CN112178446B - 一种加氢站用夹套式高压储氢装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种加氢站用夹套式高压储氢装置，该装置采用非焊接双层圆筒结构，内容器为大容积无缝气瓶，外容器为单面敞口的大容积无缝气瓶，内外容器一侧通过支撑杆，另外一侧通过端塞板实现内容器在外容器中的支撑。在内容器内充入高压氢气，在外容器内充装高压氮气作为平衡气体。通过平衡气体压力调节内容器应力水平，降低内容器的裂纹扩展驱动力。内容器可采用氢相容性能好的奥氏体不锈钢制造，外容器则可采用高强度钢来承受高压氮气。本发明有效解决了当前单层储氢容器材料氢脆的难题，也克服了现有多层高压储氢装置制造工艺复杂，焊缝多且密集，焊接质量控制难度大，生产周期长，成本高的缺点。

Description

一种加氢站用夹套式高压储氢装置
技术领域
本发明涉及新能源储运领域，涉及一种加氢站用夹套式高压储氢装置，特别涉及一种适用高压氢气的固定式储存装置。
背景技术
氢燃料电池汽车产业中，加氢站需要将氢气压缩至45MPa-99MPa压力并储存于高压储氢装置中，高压储氢装置为钢制单层或多层的圆柱壳压力容器。按照目前市场上加氢站的加注工艺要求，加氢站的高压储氢装置在其设计寿命内需要承受约10万次波动幅度约20MPa的疲劳载荷，一旦储氢装置因疲劳发生突然失效，将产生氢气爆炸，引起灾难性的后果。
然而，长期在高压氢环境中服役的过程中，储氢装置会因材料氢脆产生耐久性下降，疲劳裂纹扩展速率大幅度加快，导致其抗疲劳失效性能大幅降低，随着储氢压力的升高，材料氢脆敏感性上升，这一问题更加突出，因此，保障高压储氢装置的耐久性是确保加氢站长期安全稳定运行的关键问题。
现有技术中，解决高压储氢装置因氢脆而导致的耐久性下降问题主要有两种技术方案：一种是用低合金高强钢制造的单层、大壁厚、非焊接压力容器，该方案通过增加储氢装置的壁厚和自增强技术有效降低储氢装置内壁的应力水平，从而降低储氢容器氢脆导致的疲劳风险，这种方案的优势是制造工艺相对简单，但其缺点是有效容积率很低、大壁厚非焊接容器只能采用单面热处理工艺，容器壁厚过大导致淬火热处理的淬透性很差，难以保证热处理后材料性能；另一种是采用多层同心圆柱壳复合成的多层储氢装置，该方案储采用碳纤维、钢带或钢板等缠绕或包扎于奥氏体不锈钢制的薄壁容器外，借助奥氏体不锈钢本身氢脆敏感性低的特点来降低储氢装置的氢脆疲劳风险，这种方案的优点是抗氢脆性能好、有效容积大，其缺点是多层储氢装置制造工艺复杂，焊缝多且密集，焊接质量控制难度大，生产周期长，成本高。可见，现有技术仍未能解决燃料电池产业发展要求高压储氢装置有效容积大、抗氢脆性能好、制造可靠性高且成本低的需求。
发明内容
本发明为克服现有技术的不足，提出一种加氢站用夹套式高压储氢装置。
本发明的技术方案是：
一种加氢站用夹套式高压储氢装置，包括内容器和外容器,所述的内容器为具有氢相容性材料-奥氏体不锈钢制造的大容积无缝气瓶，充装高压氢气；外容器为高强钢无缝钢管制造的厚壁圆筒，充装平衡气体氮气；通过内压压力的有效调控，降低内容器的工作应力水平；内容器和外容器一端通过支撑杆连接，另一端通过带有中心孔的外容器下端盖和内容器瓶口连接，形成内容器和外容器两个密闭腔体，在容器下端通过密封管实现两个腔体的同时密封。
进一步，所述内容器的最高工作压力为p1，最低工作压力为p3，设计压力为pi，外压屈曲临界压力为pii，外容器设计压力为p2，内容器的设计压力pi和外容器的设计压力p2应满足以下关系
Figure BDA0002681280260000021
根据本发明所述一种加氢站用夹套式高压储氢装置，进一步，内筒体采用抗氢脆的316L奥氏体不锈钢或6061铝合金制造，外筒体采用高强钢制造，在内容器和外容器之间的腔体中充装平衡气体，通过多层容器间压差提升储氢装置抗氢脆性能。
