JP6381563B2 - 圧力容器およびフープラップ複合圧力容器 - Google Patents
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Description
この発明は、高圧ガスを貯蔵するための圧力容器およびフープラップ複合圧力容器に関するものであり、例えば、高圧水素貯蔵・輸送、水素ステーション用蓄圧器に好適に用いることができる。
高圧ガスを貯蔵する容器としては、フープラップ式複合圧力容器が知られている。フープラップ式複合圧力容器は、図１６に示すように、ドーム部を有する鋼製ライナー胴部に繊維強化プラスチック（以下ＦＲＰという）を周方向に巻きつけた構造を有するものであり、ＦＲＰは肩部にまで巻いてドーム部には巻きつけないタイプの容器である。鋼製ライナー胴部は一般的にはマンネスマン式、エルハルト式の継ぎ目なし鋼管から製造された容器（いわゆるボンベ）であり、両端を口絞り加工してある。ドーム部には、口金部を有している。
このフープラップ式複合圧力容器は、鋼製ライナー胴部のみにＦＲＰを巻けばよいので、安価で製作が容易なことから、天然ガス自動車用容器などに用いられることがある。これらは、一般的には２０ＭＰａ程度の圧力で使用されるが、水素ステーション蓄圧器に用いる場合は使用する圧力が４０ＭＰａ以上、１０６ＭＰａ程度以下の超高圧水素を蓄圧することが想定されており、さらに水素ガスを燃料とする燃料電池自動車に充填する回数は１５年間で３０万回程度という環境で使用されることが想定されている。
ＦＲＰ複合容器についての設計解析 第２報：容器のひずみ分布と安全性に及ぼすフープ巻端位置の影響、ＪＨＰＩ Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ５．１９９９，Ｐ２９９−Ｐ．３０５
財団法人 金属系材料研究開発センター、ＷＥ−ＮＥＴ高松水素ステーション機器解体調査報告書、Ｐ９９、平成２０年３月
平成２０年度〜平成２４年度成果報告書 水素製造・輸送・貯蔵システム等技術開発 水素ステーション機器要素技術に関する研究開発 低コスト型７０ＭＰａ級水素ガス充填対応ステーション機器に係わる研究開発、Ｐ２０２〜Ｐ２０４
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｅｔｉ．ｇｏ．ｊｐ／ｐｏｌｉｃｙ／ｓａｆｅｔｙ＿ｓｅｃｕｒｉｔｙ／ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ＿ｓａｆｅｔｙ／ｏｓｈｉｒａｓｅ／２０１５／０２／２７０２０９−１．ｈｔｍｌ
Ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ： ＡＳＭＥ Ｓｅｃｔｉｏｎ ＶＩＩＩ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ １， Ｆｉｇｕｒｅ ＵＧ−３４ Ｓｏｍｅ Ａｃｃｅｐｔａｂｌｅ Ｔｙｐｅｓ ｏｆ Ｕｎｓｔａｙｅｄ Ｆｌａｔ Ｈｅａｄｓ ａｎｄ Ｃｏｖｅｒｓ，２０１３
高圧ガス保安協会、超高圧ガス設備に関する基準 ＫＨＫ Ｓ ０２２０（２０１０）、平成２２年
ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｍｈｉ．ｃｏ．ｊｐ／ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ／ｒｅｖｉｅｗ／ｐｄｆ／３１２／３１２１５５．ｐｄｆ
しかし、このような水素蓄圧器に従来のフープラップ式複合圧力容器を適用する場合、以下に示すように、ドーム部の強度不足問題がある。
１）フープラップ式複合圧力容器は、前記したようにＦＲＰを胴部のみに巻くタイプの容器であるため、図１６の肩部の拡大図を図１７に示したが、平坦部終端に対しＦＲＰが少しでも巻き不足であると、胴部が露出し、そこに高い応力が集中し破損しやすくなることが指摘されている（非特許文献１参照）。逆に、胴部とドーム部の境界（平坦部終端）で、ＦＲＰがドーム部側にオーバーして巻かれてしまうと、ドーム部上を繊維が滑り落ちてしまい、ＦＲＰ部の破損や割れが生じてしまう。実際のＦＲＰ施工作業において正確に（巻き付ける繊維束のサイズのオーダーで）平坦部終端縁上をＦＲＰ終端位置とすることは困難であり、ＦＲＰ過剰かＦＲＰ不足かどちらかの状態となってしまう。
図１８には、ＦＲＰが巻かれた従来のフープラップ式複合圧力容器のドーム部近傍の応力解析事例を示す。この図からは、口金内面コーナー部で高い応力が発生しているほか、平坦部終端縁近傍でドーム部が大きく膨れ上がり、ＦＲＰが少しでも巻き不足であると、この部分から破裂する危険性があることがわかる。
また、一般的なドーム部を有する容器では、容器の蓋をねじ込むために、図１６に示す口金部を鍛造などでネック出しして加工する。しかしながら、図１８に示したように口金部内面のコーナー部でも高い応力が発生してしまう。
また、一般的なドーム部を有する容器では、容器の蓋をねじ込むために、図１６に示す口金部を鍛造などでネック出しして加工する。しかしながら、図１８に示したように口金部内面のコーナー部でも高い応力が発生してしまう。
