CN213018859U - 一种预应力高压氢气储存容器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种预应力高压氢气储存容器，属于压力容器技术领域。预应力高压氢气储存容器包括筒体、环向预应力束和纵向预应力束，筒体壁中开有纵向通孔，纵向预应力束穿过筒体壁的纵向通孔后通过筒体顶段和筒体底段的纵向预应力束锚固头固定；所述的环向预应力束的外侧设有护板。本实用新型的预应力高压氢气储存容器，耐压高，容积大。可适用于30至150MPa的内压，容器内部容积可以做得很大，几乎不受限制。因此适合制造成耐压高、容积大的容器，而且制造材料易得，制造设备成本低，安全性好。本高压氢气储存容器可用于固定的汽车加氢站，大、中型加氢站的高压储氢容器等。

Description

一种预应力高压氢气储存容器

技术领域

本实用新型涉及一种预应力高压氢气储存容器，属于压力容器技术领域。

背景技术

以氢气燃料电池作为动力源的汽车是一种不产生环境污染的汽车,目前在国内外都在大力研究和发展这种氢能汽车。加氢站是发展氢能汽车的基础设施，需要建设大量的加氢站，高压氢气储存容器是加氢站的主要设备之一。高压氢气储存容器需要承受高达近100MPa的氢气压力。

目前加氢站使用的高压氢气储存容器有多种，包括压力管式的高压容器，多层板式的高压容器，多层钢带环绕式的高压容器等。其中的压力管式高压容器采用高压管材，两端与封头焊接，成为高压氢气的储存容器。其中的多层板式高压容器通常有一层较厚的内胆，它有较好的刚度，以利于在其外侧加装多层较薄的套筒，以增强其承受内压的能力。制造时要使各层筒之间相互压紧。壳体两端为封头与内胆和各层套筒两端均为焊接连接，成为一个完整的高压容器。内胆应与其他结构材料及容器内部介质有良好的相容性。内胆与封头也是容器内部介质的密封边界。其中的多层钢带环绕式高压容器，其结构形式与多层板式压力容器相仿，只是将其中的多层套筒改为钢带，将钢带螺旋式密绕成圆筒形，将上下两端齐平并与封头焊接。操作时注意将各层钢带与内胆相互压紧，相邻的两层钢带环绕方向相反。钢带环绕的上升角度与钢带宽度相关，应使钢带能够同时承受内压产生的容器轴向的力和环向的力。

上述现有技术的缺点是，压力管式容器的缺点是最高使用压力较低，目前国内使用的最高压力是45MPa；单个容器的容量较小，需要多个容器并联使用；占地面积较大；有一定的安全隐患，一旦发生容器爆破事故，后果是严重的。多层钢板式和多层环绕钢带式容器的缺点是制造工艺较为复杂，焊接质量要求很高；成本较高；运行安全得不到保证。

发明内容

本实用新型的目的是提出一种预应力高压氢气储存容器，对已有的氢气储存容器的结构进行改进，以提高氢气储存容器的耐压性和安全性。

本实用新型提出的预应力高压氢气储存容器，器包括筒体、环向预应力束和纵向预应力束；所述的筒体壁中开有纵向通孔，所述的纵向预应力束穿过筒体壁的纵向通孔后通过筒体顶段和筒体底段的纵向预应力束锚固头固定；所述的环向预应力束的外侧设有护板。

上述预应力高压氢气储存容器中，所述的筒体自上而下由筒体顶段、多个筒体段和筒体底段同轴安装而成，所述的筒体顶段上设有开孔接管。

本实用新型提出的预应力高压氢气储存容器，其优点是：

1、本实用新型的预应力高压氢气储存容器，是一种预应力结构的承压容器。容器内部介质的压力载荷全部由容器壳体的预应力钢丝和预应力束承受，并在设计上留有适当的承受内压的裕度。设计考虑，允许单个的或多个互不相邻预应力束的失效，允许单根或多根环向预应力钢丝的失效，这时，容器可能会发生密封结构失效，造成介质的泄漏，但不会发生容器爆破式的失效模式。容器一旦发生泄漏，则内部压力逐渐减小，也就排除了容器爆破的危险，保证了高压氢气储存容器的安全性。

2、本实用新型的预应力高压氢气储存容器，其中筒体的材质对韧性的要求不高，甚至可以采用铸铁这类的脆性材料。钢制的高压氢气储存容器需要解决材料的氢脆问题。本实用新型的高压氢气储存容器不需要考虑氢脆问题，只是在很局部的有密封功能要求的地方，需要适当论证或考虑氢脆的问题。但由于上述这些局部区域不会出现拉应力，氢脆对密封结构性能的影响很小，即使密封功能失效，对容器的安全特性也没有影响。

3、本实用新型的预应力高压氢气储存容器，耐压高，容积大。可适用于30至150MPa的内压，容器内部容积可以做得很大，几乎不受限制。因此适合制造成耐压高、容积大的容器，可用于固定的汽车加氢站，大、中型加氢站的高压储氢容器等等。