根据本发明所述一种加氢站用夹套式高压储氢装置，进一步，在充装时对内外容器同时充装，工作时外容器腔内压力不变，内腔工作压力改变，内腔最高工作压力可超过100MPa。
根据本发明所述一种加氢站用夹套式高压储氢装置，进一步，内容器的两端采用旋压工艺制造并收口形成半球形封头；其中一端瓶口开有中心孔，另一端瓶口可开中心孔也可开盲孔。
根据本发明所述一种加氢站用夹套式高压储氢装置，进一步，外容器一端采用旋压工艺制造并收口形成半球形封头；另一端进行扩孔并加工内螺纹。
根据本发明所述一种加氢站用夹套式高压储氢装置，进一步，密封管具有阶梯型外径，最前端直径最小，可插入内容器瓶口开孔中并具有一定的配合间隙；最末端直径最大，可插入外容器下端盖中心孔中并具有一定的配合间隙；每段直径均安装有自紧式密封组件；密封管通过螺纹与外容器下端盖连接，为可拆卸式结构。
所述自紧式密封组件包括O形圈+楔形垫或楔形压块。
根据本发明所述一种加氢站用夹套式高压储氢装置，更进一步，所述的自紧式密封组件在密封圈两侧均安装有限位的压块和填补空隙的楔形垫。
根据本发明所述一种加氢站用夹套式高压储氢装置，进一步，内容器的密封组件在密封圈两侧均安装有限位的压块或填补空隙的楔形垫，可实现内容的内压和外压密封。
进一步，本发明提供了一种加氢站用夹套式高压储氢装置，该装置包括内容器(组件)、外容器(组件)：
所述内容器组件包括：内筒体、内容器上端盖、内容器下端盖、连接杆、内容器密封组件。内筒体为大容积薄壁无缝气瓶，两端旋压收口并开有中心孔，下端开孔为介质进/出口。内容器上端盖为盲孔型瓶塞，与内容器上端瓶口通过螺纹连接，两者之间安装有内容器密封组件。内容器下端盖为圆环形端盖，与内容器下端瓶口通过螺纹连接。连接杆为活塞杆型直杆，其下端通过螺纹与内容器上端盖中心盲孔连接。
所述内容器密封组件包括O形圈和内容器密封挡圈。
所述外容器组件包括：外筒体、外容器上端盖、外容器下端盖、压紧螺盖、连接套、外容器密封组件，密封管、密封管密封组件、O形圈、支座。外筒体为单侧旋压收口的无缝钢管，上端旋压收口并开有中心孔，下端进行扩孔并开内螺纹，外筒体的内直径大于内筒体外直径，长度大于内筒体长度。外容器上端盖为盲底瓶塞，与外容器上瓶口通过螺纹连接，两者之间安装O形圈实现外容器上端密封。连接套为活塞套，通过螺纹连接于外容器上端盖内部中心孔，连接套的活塞套内直径与内容器组件中的连接杆活塞杆外直径相配合。外容器下端盖为开有多个贯通孔的厚壁平盖，为边缘带有锥面的凸肩型压盖，其中心孔为阶梯型贯通孔，贯通孔的直径略大于内容器下瓶口介质进/出气口直径但小于内容器下瓶口外直径，中心孔最大直径与内容器下瓶口外直径相配合，沉孔深度不大于内容器下瓶口长度。外容器下端盖侧面开孔作为外容器介质进/出口。外容器下端盖锥面上安装外容器密封组件。压紧螺盖为开有外螺纹的圆环形零件，外容器下端盖与外筒体通过压紧螺盖连接与外筒体敞口端的螺纹连接。支腿为角钢焊制支腿或常见立式容器支腿结构，焊接或螺纹连接于外容器下端起支撑外容器作用。密封管为具有阶梯直径的长管，其内径小于内筒体进/出气孔直径，阶梯段外直径分别与内筒体下端中心孔直径和外容器下端盖上的中心孔直径相配合，密封管外直径改变处为锥形面，各直径段均安装有多组密封管密封组件，通过密封管可同时实现内容器和外容器介质的密封。
所述外容器密封组件包括O型圈和楔形垫。
所述密封管密封组件包括O型圈、楔形垫、楔形压块和压盖。
本发明在内容器内充入高压氢气，在外容器内充装高压氮气作为平衡气体。通过平衡气体压力调节内容器应力水平，降低内容器的裂纹扩展驱动力。内容器可采用氢相容性能好的奥氏体不锈钢制造，外容器则可采用高强度钢来承受高压氮气。
