钛合金无缝气瓶及其制造方法技术

本发明专利技术涉及压力容器技术领域，提供了一种钛合金无缝气瓶及其制造方法。该方法包括以下步骤：确定气瓶的容积；确定气瓶的规格尺寸；确定碳纤维的环向缠绕层数、左螺旋缠绕层数和右螺旋缠绕层数；根据气瓶的规格尺寸将钛合金管加工成钛合金无缝内衬；根据环向缠绕层数、左螺旋缠绕层数和右螺旋缠绕层数，在钛合金无缝内衬的外壁以指定预紧力缠绕多层碳纤维，以形成碳纤维缠绕复合层；其中，多层碳纤维中除最外两层依次按照左螺旋一层和右螺旋一层缠绕以外，其余均由内至外按照环向一层、左螺旋一层、环向一层和右螺旋一层的方式交替缠绕。本发明专利技术不仅提高了整个气瓶的工作压力和单位体积的储氢量，而且使整个碳纤维缠绕复合层受力更均匀、更致密。

【技术实现步骤摘要】
钛合金无缝气瓶及其制造方法
本专利技术涉及压力容器
，尤其涉及一种钛合金无缝气瓶及其制造方法。
技术介绍
氢能是氢在物理与化学变化过程中释放的能量，属于一种清洁能源，不会对环境造成污染。燃料电池是将存在于氢气与氧化剂中的化学能转化为电能的发电装置。燃料电池在技术上的限制因素主要有两个：一个氢气的高压存储能力，另外一个是电堆的氢能转化为电能的效率。其中，氢气的高压存储能力决定了燃烧电池的电量输出量，氢气瓶的工作压力越大，单位体积存储的氢气越多，燃烧电池的供电时间便越长。目前，燃烧电池所需的氢气通常存储在工作压力为35Mpa～70Mpa的铝合金碳纤维缠绕瓶内，而其储氢量已无法满足燃料电池的发展需求。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种钛合金无缝气瓶的制造方法，以降低气瓶重量、提高气瓶的工作压力和单位体积的储氢量。本专利技术还提出一种钛合金无缝气瓶。根据本专利技术第一方面实施例的钛合金无缝气瓶的制造方法，包括以下步骤：根据燃料电池的供电量、气瓶内部的工作压力和氢气的物理性质确定气瓶的容积；利用ANSYS有限元分析软件根据所述气瓶内部和外部的工作压力、所述气瓶的容积以及钛合金的物理性质确定所述气瓶的规格尺寸；利用ANSYS有限元分析软件根据所述气瓶内部和外部的工作压力、所述气瓶的规格尺寸、碳纤维的抗拉强度和钛合金的力学性质确定碳纤维的环向缠绕层数、左螺旋缠绕层数和右螺旋缠绕层数；根据所述气瓶的规格尺寸将钛合金管加工成钛合金无缝内衬；根据所述环向缠绕层数、所述左螺旋缠绕层数和所述右螺旋缠绕层数，在所述钛合金无缝内衬的外壁以指定预紧力缠绕多层碳纤维，以形成碳纤维缠绕复合层；其中，所述多层碳纤维中除最外两层依次按照左螺旋一层和右螺旋一层的方式缠绕而成以外，其余由内至外按照环向一层、左螺旋一层、环向一层和右螺旋一层的方式交替缠绕而成。根据本专利技术实施例的钛合金无缝气瓶的制造方法，通过采用环向+双向螺旋的方式在钛合金无缝内衬的外壁形成碳纤维缠绕复合层，即除最外两层依次按照左螺旋一层和右螺旋一层的方式缠绕而成以外，其余由内至外按照环向一层、左螺旋一层、环向一层和右螺旋一层的方式交替缠绕而成，不仅可使钛合金无缝内衬沿其径向对碳纤维施加的作用力被抵消，进而显著提高了整个气瓶的工作压力和单位体积的储氢量，而且环向、左螺旋和右螺旋的碳纤维在多处相交、可相互传递作用力，使得整个碳纤维缠绕复合层受力更均匀、更致密。此外，本专利技术采用钛合金管作为原材料制备钛合金无缝内衬，可显著降低整个气瓶的重量。另外，根据本专利技术实施例的钛合金无缝气瓶的制造方法，还可以具有如下附加技术特征：根据本专利技术的一个实施例，所述根据燃料电池的供电量、气瓶内部的工作压力和氢气的物理性质确定气瓶的容积的步骤，包括以下步骤：确定在气瓶内部的工作压力下氢气的密度；根据以下公式计算气瓶的容积V：其中，m表示氢气的质量，ρ表示在气瓶内部的工作压力下氢气的密度，W表示燃料电池的供电量，a表示氢气的燃烧热转化为电能的效率。根据本专利技术的一个实施例，所述气瓶内部的工作压力不小于200Mpa，所述气瓶外部的工作压力不小于1bar。根据本专利技术的一个实施例，所述气瓶的规格尺寸包括所述气瓶的内胆外径、所述气瓶的内胆长度、所述气瓶的筒体壁厚、所述气瓶的肩部厚度、所述气瓶的颈部厚度和所述气瓶的瓶底尺寸。