CN112762348B - 介质为氢气的高温超高压容器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使用温度在400℃以下的介质为氢气的高温超高压容器，包括外管体、外管体中的内衬、通过预紧螺栓固定在外管体端面上的端盖、设在内衬端面上的端盖内衬，在内衬端面与端盖内衬之间设有密封垫，端盖内衬靠紧固螺栓穿过端盖压紧在内衬的端面上，在端盖内衬与内衬之间的腔体中充满氢气，外管体与内衬通过热套装的方式进行装配，外管体提供强度，内衬具备抗氢性能，外管体、端盖、预紧螺栓采用35CrNi3MoV或者36CrNi3MoV钢进行加工制造，内衬与端盖内衬选用热膨胀系数与35CrNi3MoV或者36CrNi3MoV钢相近的NO6625奥氏体不锈钢材料，密封垫选用316L材料，解决了介质为氢气的超高压容器材料发生氢脆的技术难题。

Description

介质为氢气的高温超高压容器
技术领域
本发明属于储氢超高压容器的设计及制造技术领域，具体涉及一种使用温度在400℃以下的介质为氢气的高温超高压容器。
背景技术
氢气是21世纪的重要能源，可以储存和输送，并且可以作为一些高温高压容器工作状态下的试验介质。氢气易燃易爆，且容器材料容易发生氢脆现象，这就要求容器的材料在强度足够的时候具有抗氢的能力，目前316L材料已被证实具有良好的抗氢脆性能，但其力学性能较低，尤其在400℃下的屈服强度只有96MPa，不适合在超高压容器中作为主要承压元件用钢来使用，与316L同为奥氏体不锈钢的NO6625为镍基合金在高温情况下具有良好的力学性能和耐腐蚀性，但其强度与压力容器用钢35CrNi3MoV和36CrNi3MoV相比仍有较大差距，且由于制造原因NO6625的钢材不论是锻件还是钢板都不可能做成较大的吨位。综合上述原因，工作介质为氢气的超高压容器尤其是在使用温度为400℃下，单一的使用一种材料难以满足此类容器的设计及制造要求。
发明 内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的技术问题而提出了一种使用温度在400℃下的介质为氢气的高温超高压容器。
本发明的目的是这样实现的：
一种介质为氢气的高温超高压容器，包括外管体、设置在外管体中的内衬、通过预紧螺栓固定在外管体两个端面上的端盖、设置在内衬端面上的端盖内衬，在内衬端面与端盖内衬之间设置有密封垫，端盖内衬靠紧固螺栓穿过端盖压紧在内衬的端面上，在端盖内衬与内衬之间形成的腔体中充满的内部介质为氢气，能够在400℃下运行，外管体与内衬通过热套装的方式进行装配，外管体提供强度，内衬具备抗氢性能，外管体两端采用端面金属硬密封的结构形式，外管体、端盖、预紧螺栓采用35CrNi3MoV或者36CrNi3MoV钢进行加工制造，内衬与端盖内衬选用热膨胀系数与35CrNi3MoV或者36CrNi3MoV钢相近的NO6625奥氏体不锈钢材料，密封垫选用316L材料。
内衬与端盖内衬的壁厚为40mm。
外管体的壁厚按照爆破压力法计算，安全系数应大于等于2.2，即Pb/Ps≥2.2，其中Pb为外管体的爆破压力，Ps为容器的设计压力，爆破压力
Figure BDA0002825893080000021
Figure BDA0002825893080000022
为材料在设计温度下的抗拉强度，
Figure BDA0002825893080000023
为材料在设计温度下的屈服强度，K为外管体的外径与外管体的内径之比。
端盖的最小计算厚度
Figure BDA0002825893080000024
Dc为端盖的计算直径，K1为结构特征系数取0.25，[σ]t为材料在设计温度下的许用应力，
Figure BDA0002825893080000025
