以下。当延伸部22太短时，不能充分地获得使螺合部12中所产生的应力减小的效果。随着延伸部22延伸得更长，这种效果增大，并且当延伸部22达到预定长度时，这种效果饱和。因此，可以将延伸部22的长度设定成足以施加使螺合部12中所产生的应力减小的效果的适当长度。

延伸部22的外周表面22A优选被定位成以可螺接部3的径向厚度T2(包括公螺纹部30的径向高度(厚度))的45％至80％朝向径向外侧远离可螺接部3的通孔31的内周表面31A。然而，当延伸部22的外周表面22A离公螺纹部30太近时(例如，在外周表面22A在离内周表面31A超过厚度T2的80％的位置处的情况下)，降低了使螺合部12中所产生的应力减小的效果。另外，当延伸部22的外周表面22A离公螺纹部30太远时(例如，在外周表面22A被定位成离内周表面31A小于厚度T2的45％的情况下)，也会降低使螺合部12中所产生的应力减小的效果。

当纽带部(即，包括可螺接部3的公螺纹部30的被定位在延伸部22的径向外侧的部分)的厚度T3过小时，存在诸如当工件被错误地碰撞等时发生纽带部的变形的问题的可能性。纽带部的厚度优选为螺合部12中的螺纹的高度(螺纹的峰和根之间的距离)的180％以上，或者优选为螺合部12中的螺纹的螺距的120％以上。

可以向圆筒形缸部1的主内表面1A施加自紧处理。当施加自紧处理时，形成圆筒形缸部1的主内表面1A的内周层塑性变形，使得在内周表面中产生残余应力。因而，增加了主内表面1A的强度。另一方面，当施加自紧处理时，形成圆筒形缸部1的外周表面1F的外周层比内周层更可能弹性变形。

在压力容器10中，能够通过使圆筒形缸部1成圆筒形来精确地机加工主内表面1A。因此，例如，优选的是将圆筒形缸部1制造成使得在主内表面1A上不发生深度为0.5mm以上的机加工裂纹。另外，通过移除盖部2、可螺接部3等，还能够在制造之后容易且精确地进行圆筒形缸部1的内部检查。作为结果，进一步提高了压力容器10的质量。在完成了内部检查之后，能够将盖部2、可螺接部3等容易地附接至圆筒形缸部1。

如上所述，在本实施例的压力容器10中，由蓄压室11中的气体施加在盖部2上的力不直接从大直径部20传递到可螺接部3的外周边缘3A。作为结果，由蓄压室11中的气体引起的力不集中在螺合部12的在蓄压室11侧的部分(即，第一螺纹12A及其附近)中，并且力能够分布在螺合部12的较大范围上。

在本实施例中，加强环4配合到圆筒形缸部1的两个端部中的每一个端部的外周表面1F。加强环4的厚度优选具有为圆筒形缸部1的外径的5％以上且10％以下的厚度。如下文将描述的，根据由发明人作出的实验和考量，显然，具有这种厚度的加强环4能够实现保护密封部5和螺合部12的效果以及实现作为产品的压力容器10的经济效益和重量的效果。

例如，加强环4能够通过收缩配合被固定至圆筒形缸部1的外周表面1F。然而，将加强环4附接至圆筒形缸部1的方法不受特别限制。例如，加强环1可以被分为多个部分，这些分开的部分可以被附接至圆筒形缸部1的外周表面1F，并且这些部分可以通过焊接等结合在一起。另外，加强环4优选地在以收紧圆筒形缸部1的方式施加压缩应力的状态下配合至圆筒形缸部1。例如，能够通过收缩配合来实现收紧。由于加强环4在圆筒形缸部1上施加压缩应力，所以能够进一步提高保护密封部5和螺合部12的效果。

在本实施例中，圆筒形缸部1的两个端部都敞开，并且加强环4被附接至两个端部。然而，在圆筒形缸部1的仅一个端部敞开的情况下，加强环4仅需要配合至敞开的端部。加强环4优选被布置在圆筒形缸部1的外周表面1F上，以处于与一部分或整个螺合部12对应的位置处。然而，加强环4的位置优选包括与螺合部12的在蓄压室11侧的部分(即，第一螺纹12A及其附近)对应的位置，并且更优选包括与整个螺合部12对应的位置。