本发明的实现原理如下：本发明的安装方式为：将内容器组件上部的连接杆和外容器组件上部连接套相连，将内容器组件下端瓶口与下外容器组件下端盖相连，旋紧压紧螺盖，形成内容器组件在外容器组件中的两点支撑结构，将密封管安装于外容器下端盖中心孔处，内容器内部通过密封管中心孔与外部连通，外容器内部通过外容器下端盖侧面开孔与外部连通。其中，密封管与内容器下瓶口内直径之间，与外容器下端盖中心孔之间均安装有组合密封圈。
本发明的工作原理为：内容器储存高压氢气，外容器储存高压氮气。设内容器的最高工作压力为p1，内容器的设计压力为pi，外压屈曲临界压力为pii，外容器设计压力为p2，工作中，由于载荷负荷的变化，内容器工作压力在p1～p3之间循环变化(p1＞p3)。内容器的设计压力pi和外容器的设计压力p2应满足
Figure BDA0002681280260000041
上式的限制条件中，保证pi≥p1-p2降低了内容器的设计压力和壁厚，提升了内容器的有效容积；保证pii>p2-p3使得内容器在最低工作压力下时不发生外压屈曲失效；保证p2＞p3使得内容器在工作载荷周期中处于内压/外压循环，降低了内容器壁的平均应力水平。
本发明的有益效果是：
在结构形式方面，本发明采用非焊接多层套合结构形式，全螺纹连接不进行焊接，内容器为薄壁容器，具有较大的有效内容积。外容器一侧旋压收口另一侧敞口，方便进行双面热处理，淬透性易保证。与现有多层储氢装置技术相比，本发明克服了多层储氢装置技术焊缝多、焊接质量难以控制的缺点，继承了多层储氢装置有效容积大的优点。与现有单层储氢装置技术相比，本发明结构克服了单层储氢装置壁厚过大热处理后淬透性难以保证、有效容积小的缺点，继承了单层储氢装置非焊接，制造可靠性和效率高的优点。
在抗氢脆性能方面，本发明通过外容器压力降低内容器的工作压力，内容器在疲劳载荷循环中工作于内压-外压循环状态，内容器壁材料工作应力水平很低，可有效抑制疲纹扩展，从而抵抗氢脆对储氢装置的损伤。
在结构可靠性方面，本发明的外容器在储氢装置正常工作时压力保持恒定，若内容器破裂，外容器能够起到保护壳作用，将泄漏介质和爆炸压力封锁在外容器内，从而分散风险点，使储氢装置不会因一次失效而导致灾难性的后果，为现场人员逃生和事故紧急处理赢得时间，具有本质安全性。本发明利用外容器和内容器间的压力差，将高压氢气密封压力由p1降低至p1-p2，有效提升密封管上高压氢气密封的可靠性。
附图说明
图1为本发明一种加氢站用夹套式高压储氢装置结构简图；
图2(a)外容器的上部的局部结构图；(b)外容器的下部的局部结构图；(c)内容器的上部的局部结构图；(d)内容器的下部的局部结构图；
图3为密封管密封组件结构图；
图中标记为：1.外容器上端盖；2.连接套；3.连接杆；4.内容器上端盖；5.内筒体；6.外筒体；7.压紧螺盖；8.外容器下端盖；9.支腿；10.O形圈；11.内容器下端盖；12.密封管；13.内容器密封挡圈；14.密封管密封组件(包括10.O形圈；15.楔形垫；16.楔形压块；17.压盖)；18.外容器密封组件(包括10.O形圈；16.楔形垫)
具体实施方式
以下结合附图，对本发明作进一步说明。
本发明方法的实现过程如下：
一种加氢站用夹套式高压储氢装置：
组装内容器组件，将内容器上端盖4和连接销3通过螺纹相连，将O形圈10和内容器密封挡圈13安装于内筒体5上端瓶口内的平台上，将内容器上端盖4与内筒体5通过螺纹连接，将内容器下端盖11与内筒体5通过螺纹连接，完成内容器组件的组装。