２）さらに、口金部内面のコーナー部では、図１９Ｂに示すＡの部分（図１９Ａの１〜６の部分）に示すようなしわ状のき裂ができてしまう。図１９Ｂの図は、圧力容器の全体図であり、図１９Ａは図１９ＢにおけるＡの部分の部分拡大図である。図１９Ｃの図は、深さａ（ｍｍ）のしわ状のき裂からの水素中での疲労き裂進展の様子と、水素中の疲労破断寿命（Ｎｆ）を示している。
このようなしわ状のき裂は、非特許文献２および３でも指摘されている。フープラップ式複合圧力容器のライナーに使用される材料は、低合金鋼が用いられているが、この低合金鋼は高圧水素ガス中で水素脆化することが一般的に知られているため、このようなき裂が存在した場合は、容易にき裂が進展して破壊を起こす危険性がある。
３）非特許文献２では、口金部を有する低合金鋼製蓄圧器を解体調査した結果が報告されており、この結果によると蓄圧器全体で口金部内面のコーナー部に最も高い応力が発生し、水素ガス中での疲労き裂進展寿命が短くなることが指摘されている。
４）実際に、口金部を有するタイプの水素蓄圧器においては、ドーム部に残存したき裂を取りきれなかったために水素脆性が原因となって破壊した事故事例が報告されている（非特許文献４参照）。
４）実際に、口金部を有するタイプの水素蓄圧器においては、ドーム部に残存したき裂を取りきれなかったために水素脆性が原因となって破壊した事故事例が報告されている（非特許文献４参照）。
５）口金部内面のしわ状のき裂を取り除いたり、ドーム部内面の検査確認したりすることが必要だが、水素ステーション蓄圧器の容量は５０Ｌ〜３００Ｌ程度のものまで幅広い大きさが一般的であり、口金部の開口径は一般的にφ３０〜４０ｍｍ程度と小さく絞られた形状をしている。このため、口金部内面コーナー部を含むドーム部に発生したしわ状のき裂をφ３０〜４０ｍｍの開口部分から工具や手を入れて取り除いたり、検査鏡を用いて直接的にき裂の有無の検査、確認したりすることが難しい。開口径を大きくすることは強度面で難しい。
このように、従来のフープラップ式複合圧力容器ではＦＲＰを巻いていないドーム部の肩部と口金部での強度が不足するという弱点がある。
このように、従来のフープラップ式複合圧力容器ではＦＲＰを巻いていないドーム部の肩部と口金部での強度が不足するという弱点がある。
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、フープラップ式複合圧力容器において、ドーム部の強度向上とＦＲＰの巻き回しを容易にした圧力容器およびドーム部の強度が高く、ＦＲＰの巻き回しが適正になされたフープラップ複合圧力容器を提供することを目的の一つとする。
本発明の圧力容器のうち、第１の形態は、 両端が閉じられる筒形状部の容器本体に繊維強化プラスチックがフープ巻きされる圧力容器において、
容器本体の少なくとも一端にドーム部を有し、
前記ドーム部は、筒形状部の肉厚よりも大きい肉厚を有し、かつ、
前記容器本体における軸方向に平坦な内径面から軸方向外側にある内周曲面開始点よりも、前記容器本体における軸方向に平坦な外径面から軸方向外側にある外周曲面開始点が軸方向外側にオフセットした形状を有し、
前記外径面の軸方向端縁に、前記外周曲面開始点が直接連なっていることを特徴とする。
他の形態の圧力容器の発明は、両端が閉じられる筒形状部の容器本体に繊維強化プラスチックがフープ巻きされる圧力容器において、
容器本体の少なくとも一端にドーム部を有し、
前記ドーム部は、筒形状部の肉厚よりも大きい肉厚を有し、かつ、
前記容器本体における軸方向に平坦な内径面から軸方向外側にある内周曲面開始点よりも、前記容器本体における軸方向に平坦な外径面から軸方向外側にある外周曲面開始点が軸方向外側にオフセットした形状を有し、
前記ドーム部の外径面は、前記容器本体における軸方向に平坦な外径面よりも外周側に位置していないことを特徴とする。
容器本体の少なくとも一端にドーム部を有し、
前記ドーム部は、筒形状部の肉厚よりも大きい肉厚を有し、かつ、
前記容器本体における軸方向に平坦な内径面から軸方向外側にある内周曲面開始点よりも、前記容器本体における軸方向に平坦な外径面から軸方向外側にある外周曲面開始点が軸方向外側にオフセットした形状を有し、
前記外径面の軸方向端縁に、前記外周曲面開始点が直接連なっていることを特徴とする。
他の形態の圧力容器の発明は、両端が閉じられる筒形状部の容器本体に繊維強化プラスチックがフープ巻きされる圧力容器において、
容器本体の少なくとも一端にドーム部を有し、
前記ドーム部は、筒形状部の肉厚よりも大きい肉厚を有し、かつ、
前記容器本体における軸方向に平坦な内径面から軸方向外側にある内周曲面開始点よりも、前記容器本体における軸方向に平坦な外径面から軸方向外側にある外周曲面開始点が軸方向外側にオフセットした形状を有し、
前記ドーム部の外径面は、前記容器本体における軸方向に平坦な外径面よりも外周側に位置していないことを特徴とする。
他の形態の圧力容器の発明は、前記形態の本発明において、前記ドーム部は、内周曲面開始点から軸方向外側に向けて肉厚が増大する増肉領域を有することを特徴とする。
他の形態の圧力容器の発明は、前記形態の本発明において、前記増肉領域は、少なくとも、内周面の軸方向曲面形状において軸方向に対し９０度から４５度の角度範囲まで存在していることを特徴とする。
