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
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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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