依据容器的内径确定预紧螺栓的数量，内径d1≤103mm，预紧螺栓的数量n 为8个；当103mm＜d1≤280mm，预紧螺栓的数量n为16个；当280mm＜d1≤350mm，预紧螺栓的数量n为20个。
依据预紧螺栓的数量和预紧螺栓的总载荷确认螺栓的直径d2，
Figure BDA0002825893080000026
其中
Figure BDA0002825893080000027
为螺栓材料的需用应力，总载荷ω＝F+Fa，F 为内压引起的轴向力
Figure BDA0002825893080000028
，DG为密封面平均直径，预紧力 Fa＝1.57DGbps tan(α-ρ)，b为密封的有效高度，α为密封面锥角取75°，ρ为钢与钢的接触角取8.5°。
根据外管体的内径d以及热装配过盈量范围公式ΔD＝1～3‰D,并以此计算和确定热装配过盈量。
本发明的有益效果如下:
本发明是设计一种介质为氢气的使用温度在400℃以下的超高压容器，该容器在强度足够的情况下又具备抗氢能力，能够满足在高温高压的氢环境下运行。
附图说明
图1为本发明的容器的结构图。
图2为本发明的容器的侧面视图。
图3为本发明的密封垫的截面形状。
图中所示：1、端盖，2、外管体，3、内衬，4、密封垫，5、预紧螺栓，6、端盖内衬，7、紧固螺栓。
具体实施方式
如图1、2、3所示，一种介质为氢气的高温超高压容器，包括外管体2、设置在外管体2中的内衬3、通过预紧螺栓5固定在外管体2两个端面上的端盖1、设置在内衬3端面上的端盖内衬6，在内衬3的端面与端盖内衬6之间设置有密封垫4，端盖内衬6靠紧固螺栓7穿过端盖1压紧在内衬3的端面上，在端盖内衬6与内衬3之间封闭形成的腔体中充满的内部介质为氢气，能够在400℃下运行，外管体2与内衬3通过热套装的方式进行装配，外管体提供强度，内衬具备抗氢性能，外管体两端采用端面金属硬密封的结构形式，外管体2、端盖1、预紧螺栓5采用35CrNi3MoV或者36CrNi3MoV钢进行加工制造，内衬3与端盖内衬6选用热膨胀系数与35CrNi3MoV或者36CrNi3MoV钢相近的NO6625奥氏体不锈钢材料，密封垫选用316L材料。
内衬3与端盖内衬6的壁厚为40mm。
外管体2的壁厚按照爆破压力法计算，安全系数应大于等于2.2，即Pb/Ps≥2.2，其中Pb为外管体的爆破压力，Ps为容器的设计压力，爆破压力
Figure BDA0002825893080000041
Figure BDA0002825893080000042
为材料在设计温度下的抗拉强度，
Figure BDA0002825893080000043
为材料在设计温度下的屈服强度，K为外管体的外径与外管体的内径之比。
端盖1的最小计算厚度
Figure BDA0002825893080000044
Dc为端盖的计算直径，K1为结构特征系数取0.25，[σ]t为材料在设计温度下的许用应力，
Figure BDA0002825893080000045
依据容器的内径确定预紧螺栓5的数量，内径d1≤103mm，预紧螺栓5的数量n为8个；当103mm＜d1≤280mm，预紧螺栓5的数量n为16个；当280mm＜ d1≤350mm，预紧螺栓5的数量n为20个。
依据预紧螺栓5的数量和预紧螺5的总载荷确认螺栓的直径d2，
Figure BDA0002825893080000046
其中
Figure BDA0002825893080000047
为螺栓材料的需用应力，总载荷ω＝F+Fa，F 为内压引起的轴向力
Figure BDA0002825893080000048
，DG为密封面平均直径，预紧力 Fa＝1.57DGbps tan(α-ρ)，b为密封垫4的有效高度，α为密封面锥角取75°，ρ为钢与钢的接触角取8.5°。
根据外管体2的内径d以及热装配过盈量范围公式ΔD＝1～3‰D,并以此计算和确定热装配过盈量。