组装外容器组件，将外容器上端盖1与连接套2通过螺纹连接，将O形圈10安装于外筒体6上端瓶口的平台上，将外容器上端盖1与外筒体6通过螺纹连接，将内容器组件通过连接杆3与连接套2对中配合安装，形成内容器和外容器上端的一点支撑结构，将外容器密封组件18安装于外容器下端盖8的凹槽中，将内容器组件下端瓶口与外容器下端盖8中心开孔相配合后，将内容器组件和外容器下端盖8塞入外筒体6中，将压紧螺盖7套在外筒体下端盖8之外，旋紧压紧螺盖7和外筒体6下端的螺纹连接，完成外容器组件安装。内容器组件在外容器组件中通过连接套2与连接杆3之间的连接以及外容器下端盖8与内筒体5下瓶口之间的连接形成两点支撑结构，由于连接套2和连接杆3之间的连接为活塞连接，因此在承受压力时，内容器组件在轴向可以自由膨胀，没有轴向约束力，内容器下端盖11与外容器下端盖8中心孔直接接触，在磨损之后可进行更换。
安装密封管组件，如图3所示，将楔形垫15、O形圈10、楔形垫15、楔形压块16依次安装于密封管12的第一道密封面处，该密封面作用是内容器介质压力的密封，再将压盖17安装于密封管12的第一道密封组件之上，将楔形垫15、O形圈10依次安装于密封管12的第二道密封面处，该密封面的作用是外容器介质压力的密封，最后将组装好的密封管12通过螺纹与外容器下端盖8的中心孔相连接，其第一道密封位于密封管外径与内筒体下瓶口内径之间，第二道密封位于密封管外径与外容器下端盖中心孔之间，完成本发明的组装过程。
在本发明的充装过程中，通过外容器下端盖8侧面开孔与外容器介质气源(以氮气为例)相连接，将12密封管开孔与高压氢气源相连，对内筒体5内部和外筒体6内部同时充装压缩气体，直至内容器达到最高工作压力p1且外容器达到工作压力p2，完成充装。
在本发明的工作过程中，内筒体5工作压力在p1～p3之间循环，外筒体6内的工作压力保持p2不变。当内筒体5内压力为最高工作压力p1时，内筒体5上端瓶口处的O型10形成密封压力为p1-p2的氢气密封；内筒体5下端与密封管12第一道密封组件(O形圈10+楔形垫15)之间形成密封压力为p1-p2的氢气密封；外容器下端盖8与密封管12第二道密封组件(O形圈10+楔形垫15)形成密封压力为p2的氮气密封；外容器上端盖1与外筒体上端瓶口之间的O形圈10形成密封压力为p2的氮气密封，此时内筒体5承受的压力为p1-p2(内压)，外筒体6承受的压力为p2(内压)。当内筒体压力为最低工作压力p3时，内筒体5上端瓶口处的O形圈10形成密封压力为p2-p3的氢气密封，压力方向改变180°，此时内容器密封挡圈13可防止O形圈10在密封压力下向内挤出，保持密封面可靠性；内筒体5下端与密封管12第一道密封组件(O形圈10+楔形垫15+16楔形压块+压盖17)之间形成密封压力为p2-p3的氢气密封，压力方向改变180°，此时16楔形压块+压盖17可防止O形圈10向内挤出，保持密封面可靠性；外容器下端盖8与密封管12第二道密封组件(O形圈10+楔形垫15)形成密封压力为p2的氮气密封；外容器上端盖1与外筒体上端瓶口之间的O形圈10形成密封压力为p2的氮气密封，此时内筒体5承受的压力为p2-p3(外压)，外筒体6承受的压力为p2(内压)。
在本发明的维护过程中，将内筒体5内的氢气与外筒体6内的氮气同步泄放，通过专用系统控制内筒体5内的压力与外筒体6内的压力差在一定范围内。泄放结束后，拆除外筒体下端盖8和密封管12上的外部接管，使用专用工具拆除密封管12，可对密封管12上的密封组件(O形圈10，楔形垫15)进行更换。
以上所述，仅是本发明的一个实施案例，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已经已较合适的实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的结构及技术内容做出某些修改而成为等同变化的等效实施案例。
例如，密封管12上的密封结构可不采用O形圈10+楔形垫15形式，任何经过工程经验认可的高压自紧式密封结构形式如弹簧+C型圈、弹簧+O形圈+梯形垫等均可用于本发明的密封。