加强环4优选被布置在圆筒形缸部1的外周表面1F上，以处于与密封部5对应的位置处。通过借助于加强环4来加强圆筒形缸部1的与密封部5对应的部分的附近，提高了密封部5的密封性能。在从密封部5到螺合部12的距离为L的情况下，从提高密封性能的观点来看，加强环4的在蓄压室11侧的端部4A优选延伸至朝向蓄压室11侧与密封部5分离了0.35L的部分对应的位置(也参见图5(b))。

加强环4优选延伸至与螺合部12的在与蓄压室11相反的一侧的端部(即，图2中的螺纹12B)对应的位置。如上所述，通过以加强环4覆盖与螺合部12的在与蓄压室11相反的一侧的端部(螺纹12B)对应的位置，提高了保护螺合部12的效果。在从密封部5至螺合部12的距离为L的情况下，从保护螺合部12的观点来看，加强环4的在与蓄压室11相反的一侧的端部4B优选延伸至与朝向与蓄压室11相反的一侧与密封部5分离了2.8L的部分对应的位置(也参见图5(b))。

本实施例的压力容器10能够被用作氢气站中的储氢容器，以将氢供应给配备有使用氢作为燃料的燃料电池的机动车辆。例如，压力容器10能够被用于以约70MPa的压力将氢供应给配备有燃料电池的机动车辆。在这种情况下，作为示例，压力容器10在15年内经受重复的压力升高和压力降低400,000次。在具有足够的强度以抵抗这些严苛应用的同时，压力容器10重量轻且零件的数量少。另外，压力容器10在安装在城市区域等处的氢气站所需的安全性和可靠性方面也很优异。

<评价>

进行测试，以比较本实施例的压力容器10与作为比较例的不使用加强环4的压力容器90的效果。在图3中示出了不使用加强环4的压力容器90的截面图。除了不包括加强环4之外，压力容器90具有与上述实施例的压力容器10的构造(例如，参见图2)相同的构造。因此，将省略对压力容器90中所包括的每一个构件的描述。

比较例的压力容器90的圆筒形缸部1由薄壁管(内径

为290mm，外径

为376mm)形成。圆筒形缸部1具有与“根据由日本高压气体安全协会制定的超高压气体设备标准KHKS0220(2010)的疲劳裂纹扩展分析”(参见非专利文献4)对应的形状。在使用这种薄壁管的情况下，当在如下表1中所示的应力范围内使用压力容器90时，安全系数为2.4。顺便提及，在这种情况下，安全系数是通过“形成薄壁管的钢材料的抗拉强度和/或薄壁管中所产生的最大应力”计算出的值。

在比较例的压力容器90的内部压力在50MPa至82MPa之间重复变化的情况下，通过计算机模拟估计在螺合部12的螺纹中所产生的应力值(具体是一次主应力)。在下表1中示出估计的结果。顺便提及，表1中的“应力范围”是每一个螺纹中所产生的应力的最大值和最小值之间的差。如表1中所示，在比较例的压力容器90中，在圆筒形缸部1的第一螺纹12A中所产生的最大应力为842MPa。最大应力的值显著超过高强度钢的屈服应力(通常是785MPa)。另外，第一螺纹的应力范围为329MPa并且超过作为确保疲劳寿命的标准的300MPa。

根据上述标准的疲劳裂纹扩展分析是在假定在圆筒形缸部1的螺合部12处的深度为0.1mm的环状裂纹作为初始假定裂纹的情况下进行的。通过渗透检查或磁粉检查来确认裂纹的存在与否。作为结果，在压力在82MPa至50MPa之间重复变化的情况下，如下表2和图4的曲线图中所示，比较例的压力容器90的疲劳裂纹扩展寿命Na1为74,000次。疲劳裂纹扩展寿命与可允许的循环数同义，并且是疲劳裂纹穿透圆筒形缸部1的循环数N的1/2。比较例的压力容器90的疲劳裂纹扩展寿命Na1比用于氢气站的储氢容器所需的400,000次少得多。因此，在比较例的压力容器90中，作为这种储氢容器，疲劳裂纹扩展寿命是不足的。

[表1]

[表2]