他の形態の圧力容器の発明は、前記形態の本発明において、前記オフセットの量が少なくとも筒形状部外径の３％以上であることを特徴とする。
他の形態の圧力容器の発明は、前記形態の本発明において、前記オフセットの量が筒形状部外径の１２．３％以下であることを特徴とする。
他の形態の圧力容器の発明は、前記形態の本発明において、前記ドーム部は、先端に開口部を有し、該開口部が７０ｍｍ以上の径を有することを特徴とする。
他の形態の圧力容器の発明は、前記形態の本発明において、前記ドーム部は、先端に開口部を有し、該開口部が９０ｍｍ以下の径を有し、かつ、前記容器本体における軸方向に平坦な内径面の径に対する比率が３．６以下であることを特徴とする。
他の形態の圧力容器の発明は、前記形態の本発明において、前記容器本体における軸方向に平坦な外径面は、±０．１ｍｍの公差範囲内にあることを特徴とする。
他の形態の圧力容器の発明は、前記形態の本発明において、容器本体の筒形状部が継目無し鋼管であることを特徴とする。
他の形態の圧力容器の発明は、前記形態の本発明において、前記ドーム部の先端に口金部を有さない開口部を有し、該開口部に開閉蓋が取り外し可能な様にリテーナーリングにより担持され、ドーム部内面が目視或いは鏡などで直接的に検査・確認できることを特徴とする。
本発明のフープラップ複合圧力容器のうち、第１の形態は、第１〜１１の形態の本発明の圧力容器に記載の容器本体の外周面に繊維強化プラスチックがフープ巻きされており、前記繊維強化プラスチックの軸方向端縁が前記内周曲面開始点を超え、前記外周曲面開始点前の前記容器本体における軸方向に平坦な外径面に沿った外周面に位置していることを特徴とする。
他の形態のフープラップ複合圧力容器の発明は、前記形態の本発明において、前記繊維強化プラスチックの軸方向端縁が前記外周曲面開始点よりも軸方向内側に１ｍｍ以上の距離を有していることを特徴とする。
他の形態のフープラップ複合圧力容器の発明は、前記形態の本発明において、前記ドーム部内面に線状長さ１．０ｍｍ以下かつ深さ０．３ｍｍ以下のき裂が存在する前提において、最大圧力８２ＭＰａ、最小圧力３５ＭＰａの高圧水素ガス中の繰り返し圧力変動条件下において、５０万回以上の繰り返し荷重に対する耐久性を有することを特徴とする。
本発明によれば、ドーム部の強度不足の問題を解決でき、また、ＦＲＰのフープ巻きを適正にすることが容易になり、さらにしわ傷を除去することが可能になり、検査が容易になるサイズの開口部を設けることが可能となり、水素中の寿命を少なくとも５０万回の安全性を立証でき、水素ステーションの安全性と普及に貢献することができる。
以下に、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に、本発明の圧力容器１の全体構成を示す。
圧力容器１は、継目なし鋼管からなる筒形状部２の両端にドーム部３を有し、ドーム部３の先端にそれぞれ開口部４を有している。開口部４には、図示しない開閉蓋がリテーナーリング方式によって固定される。継目なし鋼管は、炭素鋼や低合金鋼などの材料からなり、マンネスマン法やエルハルト法などの方法によって製造することができる。
図１に、本発明の圧力容器１の全体構成を示す。
圧力容器１は、継目なし鋼管からなる筒形状部２の両端にドーム部３を有し、ドーム部３の先端にそれぞれ開口部４を有している。開口部４には、図示しない開閉蓋がリテーナーリング方式によって固定される。継目なし鋼管は、炭素鋼や低合金鋼などの材料からなり、マンネスマン法やエルハルト法などの方法によって製造することができる。
図２は、ＦＲＰ１０を圧力容器１に巻き回したフープラップ複合圧力容器１Ａのドーム部３および筒形状部２の一部を示す拡大図である。
筒形状部２は、軸方向に平坦な内径面２１と、軸方向に平坦な外径面２０とを有している。
筒形状部２の両側には、絞り加工によってドーム部３が形成されており、成形加工によってドーム部３、３の先端に開口部４を形成する。
筒形状部２は、軸方向に平坦な内径面２１と、軸方向に平坦な外径面２０とを有している。
筒形状部２の両側には、絞り加工によってドーム部３が形成されており、成形加工によってドーム部３、３の先端に開口部４を形成する。
筒形状部２は、軸方向に平坦な外径面２０および軸方向に平坦な内径面２１を終端とし、軸方向先端側がドーム部３となり、ドーム部内周曲面３１の内周曲面開始点３１Ａに連なっている。
また、筒形状部２の軸方向に平坦な外径面２０には、その終端に軸方向に平坦な外径面２０に沿ったドーム部３の軸方向平坦外径面３２が連なっている。すなわちドーム部３の外面形状は、筒形状部２の終端から、軸方向に平坦な外径面３２がそのまま軸方向外側に伸張しており、内周曲面開始点３１Ａよりも軸方向外側において、外周曲面開始点３０Ａが位置してその外側にドーム部外周曲面３０が位置している。
また、筒形状部２の軸方向に平坦な外径面２０には、その終端に軸方向に平坦な外径面２０に沿ったドーム部３の軸方向平坦外径面３２が連なっている。すなわちドーム部３の外面形状は、筒形状部２の終端から、軸方向に平坦な外径面３２がそのまま軸方向外側に伸張しており、内周曲面開始点３１Ａよりも軸方向外側において、外周曲面開始点３０Ａが位置してその外側にドーム部外周曲面３０が位置している。
