CN1221758C - 带形状记忆套的耐高压气瓶及其制造方法 - Google Patents

Abstract

带形状记忆套的耐高压气瓶及其制造方法，耐高压气瓶的特征是在气瓶筒体外套装由铁基形状记忆合金制成的套，该套训练工艺是先经高温固溶，低温扩孔变形，中温退火形状恢复，再经低温扩孔变形，经二次扩孔变形的形状记忆合金套滑套入按设计要求的气瓶筒体外，然后再加热形状记忆合金使其收缩固紧而制成耐高压气瓶。本发明带形状记忆套的耐高压气瓶的瓶重系数可降为0.5kg/l，最高承压40MPa。本产品轻质耐压、成本较低、安全可靠，适合于机械、化工、冶金、医药等行业推广使用，尤其可在汽车动力燃料方面，为以气代油和节能环保作出贡献。

Description

带形状记忆套的耐高压气瓶及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种压力容器，一种带形状记忆合金套的高压气瓶及其制造方法。

技术背景

目前各类贮气瓶以钢贮气瓶为主。在安全储存高压气的前提下，储存一定气体所用气瓶的重量越轻越好，一般以瓶重系数表示，量纲为公斤/升(kg/l)。国内一般气瓶的瓶重系数为1.2-1.6之间，为了降低瓶重系数，人们一直不懈努力希望达到气瓶自重轻、耐压高的目的。中国天然气西气东输工程进展迅速，为充分利用这一丰富的天然气资源，汽车动力燃料以气代油是重要发展趋势，因而急需压力为25MPa的轻质高压气瓶。

六十年代前苏联用玻璃纤维缠绕壁厚3mm钢筒，工作耐压25MPa，瓶重系数0.6。美国抢险救生氧气瓶采用碳纤维增强，工作压力达30MPa，瓶重系数达到1.0。然而采用上述气瓶制造工艺复杂，气瓶价格昂贵，5升进口气瓶每只售价达800美元；另一种采用热压配合复合气瓶，由于其热膨胀系数小，过盈量不大，冷却收缩的加压作用受到限制，对瓶重系数改善不多，仅在1.2左右；而借助形状记忆合金套收缩大的特点，可以提高耐压能力；尤其是铁基形状记忆合金具有宽滞后特性，贮存运输方便，耐蚀性也可以调整；另外制造较为容易，可用炼钢及轧锻设备进行冶炼和加工；价格低廉，产品价位接近不锈钢，便于推广应用。

发明内容

本发明的目的是利用形状记忆合金套收缩量大的特点，用以设计制造复合高压气瓶，使其在储存运输安全条件下，达到自重轻，耐压高的目的。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

带形状记忆套的耐高压气瓶，它由瓶顶、瓶肩、筒体和瓶底组成，其特征是筒体外还有与筒体外壁紧密压合的形状记忆合金套。

形状记忆合金套的优选材料是铁基形状记忆合金。

带形状记忆套的耐高压气瓶的制造方法，其特征至少包括以下工艺步骤：

a、将高压气瓶筒体壁加工成比均质筒体壁薄1/2以下的筒体；

b、按设计要求制作铁基记忆合金套；

c、将经过二次扩孔变形的形状记忆套滑配套在高压气瓶筒体外；

d、将记忆合金套加热至300～400℃，5～10分钟，使记忆合金套收缩固紧高压气瓶筒体。

还包括铁基记忆合金套训练处理：置于900～1300℃高温固溶0.1～1小时，然后置于低温-10～50℃扩孔变形8％～12％，置于400～700℃中温退火0.5～2小时，形状恢复，再置于低温-10～50℃扩孔变形8％～12％；

采用上述高温固溶，中温形状恢复，低温扩孔变形的训练工艺，相应形状记忆合金内部也发生组织结构变化。对于铁基形状记忆合金套来说，低温扩孔变形时材料受应力作用诱发马氏体相变，由原来母相奥氏体转变为马氏体相。这一变化是成排原子进行规律错排，母相奥氏体原子堆垛占位为ABCABC……，呈fcc结构。应力诱发变成马氏体相后，为形成ABABAB……堆垛，呈hcp结构。另外高温固溶的目的是使碳化物形成元素在高温条件下溶入母相，在以后热处理过程中，发生了时效共格析出，导致形成规律排列的马氏体核胚，它相当于形状记忆过程的“路标”，因此高温固溶有利于提高产品的形状记忆功能。

耐高压气瓶中瓶底和瓶颈两部份壁较厚，其薄弱环节是筒体，采用形状记忆套紧固加强是非常有效的，如图2和图3所示，原来的均质高压气瓶筒体(图2)和形状记忆套高压气瓶复合筒体(图3)对比，在承受同样高压P情况下，均质管和复合管承受的最大峰值应力不是径向应力而是周向应力，以下仅以周向应力对比变化加以说明。外径为b，内径为a的均质管(图2)和相同内外径复合管的瓶壁承受线弹性最大周向应力分别为：

$\mathrm{\σ}=P\·\frac{b^2+a^2}{b^2-a^2}\·\·\·\left(1\right)$

$\mathrm{\σ}=P\·\frac{b^2+a^2}{b^2-a^2}-P_i\·\frac{I^2}{I^2-a^2}\·\·\·\left(2\right)$

