CN111963884B - 一种超高压储氢容器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及氢能源存储技术领域，尤其涉及一种超高压储氢容器，包括双层筒体、设置在筒体两侧的盖体、用于连接双层筒体和两端的盖体的自紧式密封组件，所述双层筒体的内层用于抑制氢原子渗透，外筒体用于保证筒体强度，所述自紧式密封组件，所述双层筒体中的外筒体上开设有泄漏孔。该发明的优点在于：本申请通过设置双层结构，两层实现不同的效果，并且泄漏孔能在超过设定压强的情况下释放氢气，防止容器爆炸，该结构大大的增加超高压氢气储罐的安全性能。

Description

一种超高压储氢容器
技术领域
本发明涉及氢能源存储技术领域，尤其涉及一种超高压储氢容器。
背景技术
化石能源面临的问题是即受资源总量制约，又受地球变暖等环境问题制约。氢能具有零污染、资源丰富、燃烧值高等优点，成为公认的理想新能源，甚至被认为是人类能源问题的终极解决方案。
储氢是氢能利用必须解决的关键问题。由于氢具有易燃易爆、易泄漏、易造成材料氢脆、质量轻难压缩等特征，给其安全高效储存带来了很大挑战。尽管目前存在液氢、材料化合或吸附等多种储氢模式，但仍然以高压储氢为主导模式。同时，随着氢能产业的发展，对储氢压力的要求越来越高。特别是对于相关测试系统，储氢压力需求超过100MPa，即进入超高压领域。
超高压氢气储罐中的氢气一旦泄露，可能引起较严重后果容易形成爆炸性环境。对于高压储氢容器的设计与制造研究较多，但对于超高压级别的储氢容器研究鲜见报道。
与常规超高压容器不同，本设备介质为氢气，存在常温高压氢气的氢脆问题。因为设备是单层结构，所以须特别重视设备脆断及疲劳问题，一旦裂纹失稳扩展，则可能会造成重大事故，所以一般希望设备能满足未爆先漏原则；若不能满足时，则设备按裂纹扩展速率确定使用寿命。但要计算设备是否满足未爆先漏及确定疲劳裂纹扩展速率。
(1)常温高压氢气环境下，氢脆的敏感度随材料强度的提高而增加，尤其当材料抗拉强度大于882MPa时，氢脆敏感性增加明显(断裂韧性显著降低)；
(2)SCM 435(相当于国内的35CrMo材料)在115MPa H2环境下(拉伸应变速率：2×10-5mm/s)KIH仅为43MPa*m1/2(空气环境下KIC为224MPa*m1/2)；
图3、图4、图5分别是1Cr-0.25Mo等铬钼钢屈服强度、有害元素含量及氢分压对临界应力强度因子KTH的影响。
由以上分析可知，常温高压氢气环境下，氢脆问题还是很严重的。
超高压氢气储罐可能存在的失效模式、脆性断裂、氢脆、塑性垮塌、局部过度应变、疲劳断裂、棘轮失效。
发明内容
为了提供能实现超高压状态下易爆的氢气存储，为此，本发明提供一种超高压储氢容器。本发明采用以下技术方案：
一种超高压储氢容器，包括双层筒体、设置在筒体两侧的盖体、用于连接双层筒体和两端的盖体的自紧式密封组件，所述双层筒体的内层用于抑制氢原子渗透，外筒体用于保证筒体强度，所述自紧式密封组件，所述双层筒体中的外筒体上开设有泄漏孔。
进一步地说，所述双层筒体的外筒体和内筒体采用热套的方法套合，所述内筒体为高合金不锈钢材料，外筒体为高强钢材料或超高强钢材料。
进一步地说，所述泄漏孔包括渗透泄漏孔，所述渗透泄漏孔穿过外筒体的厚度方向。
进一步地说，所述盖体包括凸肩头盖和压紧顶盖，所述自紧式密封组件包括螺母、压环，所述凸肩头盖包括由筒体内向外依次设置的且直径依次减小的柱型段、圆台段、过渡段、螺纹段；所述柱型段的外侧面紧贴内筒体的内侧壁，所述压紧顶盖位于内筒体最深处的内侧面与圆台段外侧面紧贴；所述螺纹段穿过压紧顶盖的外侧端且伸出，所述螺母套在伸出的螺纹段上。
进一步地说，所述压紧顶盖上开设有放置垫环的环形槽，环形槽的外侧面的直径不小于螺母的外直径。
进一步地说，所述柱型段靠外的端面与压紧顶盖靠内的端面之间有环形空隙，所述环形空隙从外到内依次套有压环和第二密封圈组件，所述第二密封圈组件包括紧贴圆台段外侧面的内挡环、紧贴内筒体且分别位于环形缝隙左右两侧的第一外挡环和第二外挡环，所述外挡环与内挡环之间设置有密封垫圈。