なお、軸方向において、内周曲面開始点と外周曲面開始点のずれ量をＬオフセットとして図示している。Ｌオフセットを有することにより、外径面における平坦部の範囲が広くなり、ＦＲＰ１０をフープ巻きする作業が容易になり、より適切な範囲を選定することができる。また、Ｌオフセットにより、後述するように、ドーム部３の肉厚を効果的に増すことが可能になる。
Ｌオフセットの長さは本発明としては、特定の範囲に限定されるものではなく、０を超えていればよい。Ｌオフセットの最小値は、理論上は１繊維束以上の距離（例えば、１繊維束あたりの繊維本数が２４，０００本の場合、約７μｍ程度）があればよいが、非特許文献１によれば、フープ巻端が筒形状部外径の１．５％程度変化するだけで容器の破裂強度低下への影響が著しいことが指摘されていることから、筒形状部外径に対するオフセット量の比（オフセット比とする）は、フープ巻き作業における端位置の誤差を加味し、筒形状部外径の３％以上は確保することが望ましい。
また、Ｌオフセットは、本発明としては上限が定められるものではないが、ドーム部は一般的に管から成形されるので、このドーム部部分を厚肉に増肉することは現実的に難しく、またコスト高となる。さらに軸方向平坦部終端縁の肩部における応力低減効果は５０ｍｍ程度で飽和するので、上限値は５０ｍｍが望ましい。
したがって、筒形状部外径に対する比、すなわちオフセット比の最適上限値は１２．３％となる。
また、Ｌオフセットは、本発明としては上限が定められるものではないが、ドーム部は一般的に管から成形されるので、このドーム部部分を厚肉に増肉することは現実的に難しく、またコスト高となる。さらに軸方向平坦部終端縁の肩部における応力低減効果は５０ｍｍ程度で飽和するので、上限値は５０ｍｍが望ましい。
したがって、筒形状部外径に対する比、すなわちオフセット比の最適上限値は１２．３％となる。
また、ドーム部３では、肉厚が筒形状部２に対し、厚肉になっている。ドーム部３の肉厚は、内周曲面３１の曲率中心に対する方向における厚さで示すことができる。ドーム部３を厚肉にすることで、圧力容器１におけるＦＲＰ１０の終端部位置近傍で高い応力集中が生じてこの部分から破裂することを抑制する。
また、ドーム部３の肉厚は、内周曲面開始点３１Ａより軸方向外側に向けて次第に肉厚が大きくなるのが望ましい。これは圧力容器１におけるＦＲＰ１０の終端部位置近傍や図示しないリテーナーリングとドーム部内周面が接触する点など、内周曲面開始点３１Ａや筒形状部２よりもドーム部３の先端側により大きな応力が加わる箇所があるためである。また、肉厚が次第に大きくなる増肉領域は、内周面の曲率径方向で、９０度の方向から少なくとも４５度になるまで継続するのが望ましい。理由は、４５度を下回る領域で増肉しても、圧力容器１におけるＦＲＰ１０の終端部位置近傍および図示しないリテーナーリングとドーム部内周面が接触する点で発生する高い応力を低減させる効果がほとんどないからである。
また、ドーム部３の肉厚は、内周曲面開始点３１Ａより軸方向外側に向けて次第に肉厚が大きくなるのが望ましい。これは圧力容器１におけるＦＲＰ１０の終端部位置近傍や図示しないリテーナーリングとドーム部内周面が接触する点など、内周曲面開始点３１Ａや筒形状部２よりもドーム部３の先端側により大きな応力が加わる箇所があるためである。また、肉厚が次第に大きくなる増肉領域は、内周面の曲率径方向で、９０度の方向から少なくとも４５度になるまで継続するのが望ましい。理由は、４５度を下回る領域で増肉しても、圧力容器１におけるＦＲＰ１０の終端部位置近傍および図示しないリテーナーリングとドーム部内周面が接触する点で発生する高い応力を低減させる効果がほとんどないからである。
ドーム部２では、先端側に開口部４を有している。開口部４に開閉蓋（図示しない）をリテーナーリングで担持することで封止される。開口部４は、内面検査などのために、取り外し可能になっている。開口部４の大きさは、本発明としては特定のものに限定されないが、好ましくは開口径を７０ｍｍ以上とする。７０ｍｍ以上の開口を確保することで、容器本体の内面側から直接的に浸透探傷法や磁粉探傷法などのき裂検査などを行うことができる。開口が小さいと、外面側から検査を行わざるを得ず、正確な検査を行うことが難しくなる。また、開口が大きすぎると、受圧面積が増えて応力が上昇してしまうため、９０ｍｍを上限とするのが望ましい。内面径と外面径の比率（内外径比）が一定で、かつ内面径あるいは外面径に対する開口径の対する比率が同じであれば容器肉厚断面の応力分布は同じになるので、前記容器本体における軸方向に平坦な内径面の径に対する比率は３．６以下とするのが望ましい。
上記したドーム部は、予め内周面の曲率径方向で、９０度の方向から少なくとも４５度になるまで予め必要な厚みが十分にある継ぎ目なし鋼管を用いて、熱間加工により端部をドーム状に成形した後、焼入れ焼戻し熱処理を施し、外表面を段落００２９〜００３５に示すとおりに切削加工することにより製造することができる。あるいは、９０度の方向から少なくとも４５度になるまで厚みが確保できるように継ぎ目なし鋼管を熱間加工し、焼入れ焼戻し熱処理を施し後に外表面を段落００２９〜００３５に示すとおりに切削加工することによっても製造することができる。尚、ドーム部の熱間加工法としては、ドーム状の金型に継ぎ目なし鋼管を押し当てて成形する方法や、スピニング成形法などがある。