根据本专利技术的一个实施例，所述根据所述气瓶的规格尺寸将钛合金管加工成钛合金无缝内衬的步骤，包括以下步骤：按照所述气瓶的内胆外径和筒体壁厚选用钛合金管作为原材料；从所述原材料上锯切与所述气瓶的内胆等长的管段作为待加工管；将所述待加工管加热至900℃，并对所述待加工管的第一端依次进行封口旋压和顶底，以形成球柱形瓶体；根据所述气瓶的瓶底尺寸，对所述球柱形瓶体的底部的内壁和外壁进行铣削，以形成球形瓶底；对所述球形瓶底进行气密性处理；将所述球柱形瓶体加热至900℃，并根据所述气瓶的肩部厚度和所述气瓶的颈部厚度对所述球柱形瓶体的第二端进行旋压，以在所述球柱形瓶体的第二端形成肩部和颈部；其中，所述球柱形瓶体自所述肩部至所述颈部的厚度逐渐增大；在所述球柱形瓶体的颈部铣削加工螺纹，以制成所述钛合金无缝内衬。根据本专利技术的一个实施例，所述根据所述气瓶的规格尺寸将钛合金管加工成钛合金无缝内衬的步骤，还包括以下步骤：对所述钛合金无缝内衬进行热处理；对所述钛合金无缝内衬的内壁和外壁进行酸洗；对所述钛合金无缝内衬的外壁进行喷砂处理。根据本专利技术的一个实施例，所述根据所述气瓶的规格尺寸将钛合金管加工成钛合金无缝内衬的步骤，还包括以下步骤：对所述钛合金无缝内衬进行超声探伤检测、抗拉性能检测、断裂性能检测和硬度检测。根据本专利技术的一个实施例，所述指定预紧力为30N～45N，且沿所述钛合金无缝内衬的径向所述指定预紧力由内至外逐渐减小。根据本专利技术的一个实施例，还包括以下步骤：在最外层的所述碳纤维上缠绕玻璃纤维，以形成玻璃纤维层；在所述玻璃纤维层上涂抹指定厚度的树脂材料；驱动所述钛合金无缝内衬绕其中心轴按照指定转速转动，并先将所述树脂材料加热至60℃后保温2小时，之后再加热至80℃后保温2小时，之后再加热至100℃后保温2小时，之后再加热至120℃后保温2小时，之后在加热至140℃后保温3小时，之后降温至室温。根据本专利技术第二方面实施例的钛合金无缝气瓶，包括钛合金无缝内衬以及形成于所述钛合金无缝内衬外壁的碳纤维缠绕复合层，所述碳纤维缠绕复合层包括多层碳纤维，所述多层碳纤维中除最外两层依次按照左螺旋一层和右螺旋一层的方式缠绕而成以外，其余由内至外按照环向一层、左螺旋一层、环向一层和右螺旋一层的方式交替缠绕而成。本专利技术实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：本专利技术通过采用环向+双向螺旋的方式在钛合金无缝内衬的外壁形成碳纤维缠绕复合层，即除最外两层依次按照左螺旋一层和右螺旋一层的方式缠绕而成以外，其余由内至外按照环向一层、左螺旋一层、环向一层和右螺旋一层的方式交替缠绕而成，不仅可使钛合金无缝内衬沿其径向对碳纤维施加的作用力被抵消，进而显著提高了整个气瓶的工作压力和单位体积的储氢量，而且环向、左螺旋和右螺旋的碳纤维在多处相交、可相互传递作用力，使得整个碳纤维缠绕复合层受力更均匀、更致密。此外，本专利技术采用钛合金管作为原材料制备钛合金无缝内衬，可显著降低整个气瓶的重量。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图进行简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钛合金无缝气瓶的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：/n根据燃料电池的供电量、气瓶内部的工作压力和氢气的物理性质确定气瓶的容积；/n利用ANSYS有限元分析软件根据所述气瓶内部和外部的工作压力、所述气瓶的容积以及钛合金的物理性质确定所述气瓶的规格尺寸；/n利用ANSYS有限元分析软件根据所述气瓶内部和外部的工作压力、所述气瓶的规格尺寸、碳纤维的抗拉强度和钛合金的力学性质确定碳纤维的环向缠绕层数、左螺旋缠绕层数和右螺旋缠绕层数；/n根据所述气瓶的规格尺寸将钛合金管加工成钛合金无缝内衬；/n根据所述环向缠绕层数、所述左螺旋缠绕层数和所述右螺旋缠绕层数，在所述钛合金无缝内衬的外壁以指定预紧力缠绕多层碳纤维，以形成碳纤维缠绕复合层；其中，所述多层碳纤维中除最外两层依次按照左螺旋一层和右螺旋一层的方式缠绕而成以外，其余由内至外按照环向一层、左螺旋一层、环向一层和右螺旋一层的方式交替缠绕而成。/n

