CN205101850U - 一种大容量高压储氢容器的全缠绕复合壳层结构 - Google Patents
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Abstract
一种大容量高压储氢容器的全缠绕复合壳层结构，属于大容量高压储气设备领域，包括借助热固性树脂和高强纤维包络、固化在钢内胆外壁上由内到外设置的隔离内层、强力结构复合层和保护外层，所述强力结构复合层结构包括设置在钢内胆左、右瓶口部位的左、右端口强力复合层，设置在钢内胆左、右瓶肩部位的左、右瓶肩强化复合层以及设置在钢内胆瓶体部位的瓶体强化复合层。通过旋压制备无缝钢内胆，借助于在钢内胆的瓶体、瓶肩、瓶口处全方位高强纤维缠绕强化形成的全缠绕复合壳层结构，使储氢容器工作压力可达100MPa，容积达到500L以上要求。
Description
技术领域
本实用新型属于大容量高压储气设备领域，具体涉及一种大容量高压储氢容器的全缠绕复合壳层结构，结合钢内胆使储氢容器的设计压力可达100Mpa、容积达到500L以上。
背景技术
随着新能源技术的发展，特别是氢能源技术的突破，用于储运氢气的大容积容器的需求量随之增加。由于氢气的液化温度较低（-252.8℃），液化的功耗很大。最简单、实用、经济的氢气储运方法任然是采用增大容量和提高耐压水准的高压、常温气态运输。由于制造技术上的难度，大容量高压储氢气瓶项目被列入863高科技追踪计划之中。
高压金属材料性能在目前的产品标准中限定为70MPa。为保证安全，容器的直径、管壁厚、容积均设置了严格的标准，是这类容器的特点。任何指标的突破均会引起一系列的重大变化。目前关于提高压力和容积上限的发明所伴随的工艺变化巨大。
目前，随着复合材料技术的创新应用，借助复合条件下的强化手段提高产品气瓶的容重比和承压能力有了希望。众多领域内已广泛使用复合强化工艺，完全可以用来强化金属无缝内胆的承压能力和加大容积。按一定实验决定的特别技术手段和规律来复合缠绕高强度纤维与高性能增强树脂固形成复合材料层成为业内关注的焦点。
碳纤维即是用于以上工艺的理想材料。缠绕复合铝合金内胆已经进入应用阶段。但应用实践仅限于小容积，一般在120L以下，承压能力低，一般20~35MPa。这与大规模储氢、运输、使用的条件不能相比。提高容器的储氢能力，要通过加大储氢容器的容积，又要提高储氢容器的承压能力。而上述两个方面的提高，不是增大容器容积的尺寸后、用增加器壁厚度即可以解决的。因为加大无缝管壁厚首先遭遇的瓶颈技术即是厚壁管的轧制技术中均质的问题。另由于储氢容器的密封性能、自重以及缠绕时的瓶体结构对大容积和高压力形成诸多制约因素。压力越大，对密封性能要求越高，相关的失效点变换与缠绕方式产生相当大的关联性；内胆加厚管壁与旋压过程中肩端和缩口处的工艺处理及材料的力学性能变化、对缠绕层的结构和厚度设计要求产生不规则的变化；缠绕层的厚度也不是仅仅用增厚能解决的，其结构稳定性也受制于瓶体的结构。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种大容量高压储氢容器的全缠绕复合壳层结构，通过旋压制备无缝钢内胆，借助于在钢内胆的瓶体、瓶肩、瓶口处全方位高强纤维缠绕强化形成的全缠绕复合壳层结构，使储氢容器工作压力可达100MPa，容积达到500L以上要求。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种大容量高压储氢容器的全缠绕复合壳层结构，包括借助热固性树脂和高强纤维包络、固化在钢内胆外壁上由内到外设置的隔离内层、强力结构复合层和保护外层，所述强力结构复合层结构包括设置在钢内胆左、右瓶口部位的左、右端口强力复合层，设置在钢内胆左、右瓶肩部位的左、右瓶肩强化复合层以及设置在钢内胆瓶体部位的瓶体强化复合层。
左、右端口强力复合层由碳纤维在瓶口部位往复环向缠绕构成、厚度为30~50mm。