上記により得られる圧力容器には、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ１０）がフープ巻きされる。その方法は特に限定されるものではなく、既知の方法でフープ巻きすることができる。また繊維強化プラスチックは、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）とガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）とがあるがそのどちらであってもよい。
特に、ＦＲＰ１０の終端位置が、内周曲面開始点３１Ａと外周曲面開始点３０Ａの範囲内にすることにより、ドーム部の平坦外径面３２にＦＲＰ１０を巻き回すことができ、内周面開始点３１Ａの外側の位置までＦＲＰ１０を巻き回すことができ、強度向上を果たすことができ、ＦＲＰ１０の巻き長さの不足の場合に生じるドーム部強度不足の解消や、巻過ぎによってドーム部上を繊維が滑り落ちてしまい、ＦＲＰ部の破損や割れが生じてしまうのを回避できる。ＦＲＰは、強度的には軸方向に平坦な外径面にできるだけ外側まで巻回すのが望ましいが、巻きすぎを避けるために、軸方向に平坦な外径面３２の終端縁と僅かな隙間で内側にＦＲＰ１０の終端が位置するのが望ましく、例えば１ｍｍ以上の隙間を確保するのが望ましい。
特に、ＦＲＰ１０の終端位置が、内周曲面開始点３１Ａと外周曲面開始点３０Ａの範囲内にすることにより、ドーム部の平坦外径面３２にＦＲＰ１０を巻き回すことができ、内周面開始点３１Ａの外側の位置までＦＲＰ１０を巻き回すことができ、強度向上を果たすことができ、ＦＲＰ１０の巻き長さの不足の場合に生じるドーム部強度不足の解消や、巻過ぎによってドーム部上を繊維が滑り落ちてしまい、ＦＲＰ部の破損や割れが生じてしまうのを回避できる。ＦＲＰは、強度的には軸方向に平坦な外径面にできるだけ外側まで巻回すのが望ましいが、巻きすぎを避けるために、軸方向に平坦な外径面３２の終端縁と僅かな隙間で内側にＦＲＰ１０の終端が位置するのが望ましく、例えば１ｍｍ以上の隙間を確保するのが望ましい。
圧力容器１へのＦＲＰ１０のフープ巻きによって、フープラップ複合圧力容器１Ａが得られる。このフープラップ複合圧力容器１Ａは、高圧水素ガスと接する内表面に線状長さ１．０ｍｍ以下、深さ０．３ｍｍ以下のき裂が存在しても、最大圧力８２ＭＰａ、最小圧力３５ＭＰａの高圧水素ガス中の繰り返し圧力変動条件下において、５０万回以上の繰り返し荷重に対する耐久性を有している。
次に、本発明の実施例について説明する。
図３に、本実施例で使用する供試材のフープラップ複合圧力容器の一部断面図を示す。何れも図１６に示すような口金を有するタイプのライナーである。
Ａ’図は、従来の供試材であり、ドーム部における内周面開始点と外周面開始点とが軸方向で一致している。Ｂ’図は、本実施形態で示される供試材であり、内周面開始点３１Ａよりも外周面開始点３０Ａが５０ｍｍのオフセット量を有している。Ｃ’図は、本実施形態で示される供試材であり、内周面開始点３１Ａよりも外周面開始点３０Ａが１００ｍｍのオフセット量を有している。
図３に、本実施例で使用する供試材のフープラップ複合圧力容器の一部断面図を示す。何れも図１６に示すような口金を有するタイプのライナーである。
Ａ’図は、従来の供試材であり、ドーム部における内周面開始点と外周面開始点とが軸方向で一致している。Ｂ’図は、本実施形態で示される供試材であり、内周面開始点３１Ａよりも外周面開始点３０Ａが５０ｍｍのオフセット量を有している。Ｃ’図は、本実施形態で示される供試材であり、内周面開始点３１Ａよりも外周面開始点３０Ａが１００ｍｍのオフセット量を有している。
各供試材は、筒形状部において、外径が４０６ｍｍ、内径が３２２ｍｍ、肉厚４２ｍｍで、ＦＲＰの終端縁は、外周面開始点よりも内側に５ｍｍに位置しており、ＦＲＰ厚さは２０ｍｍである。
Ａ’図の供試材は、内周面の曲率半径が１６１ｍｍ、外周面の曲率半径が２０３ｍｍで曲率の中心は、内外周面開始点の中心に位置している。開口部３８ｍｍ径であり、口金部は、外径１００ｍｍで長さは９０ｍｍである。
Ｂ’図の供試材は、内周面の曲率半径が１６１ｍｍ、外周面の曲率半径が２０３ｍｍで曲率の中心は、内周面の曲率中心が５０ｍｍ外側にずれている。開口部３８ｍｍ径であり、口金部は、外径１００ｍｍで長さは６５ｍｍである。
Ｃ’図の供試材は、内周面の曲率半径が１６１ｍｍ、外周面の曲率半径が２０３ｍｍで曲率の中心は、内周面の曲率中心が１００ｍｍ外側にずれている。開口部３８ｍｍ径であり、口金部は、外径１００ｍｍで長さは２７ｍｍである。
Ａ’図の供試材は、内周面の曲率半径が１６１ｍｍ、外周面の曲率半径が２０３ｍｍで曲率の中心は、内外周面開始点の中心に位置している。開口部３８ｍｍ径であり、口金部は、外径１００ｍｍで長さは９０ｍｍである。
Ｂ’図の供試材は、内周面の曲率半径が１６１ｍｍ、外周面の曲率半径が２０３ｍｍで曲率の中心は、内周面の曲率中心が５０ｍｍ外側にずれている。開口部３８ｍｍ径であり、口金部は、外径１００ｍｍで長さは６５ｍｍである。