相比之下，如图1和图2中所示，本实施例的压力容器10具有加强环4被附接至圆筒形缸部1的结构。在该示例中，使用了由铬钼钢材料SCM35制成的加强环4。加强环4在圆筒形缸部1的轴向方向上的长度为400mm。加强环4在圆筒形缸部1的径向方向上的厚度为25mm。如图5(b)中所示，在从密封部5到螺合部12的距离为L的情况下，加强环4的在蓄压室11侧的端部4A延伸至与朝向蓄压室11侧与密封部5分离了0.64L的部分对应的位置。加强环4的在与蓄压室11相反的一侧的端部4B延伸至与螺合部12的端部(即，圆筒形缸部1的端部1E)对应的位置。顺便提及，圆筒形缸部1与加强环4之间的摩擦系数为0.3。

在如上文所述地制备的压力容器10上进行与比较例的压力容器90类似的疲劳裂纹扩展分析。作为结果，如图4的曲线图中所示，疲劳裂纹扩展寿命Na2被提高至200,000次。如上所述，显然，能够通过使用加强环4来获得提高疲劳裂纹扩展寿命的效果。

接下来，研究螺合部12中的应力范围与加强环4的长度和布置之间的关系。

图5(a)是示出在使被构造成具有如图5(b)中所示的各种尺寸的压力容器10的内部压力在50MPa至82MPa之间变化的情况下由计算机模拟估计出的在压力容器10中所产生的应力的分布(具体是一次主应力)的视图。在该示例中，在图5(a)中所示的点P处(圆筒形缸部1的第零螺纹的根的附近)产生的应力最大。如图5(b)中所示，当从密封部4的位置至螺合部12的距离为参考距离L时，从压力接收表面2A至螺合部12的在与蓄压室11相反的一侧的端部4B的长度为2.54L，从密封部5至螺合部12的端部4B的长度为2.46L，螺合部12的长度为1.46L，加强环4的外径为3.26L，并且加强环4的长度为3.10L。

图6(a)和图6(b)示出了在将圆筒形缸部1的端部1E与加强环4的端部4B对齐的状态下使加强环4的长度(具体是端部4A的位置)变化的情况下图5(a)中的点P处的应力的值。如图6(b)的表格中所示，显然，当加强环4的在蓄压室11侧的长度增大时，应力范围减小。具体地，应力范围的值减小至180MPa，并且比未设有表1中所示的加强环4的情况下的值(329MPa)小得多。因此，显然，能够通过如图6(a)和图6(b)中所示设定加强环4的长度来进一步提高疲劳裂纹扩展寿命。然而，即使加强环4的在蓄压室11侧的端部4A的位置从对应于-0.33L的位置变为对应于-0.64L的位置，应力范围的值也基本不变。因此，加强环4的最佳长度应被考虑为使得从与密封部5对应的位置至加强环4的端部4A的位置的距离约为-0.35L。

图7(a)和图7(b)示出了在将加强环4的端部4A的位置设定为-0.64L的状态下使加强环4的端部4B的位置变化的情况下图5(a)中的点P处的应力值。显然，随着加强环4的端部4B的位置接近圆筒形缸部1的端部1E，应力范围减小，并且在端部4B的位置超过端部1E之后，应力范围进一步减小，直到端部4B的位置到达2.77L为止。因此，显然，通过使加强环4的端部4B从圆筒形缸部1的端部1E在与蓄压室11相反的方向上稍微突出，提高了螺合部12的加强效果。然而，即使加强环4的端部4B的位置从对应于2.77L的位置变为对应于3.39L的位置，应力范围的值也基本不变。因此，认为，加强环4的从与密封部5对应的位置至与加强环4的端部4B对应的位置的最佳长度为约2.8L。

在加强环4的端部4A、4B的位置被设定为最佳值(即，端部4A：-0.35L，端部4B：2.8L)的情况下，当进行与比较例的压力容器90类似的疲劳裂纹扩展分析时，压力容器10的疲劳裂纹扩展寿命为680,000次(图4的曲线图中未示出)。因此，与表1中所示的比较例的压力容器90的74,000次相比，该疲劳裂纹扩展寿命显著提高。此外，该疲劳裂纹扩展寿命显著高于假定作为用于氢气站的储氢容器的使用次数的400,000次。