左、右瓶肩强化复合层主要是由碳纤维在左瓶肩、瓶体和右瓶肩之间进行往复纵向缠绕所形成的覆盖瓶肩部位的纵向纤维层组成，其中纵向缠绕角度为48-65°，左、右瓶肩强化复合层的厚度为30~80mm。
在左、右瓶肩强化复合层中设置有由单向纤维布浸渍纤维胶液预制而成的纤维补强层。
瓶体强化复合层包括由碳纤维在左瓶肩、瓶体和右瓶肩之间进行往复纵向缠绕所形成的覆盖瓶体部位的纵向纤维层和由碳纤维在瓶体部位往复环向缠绕形成的环向纤维层，瓶体强化复合层的厚度为30~80mm。
瓶体强化复合层中喷涂有短纤维或晶须。
隔离内层和保护外层是借助热固性树脂和玻璃纤维分别在钢内胆的外壁和强力结构复合层的外表面进行纵向和环向交替往复缠绕构成，所述隔离内层和保护外层的厚度分别为2~6mm和4~10mm。
采用上述技术方案产生的有益效果在于：通过旋压制备无缝钢内胆，借助于在钢内胆的瓶体、瓶肩、瓶口处全方位高强纤维缠绕强化形成的全缠绕复合壳层结构，使储氢容器工作压力可达100MPa，容积达到500L以上要求。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是图1中A的放大示意图；
其中：1是钢内胆，1-1是隔离内层，1-2是强力复合层，1-3是保护外层，1-2-1是左、右端口强力复合层，1-2-2是左、右瓶肩强化复合层，1-2-3是瓶体强化复合层1-2-3。
具体实施方式
参看附图1-2，一种大容量高压储氢容器的全缠绕复合壳层结构，包括借助热固性树脂和高强纤维包络、固化在钢内胆1外壁上由内到外设置的隔离内层1-1、强力结构复合层1-2和保护外层1-3，其关键在于：所述强力结构复合层1-2结构包括设置在钢内胆1左、右瓶口部位的左、右端口强力复合层1-2-1，设置在钢内胆1左、右瓶肩部位的左、右瓶肩强化复合层1-2-2以及设置在钢内胆1瓶体部位的瓶体强化复合层1-2-3。隔离内层1-1和保护外层1-3是借助热固性树脂和玻璃纤维分别在钢内胆1的外壁和强力结构复合层1-2的外表面进行纵向和环向交替往复缠绕构成，所述隔离内层1-1和保护外层1-3的厚度分别为2~6mm和4~10mm。本实施例中钢内胆1材料选用铬钼钢4130X，该种材料具有强度高，韧性好，耐氢脆性能，为国内外充装天然气和氢气的成熟钢材。旋压成型后的钢内胆1尺寸数据为直径559mm、长度3200mm和容积583L。因高压储氢容器内胆为钢内胆1，强力结构复合层1-2为碳纤维/环氧树脂，为避免二者之间产生电化学腐蚀，同时实现对强力结构复合层1-2的保护，在强力结构复合层1-2的内侧增加玻璃纤维隔离内层1-1；另外，碳纤维材料虽然有较高的强度，但耐冲击性能较弱，在强力结构复合层1-2的外侧增加玻璃纤维保护外层1-3，避免强力结构复合层1-2直接与外部环境的接触并免受磕碰、划伤。
左、右端口强力复合层1-2-2由碳纤维在瓶口部位往复环向缠绕构成、厚度为30~50mm。
左、右瓶肩强化复合层1-2-3主要是由碳纤维在左瓶肩、瓶体和右瓶肩之间进行往复纵向缠绕所形成的覆盖瓶肩部位的纵向纤维层组成，其中纵向缠绕角度为48-65°，左、右瓶肩强化复合层1-2-3的厚度为30~80mm。由于瓶肩是整个储氢容器的轴向承压能力的薄弱点，由纵向缠绕的碳纤维全覆盖瓶肩部位，加强了瓶肩轴向承压能力。
在左、右瓶肩强化复合层1-2-3中设置有由单向纤维布浸渍纤维胶液预制而成的纤维补强层。纤维补强层可进一步提高瓶肩的径向承压能力。
瓶体强化复合层1-2-3包括由碳纤维在左瓶肩、瓶体和右瓶肩之间进行往复纵向缠绕所形成的覆盖瓶体部位的纵向纤维层和由碳纤维在瓶体部位往复环向缠绕形成的环向纤维层，瓶体强化复合层1-2-3的厚度为30~80mm。瓶体是整个储氢容器的径向承压能力的薄弱点，由环向缠绕的碳纤维全覆盖瓶体部位，主要加强瓶体径向承压能力，并且结合由碳纤维在左瓶肩、瓶体和右瓶肩之间进行往复纵向缠绕所形成的覆盖瓶体部位的纵向纤维层的径向承压分力，可进一步加强瓶体径向承压能力，满足储氢容器承压需求。