Ｃ’図の供試材は、内周面の曲率半径が１６１ｍｍ、外周面の曲率半径が２０３ｍｍで曲率の中心は、内周面の曲率中心が１００ｍｍ外側にずれている。開口部３８ｍｍ径であり、口金部は、外径１００ｍｍで長さは２７ｍｍである。
図４に示すようにＦＲＰ終端部におけるドーム部肉厚が筒形状部肉厚より大きく、増肉される構造となり、ＦＲＰ終端部で高い応力が発生してこの部分から破裂することを抑制する。
上記供試材における応力解析を行う際の評価点を図５に示す。各供試材において、ＦＲＰの終端縁の位置をＢ点、口金部内面のコーナー部をＡ点と定める。
各供試材について、径方向の応力σｒ、軸方向の応力σＬ、周方向の応力σｔ、第一主応力σ１、第三種応力σ３を有限要素法によって算出し、その値を表１〜表３および図６に示した。
各供試材について、径方向の応力σｒ、軸方向の応力σＬ、周方向の応力σｔ、第一主応力σ１、第三種応力σ３を有限要素法によって算出し、その値を表１〜表３および図６に示した。
表１〜３および図６から明らかなように、形状１よりも形状２、３の応力値が低減しており、ＦＲＰ終端位置が５ｍｍ不足しても本実施形態では、Ｂ点での応力集中が起きにくいことが示されている。
図７には、オフセット量と平坦外径面の終端縁におけるドーム部肉厚の関係を示す。平坦外径面の終端縁におけるドーム部肉厚は、オフセット量にともない増加するが、オフセット量が５０ｍｍで応力低減効果が飽和する。この場合のドーム部肉厚は４８．０６ｍｍとなる。
Ｂ点における応力低減効果は、５０ｍｍ程度で飽和するので、上限値は５０ｍｍが望ましい。
図７には、オフセット量と平坦外径面の終端縁におけるドーム部肉厚の関係を示す。平坦外径面の終端縁におけるドーム部肉厚は、オフセット量にともない増加するが、オフセット量が５０ｍｍで応力低減効果が飽和する。この場合のドーム部肉厚は４８．０６ｍｍとなる。
Ｂ点における応力低減効果は、５０ｍｍ程度で飽和するので、上限値は５０ｍｍが望ましい。
図８には、筒形状部外径に対するオフセット量（Ｌオフセット） の比であるオフセット比と、図５のＡ、Ｂ点における応力との関係を示した。Ａ、Ｂ点の応力が小さくなるオフセット比の最適上限値は１２．３％となる。
図９には、オフセット位置におけるドーム部肉厚と、Ａ点応力の関係を示す。
口金部Ａ点における応力は図に示すようにオフセット量を増やしていくと低減し、５０ｍｍ以上で再び上昇する傾向を示すので、Ａ点での水素中でき裂進展抑制効果はある。
しかしこのまま（形状２または形状３）では、開口径がφ３８ｍｍと小さいので、ドーム部内部、口金部のしわ状のき裂を確認したり、加工で取り除いたりすることは一般的な方法では不可能である。
そこで、口金部を廃し、図１１に示すようなリテーナーリング方式（非特許文献５）により蓋を担持する構造の蓄圧器を考える。この形状の蓄圧器において、実際にドーム部内面のしわ状のき裂を除去したり、直接的にしわ状のき裂の有無を検査したりする作業のために必要な開口径を考慮し、開口径を９０ｍｍまたは１１０ｍｍまで拡大した。図１０にはその解析モデルを示す。ここで、開口径９０ｍｍを形状４、開口径１１０ｍｍを形状５とする。
口金部Ａ点における応力は図に示すようにオフセット量を増やしていくと低減し、５０ｍｍ以上で再び上昇する傾向を示すので、Ａ点での水素中でき裂進展抑制効果はある。
しかしこのまま（形状２または形状３）では、開口径がφ３８ｍｍと小さいので、ドーム部内部、口金部のしわ状のき裂を確認したり、加工で取り除いたりすることは一般的な方法では不可能である。
そこで、口金部を廃し、図１１に示すようなリテーナーリング方式（非特許文献５）により蓋を担持する構造の蓄圧器を考える。この形状の蓄圧器において、実際にドーム部内面のしわ状のき裂を除去したり、直接的にしわ状のき裂の有無を検査したりする作業のために必要な開口径を考慮し、開口径を９０ｍｍまたは１１０ｍｍまで拡大した。図１０にはその解析モデルを示す。ここで、開口径９０ｍｍを形状４、開口径１１０ｍｍを形状５とする。
形状４および形状５では、ドーム部内周面の曲率半径は１６１ｍｍ、ドーム部外周面の曲率半径は２５０ｍｍとなっている。曲率中心は、ドーム部内周面は、筒形状部の中心軸上にあり、ドーム部外周面では、それよりも４７ｍｍ径方向に離れた位置にある。
このように開口部を大きくすると受圧面積が増えるため応力は上昇してしまうが、き裂を除去でき、浸透探傷試験法（ＰＴ）あるいは磁粉探傷試験法（ＭＴ）などで直接的に内面検査作業が可能となるため、ごく微小なき裂でも見逃すことはない。
一方で、外面からしか検査できない場合は、き裂の有無の確認は超音波探傷試験法（ＵＴ）により行うことができるが（例えば表４）、超高圧圧力容器の設計指針（非特許文献６）により、検出限界を考慮した疲労き裂解析において想定可能な最小き裂寸法は表４に示すように、本実施例では筒形状部２の肉厚が４２ｍｍのため、深さ１．１ｍｍ、長さ３．３ｍｍ以上になる。
このように開口部を大きくすると受圧面積が増えるため応力は上昇してしまうが、き裂を除去でき、浸透探傷試験法（ＰＴ）あるいは磁粉探傷試験法（ＭＴ）などで直接的に内面検査作業が可能となるため、ごく微小なき裂でも見逃すことはない。