4、本实用新型的预应力高压氢气储存容器，采用的主要材料，包括铸钢(或铸铁)材料、预应力钢丝和预应力束及其锚固件，在本技术领域都有广泛的生产和应用，制造和加工工艺较为成熟。相对于已有的同样压力等级、容积大小和安全性的高压氢气储存容器，本实用新型的预应力高压氢气储存容器的材料易得，制造设备成本低，尤其对于高压力、大储存容量的压力容器，本实用新型的优点更为突出。

附图说明

图1是本实用新型提出的预应力高压氢气储存容器的结构示意图。

图1中，1是纵向预应力束锚固头，2是开孔接管，3是筒体顶段，4环向预应力钢丝隔离环，5是环销，6是筒体段，7是预应力束，8是环向预应力钢丝，9是护板，10是内衬，11是筒体底段。

具体实施方式

本实用新型提出的预应力高压氢气储存容器，其结构如图1所示，包括筒体、环向预应力束8和纵向预应力束7；所述的筒体壁中开有纵向通孔，所述的环向预应力钢丝8穿过筒体壁的纵向通孔后通过筒体顶段3和筒体底段11的纵向预应力束锚固头1固定；所述的环向预应力钢丝8的外侧设有护板9。

上述预应力高压氢气储存容器中，所述的筒体自上而下由筒体顶段3、多个筒体段6和筒体底段11同轴安装而成，所述的筒体顶段3上设有开孔接管2。

以下结合附图，详细介绍本实用新型的内容：

本实用新型的预应力高压氢气储存容器，可以采用预应力铸钢(或铸铁)的圆柱形壳体结构作为高压氢气的储存容器的筒体。采用预应力钢绞线束(简称预应力束)对容器筒体施加轴向的预应力，以承受容器内压在筒体侧壁产生的轴向力；容器环向的预应力则采用绕丝法施加，将预应力钢丝以预计的拉力，缠绕在圆柱形筒体外表面的外侧，以承受容器内压施加在容器壳体的环向力。

本实用新型的预应力高压氢气储存容器中，容器的主体构件是筒体，如图1所示，自上而下由筒体顶段3、多个筒体段6和筒体底段11同轴安装而成，筒体顶段3、多个筒体段6和筒体底段11为铸钢(或铸铁)环段。这些铸件可以是整体铸件，也可以在铸件规模过大时，将一个环段分为几块铸件、再分别加工和组对成一个完整的环段。

当采用铸铁制作上述各环段时，由于铸铁难以焊接，不容易实现筒体的密封功能，在筒体内侧需要一层能起到密封作用的内衬10，该内衬10的材料可以是不锈钢或铝等。内衬材料应是可焊性好，密封性好，并且与容器内部介质相容性好。铸钢筒体也可以使用内衬，尤其是当环段过大、需要用多个铸件组成时。

本实用新型的预应力高压氢气储存容器中，可按实际使用的需要，在筒体顶段3上设置不同口径的流体介质的开孔或人孔，需要时可配置可拆装的密封盖板。图1中的环销5和环向预应力钢丝隔离环4，其作用是：环销5用于上下两个环段之间的精确对位。环销5镶嵌在上下相邻的两个环段之间的竖向预应力束孔道的接口处，使两个环段的对位更加精确和更牢固。也可以采用其他适用的方法使相邻环段之间实现精确对位。环向预应力钢丝8之间的隔离环4与铸件环段的外表面之间，采用全焊透焊接，或使隔离环与环段成为一体的铸件。在两个隔离环之间的环段外表面布置环向预应力钢丝。隔离环之间的间距应便于绕丝的操作，并有利于保证绕丝的质量。其中的护板9用以保护环向预应力钢丝。

本实用新型的预应力高压氢气储存容器中，竖向预应力的施加可采用预应力钢绞线束，也可以采用高强度的螺栓替代预应力束。还可以用其他方式为容器各环段组装成的整体壳体施加竖向的预压应力。环向预应力采用绕丝法施加，将预应力钢丝分层密绕在两道隔离环之间的绕丝槽内。每层钢丝的拉力控制在设计预拉力的100％至105％之内为宜。

对预应力高压氢气储存容器施加预应力的大小主要考虑两个因素，即：

首先，在容器全服役期内，在各种工况下，容器壳体的各铸件上不出现拉应力。但对于壳体各环段为整体铸钢件时，允许局部区域出现小的拉应力，拉应力大小以及拉应力区域的范围由设计方自行论证，但最大拉应力建议不超过材料许用应力的1/5至1/4。

同时，初始预应力的大小还要考虑预应力松弛的影响。应由供货方给出预应力钢丝的力学性能指标，包括不同温度下预应力松弛的指标。预应力钢丝的温度在全服役期内应不超过其温度限值。对于国内生产的预应力钢丝，如果长期运行温度不超过60℃，在60年服役期内，预应力松弛量通常不超过初始预应力的10％。

Claims (2)

1.一种预应力高压氢气储存容器，其特征在于预应力高压氢气储存容器包括筒体、环向预应力束和纵向预应力束；所述的筒体壁中开有纵向通孔，所述的纵向预应力束穿过筒体壁的纵向通孔后通过筒体顶段和筒体底段的纵向预应力束锚固头固定；所述的环向预应力束的外侧设有护板。

2.如权利要求1所述的预应力高压氢气储存容器，其特征在于所述的筒体自上而下由筒体顶段、多个筒体段和筒体底段同轴安装而成，所述的筒体顶段上设有开孔接管。

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