瓶体强化复合层1-2-3中喷涂有短纤维或晶须。可增强瓶体强化复合层1-2-3的结构强度和抗弯曲、拉伸的能力。
将采用上述全缠绕复合壳层结构的高压储氢容器按照ST1315-2013附页《钢内胆全缠绕储氢容器水压试验爆破试验规程》进行水压爆破试验，试验介质：水；介质温度：5℃；环境温度：9℃。试验结果：爆破压力256MPa，容积变形率4%；起爆位置在瓶体部位，内胆断口呈45°剪切唇的形貌，爆口两侧呈对称倒“V”字型，爆破中无碎片产生；爆破口边缘距气瓶钢印端瓶口端面700mm，爆破口长度1000mm，宽度600mm；爆破口厚度最小19.4mm，最大20.7mm。以上结果表明：高压储氢容器爆破中未出现屈服点，强度符合要求。
以上结果表明：本实施例的爆破压力为设计工作压力92MPa的2.8倍，爆破中未出现屈服点。表明全缠绕复合壳层结构结合钢内胆1是满足设计需求的，并且为大容积高压储氢开辟了一条新道路。
Claims (7)
1.一种大容量高压储氢容器的全缠绕复合壳层结构，包括借助热固性树脂和高强纤维包络、固化在钢内胆（1）外壁上由内到外设置的隔离内层（1-1）、强力结构复合层（1-2）和保护外层（1-3），其特征在于：所述强力结构复合层（1-2）结构包括设置在钢内胆（1）左、右瓶口部位的左、右端口强力复合层（1-2-1），设置在钢内胆（1）左、右瓶肩部位的左、右瓶肩强化复合层（1-2-2）以及设置在钢内胆（1）瓶体部位的瓶体强化复合层（1-2-3）。
2.根据权利要求1所述的大容量高压储氢容器的全缠绕复合壳层结构，其特征在于：所述左、右端口强力复合层（1-2-2）由碳纤维在瓶口部位往复环向缠绕构成、厚度为30-50mm。
3.根据权利要求1所述的大容量高压储氢容器的全缠绕复合壳层结构，其特征在于：所述左、右瓶肩强化复合层（1-2-3）主要是由碳纤维在左瓶肩、瓶体和右瓶肩之间进行往复纵向缠绕所形成的覆盖瓶肩部位的纵向纤维层组成，其中纵向缠绕角度为48-65°，左、右瓶肩强化复合层（1-2-3）的厚度为30-80mm。
4.根据权利要求3所述的大容量高压储氢容器的全缠绕复合壳层结构，其特征在于：在左、右瓶肩强化复合层（1-2-3）中设置有由单向纤维布浸渍纤维胶液预制而成的纤维补强层。
5.根据权利要求1所述的大容量高压储氢容器的全缠绕复合壳层结构，其特征在于：所述瓶体强化复合层（1-2-3）包括由碳纤维在左瓶肩、瓶体和右瓶肩之间进行往复纵向缠绕所形成的覆盖瓶体部位的纵向纤维层和由碳纤维在瓶体部位往复环向缠绕形成的环向纤维层，瓶体强化复合层（1-2-3）的厚度为30-80mm。
6.根据权利要求5所述的大容量高压储氢容器的全缠绕复合壳层结构，其特征在于：所述瓶体强化复合层（1-2-3）中喷涂有短纤维或晶须。
7.根据权利要求1所述的大容量高压储氢容器的全缠绕复合壳层结构，其特征在于：所述隔离内层（1-1）和保护外层（1-3）是借助热固性树脂和玻璃纤维分别在钢内胆（1）的外壁和强力结构复合层（1-2）的外表面进行纵向和环向交替往复缠绕构成，所述隔离内层（1-1）和保护外层（1-3）的厚度分别为2-6mm和4-10mm。
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| CN111645370A (zh) * | 2020-05-26 | 2020-09-11 | 武汉理工大学 | 一种纤维全缠绕储氢瓶塑料内胆及其成型方法 |
| CN115091732A (zh) * | 2022-08-25 | 2022-09-23 | 中材科技（苏州）有限公司 | 一种复合成型的99MPa级加氢站用储氢容器制法 |
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