JP2009293799A - Cr−Mo鋼製ライナーを用いた高圧水素貯蔵用FRP容器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】軽量化、コンパクト化、低コスト化高圧水素貯蔵用FRP容器を実現するとともに、水素ガス雰囲気下での疲労き裂の発生特性および伝播特性に優れる高圧水素貯蔵用FRP容器として、Cr−Mo鋼製のライナーの外周をFRPで被覆した高圧水素貯蔵用FRP容器であって、Cr−Mo鋼が、0.8〜1.2質量%のCrと0.3〜0.6質量%のMoを含有し、好ましくは引張強さが830〜1000MPaの鋼である、高圧水素貯蔵用FRP容器を提供する。
【選択図】なし
Description
本発明では、0.8〜1.2質量%のCrと0.3〜0.6質量%のMoを含有するCr−Mo鋼をライナー材料として使用する。この基本化学成分を有するCr−Mo鋼を使用すると、焼入れ−焼戻し熱処理により、830〜1000MPaの引張強さを得ることができ、これまで使用されてきた、又は使用が検討されてきたアルミ合金ライナー、樹脂ライナーあるいはステンレス鋼、例えばSUS316Lライナーに比べて、高強度化に伴う容器の軽量化とコンパクト化を実現することができる。その一方で、引張強さ830〜1000MPaは水素脆化感受性を適度に抑えることができる。なお、本発明で使用するCr−Mo鋼は、さらに、0.30〜0.40質量%のC、0.40質量%以下のSi、0.50/1.00質量%のMnのほか、不可避的に混入されるP、S、N、O等の不純物を含有することができる。さらに、通常の焼入れ焼戻し温度で上記の引張強さが得られる限り、2.00質量%以下のNiを含んでもよいが、基本的にはNiは含有しない。
本発明鋼は以下の化学成分を有する熱延鋼板を熱処理して試験材とした。
本発明鋼(34CrMo44鋼):0.35%C−0.24%Si−0.69%Mn−0.98%Cr−0.45Mo、YS842MPa、TS939MPa、伸び16.0%
一方、比較鋼としてのCr−Mo鋼は、公知文献に記載された数値を引用した。すなわち、比較鋼1(SCM435鋼)は、「NEDO 水素ステーション機器解体調査結果 平成20年12月12日」から、また比較鋼2(SNCM439鋼)は、「NEDO 燃料電池・水素技術開発 平成19年度研究成果報告シンポジウム 水素インフラに関する安全技術研究(成果概要) 平成20年6月24日」から引用した。
(2)試験片形状
熱処理を終えた鋼板から厚さ6.30mmのコンパクトテンション(CT)試験片を使用し、き裂がライナー容器の軸方向に沿って進展するように、試験片を採取した。
(3)試験片プレクラックの導入
ノッチ先端部のプレクラック長さは、ASTM E1820に規定されている、最終き裂長さの5%以上となるように、2mmとした。
(4)試験条件
試験片にはASTM E647に規定されているK−decreasing または K-increasing controlに従って荷重を負荷した。試験機は、油圧サーボ式Instron 8500を使用し、クラック先端位置の計測は、ポテンシャルドロップ法により行った。高圧水素ガス雰囲気は、本発明鋼では62.5MPaとし、高圧水素の機密性が保持できるような試験容器を設計製作して試験した。一方比較鋼1は45MPa、比較鋼2は70MPaの水素ガス雰囲気下での試験結果である。
本発明のCr−Mo鋼製ライナーは、素材から底付円筒体を成形する工程、底付円筒体の片端開口部をスピニング加工によりネック部を形成しライナー素管とする工程、得られたライナー素管を焼入れ−焼戻しによる熱処理を行う工程、熱処理を経たライナー素管の内外面にショットブラスト処理を行う工程、を順次経て製造される。
熱延鋼板を適当な長さに裁断し、その後円形に裁断する。熱延鋼板に潤滑剤を塗布した後、縦型プレス機により深絞り加工を行なう。容器寸法によっては、深絞り加工は2〜3段に分けて行なう必要があり、途中、加工ブランクに熱処理(焼鈍)を施して加工硬化組織を軟化させ、多段の深絞り加工を行うのがよい。深絞り加工を経た底付円筒状の長尺半製品加工を終了した後に、フローフォーミングにより、円筒部の肉厚を均一化する。引き続いて、片端開口部を適正な長さに切断後、スピンニング加工およびボス部の成形加工を施す。その後、焼入れ−焼戻しの熱処理を実施し、材料強度を適正な範囲に調整する。熱処理後にライナーの内・外表面全面にショットブラストを行ない、最後に、ネック部をネジ加工し、ライナーとしての容器の成形を完了する。このように、ライナー容器は、溶接継ぎ目を一切使用しない一体構造の容器を製造することができる、
次に、形成した鋼製ライナーの外周上にFRPを形成する。このときのFRP容器の製造は一般的に採用されている、公知のフィラメントワインディング法を用いて行う。まず、容器外表面をプライマー・コーテイングした後、高強度を得るために、エポキシ系樹脂含浸炭素あるいはガラス繊維を容器表面に巻き付ける。繊維の巻き付けは、最初に炭素繊維、次いでガラス繊維とすることもできるし、全て炭素繊維又はガラス繊維とすることもできる。樹脂含浸繊維は、最後に加熱乾燥し、樹脂層を硬化させる。その後、水圧により塑性加工処理(Autofretague)を行い、鋼製ライナー部に降伏強さを超えない範囲の適度な圧縮残留応力を負荷した状態を最終製品とする。その後、製品保証のための耐圧試験、容器の外観検査、塗装、ラベル等の加工を実施する。
C:0.35、Si:0.24、Mn:0.69、Cr:0.98、Mo:0.45、Al:0.032
降伏強さ:842MPa、引張強さ:939MPa、伸び:16%
Claims (5)
- Cr−Mo鋼製のライナーの外周をFRPで被覆した高圧水素貯蔵用FRP容器であって、Cr−Mo鋼が、0.8〜1.2質量%のCrと0.3〜0.6質量%のMoを含有する鋼である、高圧水素貯蔵用FRP容器。
- Cr−Mo鋼が830〜1000MPaの引張強さを有する、請求項1記載の高圧水素貯蔵用FRP容器。
- Cr−Mo鋼製のライナーが、底付円筒体を成形する工程、底付円筒体の片端開口部をスピニング加工によりネック部を形成しライナー素管とする工程、得られたライナー素管を焼入れ−焼戻しによる熱処理を行う工程、熱処理を経たライナー素管の内外面にショットブラスト処理を行う工程、を順次経て製造されたライナーである、請求項1又は2記載の高圧水素貯蔵用FRP容器。
- 底付円筒体を成形する工程が、圧延鋼板を深絞り加工して形成する工程、継目無し鋼管をスピニング加工して形成する工程、又はビレットを熱間穿孔して形成する工程のいずれかである、請求項3記載の高圧水素貯蔵用FRP容器。
- 底付円筒体が圧延鋼板を深絞り加工して形成したものである、請求項3記載の高圧水素貯蔵用FRP容器。
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