又例如，支腿9可采用焊接支腿、裙座、螺柱等结构形式。
又例如，内筒体5内储存的介质并不限定为高压氢气，同样也适用于其他对材料具有侵蚀作用的气体。
又例如，外筒体6内充装的平衡气体并不限定为高压氮气，同样也适用于其他保护性气体如氩气。
又例如，多层储氢装置的层数并不限定为2层，同样也适用于层数＞2的多层高压储氢装置。
又例如，多层储氢装置并不限定为平盖端在下球形封头在上，根据工艺要求也可倒置或变为卧式结构。
但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范围内。

Claims (7)

1.一种加氢站用夹套式高压储氢装置，包括内容器和外容器,其特征在于：所述的内容器为具有氢相容性材料-奥氏体不锈钢制造的大容积无缝气瓶，充装高压氢气；外容器为高强钢无缝钢管制造的厚壁圆筒，充装平衡气体氮气；通过内压压力的有效调控，降低内容器的工作应力水平；内容器和外容器一端通过支撑杆连接，另一端通过带有中心孔的外容器下端盖和内容器瓶口连接，形成内容器和外容器两个密闭腔体，在容器下端通过密封管实现两个腔体的同时密封；
所述内容器包括：内筒体、内容器上端盖、内容器下端盖、连接杆、内容器密封组件；内筒体为大容积无缝气瓶，两端旋压收口并开有中心孔，下端开孔为介质进/出口；内容器上端盖为盲孔型瓶塞，与内容器上端瓶口通过螺纹连接，两者之间安装有内容器密封组件；内容器下端盖为圆环形端盖，与内容器下端瓶口通过螺纹连接；连接杆为活塞杆型直杆，其下端通过螺纹与内容器上端盖中心盲孔连接；所述外容器包括：外筒体、外容器上端盖、外容器下端盖、压紧螺盖、连接套、外容器密封组件，密封管、密封管密封组件、O形圈、支座；
内容器的最高工作压力为p1，最低工作压力为p3，设计压力为pi，外压屈曲临界压力为pii，外容器设计压力为p2，内容器的设计压力pi和外容器的设计压力p2应满足以下关系
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。
2.根据权利要求1所述一种加氢站用夹套式高压储氢装置，其特征在于：内筒体采用抗氢脆的316L奥氏体不锈钢或6061铝合金制造，外筒体采用高强钢制造，在内容器和外容器之间的腔体中充装平衡气体，通过多层容器间压差提升储氢装置抗氢脆性能。
3.根据权利要求1所述一种加氢站用夹套式高压储氢装置，其特征在于：在充装时对内外容器同时充装，工作时外容器腔内压力不变，内腔工作压力改变，内腔最高工作压力可超过100MPa。
4.根据权利要求1所述一种加氢站用夹套式高压储氢装置，其特征在于：内容器的两端采用旋压工艺制造并收口形成半球形封头；其中一端瓶口开有中心孔，另一端瓶口可开中心孔也可开盲孔。
5.根据权利要求1所述一种加氢站用夹套式高压储氢装置，其特征在于：外容器一端采用旋压工艺制造并收口形成半球形封头；另一端进行扩孔并加工内螺纹。
6.根据权利要求1所述一种加氢站用夹套式高压储氢装置，其特征在于：密封管为具有阶梯外径的直管，其内径小于内筒体进/出气孔直径，最前端外直径最小，可插入内容器瓶口开孔中并具有一定的配合间隙；密封管外直径改变处为锥面，最末端外直径最大，可插入外容器下端盖中心孔中并具有一定的配合间隙；每段直径均安装有自紧式密封组件；密封管通过螺纹与外容器下端盖连接，为可拆卸式结构，通过密封管可同时实现内容器和外容器介质的密封。
7.根据权利要求1所述一种加氢站用夹套式高压储氢装置，其特征在于：内容器的密封组件在密封圈两侧均安装有限位的压块或填补空隙的楔形垫，可实现内容的内压和外压密封。
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