一方で、外面からしか検査できない場合は、き裂の有無の確認は超音波探傷試験法（ＵＴ）により行うことができるが（例えば表４）、超高圧圧力容器の設計指針（非特許文献６）により、検出限界を考慮した疲労き裂解析において想定可能な最小き裂寸法は表４に示すように、本実施例では筒形状部２の肉厚が４２ｍｍのため、深さ１．１ｍｍ、長さ３．３ｍｍ以上になる。
一方で開口径を大きくして内面から直接検査できる場合、製造時に検査できる方法は、非特許文献６によれば、超音波探傷試験法以外ではＪＩＳ Ｚ ２３２０−１〜３による磁粉探傷試験法（ＭＴ）、ＪＩＳ Ｚ ２３４３−１〜４による浸透探傷試験法（ＰＴ）が適用可能となるので、き裂の検出限界を考慮すると、疲労き裂解析における想定可能な最小き裂寸法はＵＴ法より小さく深さ０．３ｍｍ、長さ１．０ｍｍ程度までとすることができる。
そこで、形状１、２、４、５について疲労寿命を比較する。疲労寿命の評価は、非特許文献６のＫＨＫ Ｓ ０２２０の方法に基づき、図１２に示す高圧水素ガス環境の影響を加味した疲労き裂寿命評価手順を用いて行う。
この手順では、初期き裂形状ａ（＝表面き裂の深さ）、ｌ（＝表面き裂の長さ）を設定し、応力拡大係数を算出する。次いで、き裂進展速度を算出する。本実施例ではライナーは何れも引張強さが９３０ＭＰａ級の低合金鋼であり、き裂進展速度は、図１３に示されるこの材料の９０ＭＰａ水素ガス環境で疲労き裂進展試験の結果を用いて算出を行った。き裂進展速度は、９０ＭＰａ水素ガス環境で疲労き裂進展試験を行って算出を行う。き裂進展試験では、ｄａ／ｄＮは疲労き裂進展速度、ΔＫは荷重繰り返しの間の応力拡大係数の変動範囲、Ｃ、ｍは定数である。
き裂進展速度の算出後、繰り返し回数ｎ＝ｎ＋１によるき裂増分Δａ、Δｌを算出し、その後、き裂寸法を更新する。すなわち、ａ＝ａ＋Δａ、ｌ＝ｌ＋Δｌを算出する。
次に、限界き裂深さに到達したかを判定する。判定では、ライジングロード試験によるＫＩＨまたは遅れ試験によるＫＩＨを用いて行う。
限界き裂深さに到達していなければ、応力拡大係数を算出するステップに戻り、限界き裂深さに到達していれば、許容繰り返し数Ｎｃの算出を行って終了する。
この手順では、初期き裂形状ａ（＝表面き裂の深さ）、ｌ（＝表面き裂の長さ）を設定し、応力拡大係数を算出する。次いで、き裂進展速度を算出する。本実施例ではライナーは何れも引張強さが９３０ＭＰａ級の低合金鋼であり、き裂進展速度は、図１３に示されるこの材料の９０ＭＰａ水素ガス環境で疲労き裂進展試験の結果を用いて算出を行った。き裂進展速度は、９０ＭＰａ水素ガス環境で疲労き裂進展試験を行って算出を行う。き裂進展試験では、ｄａ／ｄＮは疲労き裂進展速度、ΔＫは荷重繰り返しの間の応力拡大係数の変動範囲、Ｃ、ｍは定数である。
き裂進展速度の算出後、繰り返し回数ｎ＝ｎ＋１によるき裂増分Δａ、Δｌを算出し、その後、き裂寸法を更新する。すなわち、ａ＝ａ＋Δａ、ｌ＝ｌ＋Δｌを算出する。
次に、限界き裂深さに到達したかを判定する。判定では、ライジングロード試験によるＫＩＨまたは遅れ試験によるＫＩＨを用いて行う。
限界き裂深さに到達していなければ、応力拡大係数を算出するステップに戻り、限界き裂深さに到達していれば、許容繰り返し数Ｎｃの算出を行って終了する。
図１３には図１２の疲労き裂進展寿命計算に用いる水素ガス中疲労き裂進展データ（ｃ，ｍ，ＫＩＨ）を示す。
図１４には形状１、２、４、５における想定き裂挿入位置を示す。き裂挿入位置は応力が最も集中する危険点（形状１，２においては口金コーナー内面（Ａ点）、形状４、５においてはリテーナーリングとドーム部内周面が接触する点）である。形状４、５においてはこの部分にドーム部内周面とリテーナーリングが接触するため、接触応力も考慮してある。
図１４には形状１、２、４、５における想定き裂挿入位置を示す。き裂挿入位置は応力が最も集中する危険点（形状１，２においては口金コーナー内面（Ａ点）、形状４、５においてはリテーナーリングとドーム部内周面が接触する点）である。形状４、５においてはこの部分にドーム部内周面とリテーナーリングが接触するため、接触応力も考慮してある。
また、金属はき裂が存在しなくても金属疲労により破断する。したがってき裂がない場合の水素中の疲労破断寿命（Ｎｆ）を図１５に示す水素中疲労寿命曲線から求め、先に算出した疲労き裂進展解析による許容繰り返し数（Ｎｃ）と比較し、何れか小さい方を寿命として選択する。表５に結果を示す。
この結果から、水素ステーションを１５年間稼働させた場合に必要な回数３０万回を満足可能なのは、開口部をφ９０ｍｍとした形状４が達成可能であり、形状５のように開口部がφ１１０ｍｍと大きすぎても受圧部の応力負担が大きくなり、疲労寿命が達成できなくなる。したがって、開口径は最大でもφ９０ｍｍとするのが望ましい。
一方、開口径の下限界値については、非特許文献７に浸透探傷法の内面検査事例が示されているが、検査に必要な器具（薬液の塗布や噴霧、洗浄液の噴射ノズルＣＣＤカメラなど）を挿入する都合を考えると、この場合はφ７０ｍｍ程度と示されている。したがって、開口径の下限値はφ７０ｍｍが妥当と考えられる。
なお、実施例では、筒形状部内径がφ３２２．４ｍｍの場合で開口径の最大限界値がφ９０ｍｍであるが、あらゆる筒形状部内径を考えた場合、本実施例より開口径の筒形状部内径に対する比率：筒形状部内径／開口径は３．６以下とすることが望ましい。