进一步地说，所述密封垫圈沿着环形缝隙宽度方向阵列多个。
进一步地说，所述柱型段面向筒体内的面上设置有支撑环，所述柱型段靠近支撑环端部的侧面设置有截面为直角梯形的环形槽，所述环形槽从靠近支撑环的一侧依次设置第二挡环、O型密封圈、三角垫，所述三角垫放置在梯形的楔角内。
进一步地说，所述泄漏孔还包括密封泄漏孔，所述密封泄漏孔的两端分别在外筒体外侧壁、压环与压紧顶盖连接处。
进一步地说，还包括介质进出孔，所述介质进出孔穿过凸肩头盖的两端。
本发明的优点在于：
(1)本申请通过设置双层结构，两层实现不同的效果，并且泄漏孔能在超过设定压强的情况下释放氢气，防止容器爆炸，该结构大大的增加超高压氢气储罐的安全性能。
(2)热套方法和两筒体使用的材料保证了超高压容器筒体强度的同时又能有效防止氢气在高强(超高强度)钢中的扩散而导致氢脆。
(3)所述渗透泄漏孔能有效释放因内筒失效而渗透氢气。
(4)盖体和自紧式密封组件的组合，0型圈和其他结构的配合实现多重密封。
(5)密封泄漏孔用来泄放失效造成的介质泄漏。
(6)所述介质进出孔用于容器内的介质的进出。
(7)通过凸肩头盖、盖体、自紧式密封组件的结构设计既能便捷拆装又能实现密封件的锁紧，泄漏孔的设置保证了超高压储氢容器端部结构的未爆先漏原则，进而保证容器的安全使用要求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为挡环、垫环、三角垫处的放大图。
图3、图4、图5分别是1Cr-0.25Mo等铬钼钢屈服强度、有害元素含量及氢分压对临界应力强度因子KTH的影响。
图中标注符号的含义如下：
11-外筒体 111-渗透泄漏孔 112-密封泄漏孔 12-内筒体
21-凸肩头盖 211-柱型段 212-圆台段 213-过渡段 214-螺纹段
22-压紧顶盖 23-介质进出孔
311-螺母 312-垫环
321-压环 322-第二密封圈组件
3221-内档环 3222-第一外挡环 3223-密封垫圈 3224-第二外挡环
331-支撑环 332-第二挡环 333-O型密封圈 334-三角垫
具体实施方式
如图1和图2所示，一种超高压储氢容器，包括双层筒体、设置在筒体两侧的盖体、用于连接双层筒体和两端的盖体的自紧式密封组件，所述双层筒体的内层用于抑制氢原子渗透，外筒体11用于保证筒体强度，所述自紧式密封组件，所述双层筒体中的外筒体11上开设有泄漏孔。
所述双层筒体的外筒体11和内筒体12采用热套的方法套合，所述内筒体12为高合金不锈钢材料，其主要作用是有效的抑制氢原子渗透，外筒体11为高强钢材料或超高强钢材料，且为整体锻造结构，其主要功能是保证筒体强度。
所述泄漏孔包括渗透泄漏孔111和密封泄漏孔112，所述盖体上设置有介质进出孔，所述渗透泄漏孔111穿过外筒体11的厚度方向，能有效释放因内筒失效而渗透氢气，该结构在保证了超高压容器筒体强度的同时又能有效防止氢气在高强(超高强度)钢中的扩散而导致氢脆，大大的增加超高压氢气储罐的安全性能。所述密封泄漏孔112的两端分别在外筒体11外侧壁、压环321与压紧顶盖22连接处。所述介质进出孔23穿过凸肩头盖21的两端，完成介质的填充和置换。
所述盖体包括凸肩头盖21和压紧顶盖22，所述自紧式密封组件包括螺母331、压环321，所述凸肩头盖21包括由筒体内向外依次设置的且直径依次减小的柱型段211、圆台段212、过渡段213、螺纹段214；所述柱型段211的外侧面紧贴内筒体12的内侧壁，所述压紧顶盖22位于内筒体最深处的内侧面与圆台段212外侧面紧贴；所述螺纹段214穿过压紧顶盖22的外侧端且伸出，所述螺母331套在伸出的螺纹段214上。螺纹段214的设置能保证了在超高压工况下的安全性和可靠性。
所述压紧顶盖22上开设有放置垫环312的环形槽，环形槽的外侧面的直径不小于螺母331的外直径。垫环312用于调节螺母平整度。
所述柱型段211靠外的端面与压紧顶盖22靠内的端面之间有环形空隙，所述环形空隙从外到内依次套有压环321和第二密封圈组件322，所述第二密封圈组件包括紧贴圆台段外侧面的内挡环3221、紧贴内筒体12且分别位于环形缝隙左右两侧的第一外挡环3222和第二外挡环3224，所述外挡环与内挡环3221之间设置有密封垫圈3223。所述密封垫圈3223沿着环形缝隙宽度方向阵列3个。