如上所述，显然，能够通过适当地确定加强环4的两个端部4A、4B的位置来显著提高圆筒形缸部1的疲劳裂纹扩展寿命。

本发明不限于上述实施例，并且能够在本发明的范围内采用各种变型。例如，本发明不限于上述实施例，并且可以被适当地变型、改进等等。另外，上述实施例中的组成要素的材料、形状、尺寸、数量、布置位置等等是可选的，并且不受限制，只要能够实现本发明即可。

本申请基于2017年10月27日提交的日本专利申请(日本专利申请特愿2017-208590)，其内容通过引用被并入本文中。

工业实用性

根据本发明的压力容器能够抑制在蓄压室中储存有氢气的情况下的可螺接部的氢环境脆化以及由于蓄压室的内部压力而导致的可螺接部的疲劳裂纹两者。例如，能够在氢气站处的储氢容器中使用具有这些效果的根据本发明的压力容器。

附图标记列表

1 圆筒形缸部

1A 主内表面

1B 孔部

1C 母螺纹部

1D 边界部

2 盖部

2A 压力接收表面

3 可螺接部

4 加强环

5 密封部

10 压力容器

11 蓄压室

12 螺合部

20 大直径部

22 延伸部

23 第二轴部

30 公螺纹部

31 通孔

32 凹进部

Claims (9)

1.一种压力容器，包括：

缸部，所述缸部中限定蓄压室；

可螺接部，所述可螺接部被布置在所述缸部的两个端部中的至少一个端部的内侧，所述可螺接部的外周部螺合到所述缸部的内周部中；

盖部，所述盖部被布置在离所述蓄压室比所述可螺接部离所述蓄压室近的位置处，并且所述盖部包括与所述蓄压室面对的压力接收表面；和

加强环，所述加强环配合至所述缸部的外周表面，并且所述加强环沿着所述缸部的轴向方向覆盖所述外周表面的一部分，所述外周表面的所述一部分对应于所述缸部和所述可螺接部的螺合部的一部分或全部。

2.根据权利要求1所述的压力容器，进一步包括：

密封部，所述密封部密封在所述盖部与所述缸部之间的间隙，

其中所述加强环被构造成使得所述加强环的在所述轴向方向上的蓄压室侧的端部位于所述外周表面上的与所述密封部对应的位置处，或者位于离所述轴向方向上的所述蓄压室侧比所述外周表面上的与所述密封部对应的所述位置离所述轴向方向上的所述蓄压室侧近的位置处。

3.根据权利要求1或2所述的压力容器，

其中所述加强环被构造成使得所述加强环的在所述轴向方向上在与所述蓄压室相反的一侧的端部位于所述外周表面上的与所述螺合部在与所述蓄压室相反的一侧的端部对应的位置处，或者位于在所述轴向方向上离开所述蓄压室比所述外周表面上的与所述螺合部在与所述蓄压室相反的所述一侧的所述端部对应的所述位置在所述轴向方向上离开所述蓄压室远的位置处。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的压力容器，

其中在所述蓄压室中的压力在82MPa以下且50MPa以上的范围内变化的情况下，所述螺合部中产生的应力的最大值与最小值之间的差是300MPa以下。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的压力容器，

其中所述加强环在以收紧所述缸部的方式施加压缩应力的状态下配合至所述缸部。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的压力容器，

其中所述加强环在所述缸部的径向方向上的厚度是所述缸部的外径的5％以上且10％以下。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的压力容器，

其中所述盖部包括延伸部，所述延伸部从所述缸部沿径向向外扩张，

其中所述可螺接部包括凹进部，所述凹进部沿径向向外凹进，

其中所述延伸部和所述凹进部在所述轴向方向上彼此抵靠，并且

其中所述可螺接部的在所述蓄压室侧的所述外周边缘与所述盖部在所述轴向方向上彼此分离。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的压力容器，

其中所述缸部具有直管状且圆筒形的形状。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的压力容器，

其中在根据由日本高压气体安全协会定义的超高压气体设备标准KHKS0220(2010)的疲劳裂纹扩展分析中，在具有0.1mm的深度的环状裂纹被假定为所述缸部的所述螺合部中的初始假定裂纹的情况下，疲劳裂纹寿命不小于400,000次。

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