なお、実施例では、筒形状部内径がφ３２２．４ｍｍの場合で開口径の最大限界値がφ９０ｍｍであるが、あらゆる筒形状部内径を考えた場合、本実施例より開口径の筒形状部内径に対する比率：筒形状部内径／開口径は３．６以下とすることが望ましい。
以上、本発明について上記実施形態および実施例に基づいて説明を行ったが、本発明の範囲を逸脱しない限りは実施形態に対する適宜の変更が可能である。
１ 圧力容器
１Ａ フープラップ複合圧力容器
２ 筒形状部
３ ドーム部
４ 開口部
１０ ＦＲＰ
２０ 軸方向に平坦な外径面
２１ 軸方向に平坦な内径面
３０ 外周曲面
３０Ａ 外周曲面開始点
３１ 内周曲面
３１Ａ 内周曲面開始点
３２ 軸方向に平坦な外径面
１Ａ フープラップ複合圧力容器
２ 筒形状部
３ ドーム部
４ 開口部
１０ ＦＲＰ
２０ 軸方向に平坦な外径面
２１ 軸方向に平坦な内径面
３０ 外周曲面
３０Ａ 外周曲面開始点
３１ 内周曲面
３１Ａ 内周曲面開始点
３２ 軸方向に平坦な外径面
Claims (14)
- 両端が閉じられる筒形状部の容器本体に繊維強化プラスチックがフープ巻きされる圧力容器において、
容器本体の少なくとも一端にドーム部を有し、
前記ドーム部は、筒形状部の肉厚よりも大きい肉厚を有し、かつ、
前記容器本体における軸方向に平坦な内径面から軸方向外側にある内周曲面開始点よりも、前記容器本体における軸方向に平坦な外径面から軸方向外側にある外周曲面開始点が軸方向外側にオフセットした形状を有し、
前記外径面の軸方向端縁に、前記外周曲面開始点が直接連なっていることを特徴とする圧力容器。 - 両端が閉じられる筒形状部の容器本体に繊維強化プラスチックがフープ巻きされる圧力容器において、
容器本体の少なくとも一端にドーム部を有し、
前記ドーム部は、筒形状部の肉厚よりも大きい肉厚を有し、かつ、
前記容器本体における軸方向に平坦な内径面から軸方向外側にある内周曲面開始点よりも、前記容器本体における軸方向に平坦な外径面から軸方向外側にある外周曲面開始点が軸方向外側にオフセットした形状を有し、
前記ドーム部の外径面は、前記容器本体における軸方向に平坦な外径面よりも外周側に位置していないことを特徴とする圧力容器。 - 前記ドーム部は、内周曲面開始点から軸方向外側に向けて肉厚が増大する増肉領域を有することを特徴とする請求項１または２に記載の圧力容器。
- 前記増肉領域は、少なくとも、内周面の軸方向曲面形状において軸方向に対し９０度から４５度の角度範囲まで存在していることを特徴とする請求項３記載の圧力容器。
- 前記オフセットの量が少なくとも筒形状部の外径の３％以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧力容器。
- 前記オフセットの量が筒形状部の外径の１２．３％以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧力容器。
- 前記ドーム部は、軸方向先端に開口部を有し、該開口部が７０ｍｍ以上の径を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧力容器。
- 前記ドーム部は、先端に開口部を有し、該開口部が９０ｍｍ以下の径を有し、かつ、前記容器本体における軸方向に平坦な内径面の径に対する比率が３．６以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の圧力容器。
- 前記容器本体における軸方向に平坦な外径面は、±０．１ｍｍの公差範囲内にあることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の圧力容器。
- 容器本体の筒形状部が継目無し鋼管であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の圧力容器。
- 前記ドーム部の先端に口金部を有さない開口部を有し、該開口部に開閉蓋が取り外し可能なリテーナーリングにより担持されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の圧力容器。
- 請求項１〜１１のいずれかに記載の容器本体の外周面に繊維強化プラスチックがフープ巻きされており、前記繊維強化プラスチックの軸方向端縁が前記内周曲面開始点を超え、前記外周曲面開始点前の前記容器本体における軸方向に平坦な外径面に沿った外周面に位置していることを特徴とするフープラップ複合圧力容器。
- 前記繊維強化プラスチックの軸方向端縁が前記外周曲面開始点よりも軸方向内側に１ｍｍ以上の距離で位置していることを特徴とする請求項１２記載のフープラップ複合圧力容器。
- 前記ドーム部内面に線状長さ１．０ｍｍ以下かつ深さ０．３ｍｍ以下のき裂が存在する前提において、最大圧力８２ＭＰａ、最小圧力３５ＭＰａの高圧水素ガス中の繰り返し圧力変動条件において、５０万回以上の繰り返し荷重に対する耐久性を有することを特徴とする請求項１２または１３に記載のフープラップ複合圧力容器
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