所述柱型段211面向筒体内的面上设置有支撑环331，所述柱型段靠近支撑环331端部的侧面设置有截面为直角梯形的环形槽，所述环形槽从靠近支撑环331的一侧依次设置第二挡环332、O型密封圈333、三角垫334，所述三角垫334放置在梯形的楔角内。密封所用第二挡环332及三角垫334的组合设计，通过端部锁紧结构来实现容器的自紧密封和减少介质的泄漏，即保证容器的安全可靠性也减少因介质泄漏造成的经济损失。
所述自紧组件螺母311及垫环312主要用于在压紧顶盖22与凸肩头盖21固定后适当拧紧螺母311来提升凸肩头盖21距离，以满足第二密封圈组件322的初始密封即可。所述第二挡环332、O型密封圈333、三角垫334为第一道密封，能满足初始密封和高压密封要求，减少了氢气在低压工况的泄漏。所述圆台段212处的压环321和第二密封圈组件322为第二道密封，即满足了高压自紧密封又进一步的减少氢气渗透泄漏。进一步的在所述筒体的在外筒开设密封泄漏孔112，来泄放因密封失效造成的介质泄漏。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超高压储氢容器，其特征在于，包括双层筒体、设置在筒体两侧的盖体、用于连接双层筒体和两端的盖体的自紧式密封组件，所述双层筒体的内层用于抑制氢原子渗透，外筒体(11)用于保证筒体强度，所述双层筒体中的外筒体(11)上开设有泄漏孔；
所述盖体包括凸肩头盖(21)和压紧顶盖(22)，所述自紧式密封组件包括螺母(311)、垫环(312)，所述凸肩头盖(21)包括由筒体内向外依次设置的且直径依次减小的柱型段(211)、圆台段(212)、过渡段(213)、螺纹段(214)；所述柱型段(211)的外侧面紧贴内筒体(12)的内侧壁，所述压紧顶盖(22)位于内筒体最深处的内侧面与圆台段(212)外侧面紧贴；所述螺纹段(214)穿过压紧顶盖(22)的外侧端且伸出，所述螺母(311)套在伸出的螺纹段(214)上；
所述柱型段(211)靠外的端面与压紧顶盖(22)靠内的端面之间有环形空隙，所述环形空隙从外到内依次套有压环(321)和第二密封圈组件(322)，所述第二密封圈组件包括紧贴圆台段外侧面的内挡环(3221)、紧贴内筒体(12)且分别位于环形缝隙左右两侧的第一外挡环(3222)和第二外挡环(3224)，所述外挡环与内挡环(3221)之间设置有密封垫圈(3223)；
所述柱型段(211)面向筒体内的面上设置有支撑环(331)，所述柱型段靠近支撑环(331)端部的侧面设置有截面为直角梯形的环形槽，所述环形槽从靠近支撑环(331)的一侧依次设置第二挡环(332)、O型密封圈(333)、三角垫(334)，所述三角垫(334)放置在梯形的楔角内。
2.根据权利要求1所述的一种超高压储氢容器，其特征在于，所述双层筒体的外筒体(11)和内筒体(12)采用热套的方法套合，所述内筒体(12)为高合金不锈钢材料，外筒体(11)为高强钢材料或超高强钢材料。
3.根据权利要求2所述的一种超高压储氢容器，其特征在于，所述泄漏孔包括渗透泄漏孔(111)，所述渗透泄漏孔(111)穿过外筒体(11)的厚度方向。
4.根据权利要求1所述的一种超高压储氢容器，其特征在于，所述压紧顶盖(22)上开设有放置垫环(312)的环形槽，环形槽的外侧面的直径不小于螺母(311)的外直径。
5.根据权利要求1所述的一种超高压储氢容器，其特征在于，所述密封垫圈(3223)沿着环形缝隙宽度方向阵列多个。
6.根据权利要求3所述的一种超高压储氢容器，其特征在于，所述泄漏孔还包括密封泄漏孔(112)，所述密封泄漏孔(112)的两端分别在外筒体(11)外侧壁、压环(321)与压紧顶盖(22)连接处。
7.根据权利要求1所述的一种超高压储氢容器，其特征在于，还包括介质进出孔(23)，所述介质进出孔(23)穿过凸肩头盖(21)的两端。
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