公式中i为复合管介面圆的半径，P_i为套管收缩固紧压力。可以看出，当瓶内充气承载时，均质管瓶壁承受巨大的张应力如图2、3的6所示。以公式(1)表示，复合套管在瓶内空载条件下，由于套管收缩抱紧，使瓶壁承受应力。而在充气承载条件下，如图3内壁应力分布如密实线7所示，张应力与压应力相互抵销，结果是大大平抑了如影线所示原来瓶壁最大应力峰值。从公式(2)后部减项看，由于形状记忆变形量大，增大固紧压力P_i，甚至会使瓶壁塑变形成缩颈。另外从铁基形状记忆合金套管如图3灰色部分8应力分布看，峰值高应力处由于自身可以发生应力诱发相变，类似于发生了塑变，这样对应力峰值有自动钝化作用，而同时其外壁却始终保持着低应力状态，见图3的壁外侧的应力分布，钝化应力值表示如下公式(3)：

$\mathrm{\σ}={\mathrm{\σ}}_s(l+\ln \frac{r}{i})-p_i\·\·\·\left(3\right)$

式中σ_s为形状记忆合金类似塑变屈服的诱发相变启动应力，其中固紧压力P_i本身也有平抑峰值应力的作用；r为具体位置半径值。需要指出的是铁基形状记忆合金具有高塑变强硬化特点，一般拉伸缩颈不显著，延伸率δ可达35-40％；而应力诱发启动屈服应力虽然不高，但达到真屈服阶段后，加工硬化强烈，强化作用非常显著。高塑变强硬化二者都增加了形状记忆复合气瓶工作的可靠性。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为原来的高压气瓶均质筒体承受高气压时周向应力分布示意图。

图3为带形状记忆套高压气瓶复合筒体承受同等高气压时周向应力分布示图。

上述图中，1为瓶顶，2为瓶肩，3为筒体，4为瓶底，5为形状记忆合金套，6为均质筒体的周向应力分布峰值，7为带形状记忆合金套的复合筒体的张应力与压应力相互抵销后的周向应力示意图，8为带形状记忆合金套的复合筒体壁外侧的周向应力示意图。

具体实施方式

带形状记忆套高压气瓶的结构为图1所示，它由瓶顶1、瓶肩2、筒体3和瓶底4及形状记忆合金套5所组成。处于气瓶顶部的瓶顶1还包括瓶口、瓶帽和瓶阀。形状记忆合金套的材料优选铁基形状记忆合金。

高压气瓶的制作过程，根据国家标准要求制造由瓶口、瓶帽、瓶阀组成的瓶顶、瓶肩和气瓶底外，其筒体按本发明的设计要求，其壁厚的设计尺寸要比质材料薄，根据不同用途的高压气瓶有所不同，一般设计比均质材料壁厚度的1/2小。

实施例1：

原符合GB5099-94标准天然气高压气瓶，公称容积51、外径120mm、均质筒体壁厚15mm，公称工作压力为25MPa，瓶重系数为1.2kg/l。现改为形状记忆复合结构，同材料壁厚4mm筒体，外部套装壁厚6mm铁基形状记忆合金管，其合金成分(wt％)为碳0.15％、锰28.0％、铬5.1％、硅4.9％、RE0.05％、铌0.25％，该记忆合金训练处理：高温1200℃固溶0.5小时，低温0℃扩孔变形8％，中温500℃退火0.5小时，形状恢复，再低温0℃扩孔形变8％；滑配套入，最后加热350℃5分钟，记忆合金套抱紧，经过打压实测，达到公称工作压力25MPa水平，最高承压40MPa。经计算记忆复合高压气瓶瓶重系数达到0.81kg/l。

实施例2：

原符合GB5099-94标准，天然气高压气瓶，公称容积501、外径229mm、壁厚16mm，公称工作压力为10.42MPa，瓶重系数为1.2kg/l。现改为形状记忆复合结构，采用同材料壁厚6mm筒体，外部套装10mm壁厚铁基形状记忆合金套管，其合金成分(wt％)为碳0.20％、锰27.5％、铬5.2％、硅5.03％、稀土RE0.02％、铌0.20％，该记忆合金训练处理：高温1250℃固溶1小时，低温0℃扩孔变形9％，中温650℃退火1小时形状恢复，低温10℃扩孔形变9％；滑配套入，最后加热320℃6分钟，记忆合金套抱紧。经过打压实测，达到公称工作压力25MPa水平，最高承压41MPa。经计算记忆复合高压气瓶瓶重系数达到0.5kg/l。

由以上看出，带形状记忆套的耐高压气瓶，由于铁基形状记忆合金套在加热后具有大幅度收缩特点，导致产生巨大过盈量和界面压应力，从而平抑了筒体壁的应力峰值，形成安全可靠应力分布状态。本发明气瓶重量轻、耐压高、加工方便，工艺简单、安全可靠，可在机械、化工、冶金、医药军工民用领域推广应用，尤其可在汽车动力燃料方面为以气代油和节能环保作出贡献。

Claims (4)

1、带形状记忆套的耐高压气瓶，它由瓶顶(1)、瓶肩(2)、筒体(3)和瓶底(4)组成，其特征是筒体(3)外还有与筒体(3)外壁紧密压合的形状记忆合金套(5)。

2、带形状记忆套的耐高压气瓶的制造方法，其特征至少包括以下工艺步骤：

a、将高压气瓶筒体壁加工成比均质筒体壁薄1/2以下的筒体；

b、按设计要求制作铁基记忆合金套；

c、将经过扩孔变形的合金套滑配套在高压气瓶筒体外；

d、将形状记忆合金套加热至300～400℃，5～10分钟，使记忆合金套收缩固紧高压气瓶筒体。

3、根据权利要求1所述的带形状记忆套的耐高压气瓶，其特征在于形状记忆合金套管材料为铁基稀土元素合金。

4、根据权利要求2所述的带形状记忆套的耐高压气瓶制作方法，其特征还包括形状记忆合金套训练处理：高温900～1300℃固溶0.1～1小时，低温-10～50℃扩孔变形8％～12％，中温400～700℃退火0.5～2小时形状恢复，再低温-10～50℃扩孔变形8％～12％。