此容器主要由外管体2、内衬3、端盖1、端盖内衬6、预紧螺栓5、紧固螺栓7、密封垫4组成，其中，内衬3、端盖内衬6与氢气介质直接接触需要具备抗氢能力，外管体2、端盖1作为主要承压元件需要有足够的强度，其结构如图 1、2所示。
外管体2与端盖1采用35CrNi3MoV或36CrNi3MoV锻件材料，热处理后进行加工制造，在计算外管体的厚度时不考虑内衬的强度。内衬3、端盖内衬6选用NO6625钢板进行加工制造，内衬3用钢板卷制而成允许有一条横向焊缝。
外管体2与内衬3通过热装配的加工方法以过盈配合的配合方式进行装配。密封垫4选用比NO6625较软但也具备抗氢能力的316L不锈钢材质进行制造，且装配位置位于内衬上，密封垫的截面尺寸如图3所示为等腰梯形且密封面锥角α＝75°。
紧固螺栓7用于连接端盖1与端盖内衬6。预紧螺栓5用于连接端盖1与外管体2，并为密封垫提供预紧力。容器的进口或出口开孔处位于端盖上，且密封位置放置在端盖内衬上。加工后内衬以及端盖内衬的壁厚为40mm。

Claims (2)

1.一种介质为氢气的高温超高压容器，包括外管体(2)、设置在外管体(2)中的内衬(3)、通过预紧螺栓(5)固定在外管体(2)两个端面上的端盖(1)、设置在内衬(3)端面上的端盖内衬(6)，其特征在于：在内衬(3)端面与端盖内衬(6)之间设置有密封垫(4)，端盖内衬(6)靠紧固螺栓(7)穿过端盖(1)压紧在内衬(3)的端面上，在端盖内衬(6)与内衬(3)之间形成的腔体中充满的内部介质为氢气，能够在400℃下运行，外管体(2)与内衬(3)通过热套装的方式进行装配，外管体提供强度，内衬具备抗氢性能，外管体两端采用端面金属硬密封的结构形式，外管体(2)、端盖(1)、预紧螺栓(5)采用35CrNi3MoV或者36CrNi3MoV钢进行加工制造，内衬(3)与端盖内衬(6)选用热膨胀系数与35CrNi3MoV或者36CrNi3MoV钢相近的NO6625奥氏体不锈钢材料，密封垫选用316L材料；
外管体(2)的壁厚按照爆破压力法计算，安全系数应大于等于2.2，即Pb/Ps≥2.2，其中Pb为外管体的爆破压力，Ps为容器的设计压力，爆破压力
Figure FDA0003698605860000011
Figure FDA0003698605860000012
为材料在设计温度下的抗拉强度，
Figure FDA0003698605860000013
为材料在设计温度下的屈服强度，K为外管体的外径与外管体的内径之比；
端盖(1)的最小计算厚度
Figure FDA0003698605860000014
Dc为端盖的计算直径，K1为结构特征系数取0.25，[σ]t为材料在设计温度下的许用应力，
Figure FDA0003698605860000015
依据容器的内径确定预紧螺栓(5)的数量，内径d1≤103mm，预紧螺栓(5)的数量n为8个；当103mm＜d1≤280mm，预紧螺栓(5)的数量n为16个；当280mm＜d1≤350mm，预紧螺栓(5)的数量n为20个；
依据预紧螺栓(5)的数量和预紧螺栓(5)的总载荷确认螺栓的直径d2，
Figure FDA0003698605860000021
其中
Figure FDA0003698605860000022
为螺栓材料的需用应力，总载荷ω＝F+Fa，F为内压引起的轴向力
Figure FDA0003698605860000023
DG为密封面平均直径，预紧力Fa＝1.57DGbpstan(α-ρ)，b为密封垫(4)的有效高度，α为密封面锥角取75°，ρ为钢与钢的接触角取8.5°；
根据外管体(2)的内径d以及热装配过盈量范围公式ΔD＝1～3‰D,并以此计算和确定热装配过盈量。
2.根据权利要求1所述的一种介质为氢气的高温超高压容器，其特征在于：内衬(3)与端盖内衬(6)的壁厚为40mm。
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