【技术特征摘要】
1.一种钛合金无缝气瓶的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据燃料电池的供电量、气瓶内部的工作压力和氢气的物理性质确定气瓶的容积；
利用ANSYS有限元分析软件根据所述气瓶内部和外部的工作压力、所述气瓶的容积以及钛合金的物理性质确定所述气瓶的规格尺寸；
利用ANSYS有限元分析软件根据所述气瓶内部和外部的工作压力、所述气瓶的规格尺寸、碳纤维的抗拉强度和钛合金的力学性质确定碳纤维的环向缠绕层数、左螺旋缠绕层数和右螺旋缠绕层数；
根据所述气瓶的规格尺寸将钛合金管加工成钛合金无缝内衬；
根据所述环向缠绕层数、所述左螺旋缠绕层数和所述右螺旋缠绕层数，在所述钛合金无缝内衬的外壁以指定预紧力缠绕多层碳纤维，以形成碳纤维缠绕复合层；其中，所述多层碳纤维中除最外两层依次按照左螺旋一层和右螺旋一层的方式缠绕而成以外，其余由内至外按照环向一层、左螺旋一层、环向一层和右螺旋一层的方式交替缠绕而成。


2.根据权利要求1所述的钛合金无缝气瓶的制造方法，其特征在于，所述根据燃料电池的供电量、气瓶内部的工作压力和氢气的物理性质确定气瓶的容积的步骤，包括以下步骤：
确定在气瓶内部的工作压力下氢气的密度；
根据以下公式计算气瓶的容积V：






其中，m表示氢气的质量，ρ表示在气瓶内部的工作压力下氢气的密度，W表示燃料电池的供电量，a表示氢气的燃烧热转化为电能的效率。


3.根据权利要求1所述的钛合金无缝气瓶的制造方法，其特征在于，所述气瓶内部的工作压力不小于200Mpa，所述气瓶外部的工作压力不小于1bar。


4.根据权利要求1所述的钛合金无缝气瓶的制造方法，其特征在于，所述气瓶的规格尺寸包括所述气瓶的内胆外径、所述气瓶的内胆长度、所述气瓶的筒体壁厚、所述气瓶的肩部厚度、所述气瓶的颈部厚度和所述气瓶的瓶底尺寸。


5.根据权利要求4所述的钛合金无缝气瓶的制造方法，其特征在于，所述根据所述气瓶的规格尺寸将钛合金管加工成钛合金无缝内衬的步骤，包括以下步骤：
按照所述气瓶的内胆外径和筒体壁厚选用钛合金管作为原材料；
从所述原材料上锯切与所述气瓶的内胆等长的管段作为待加工管；
将所述待加工管加热至900℃，并对所述待加工管的第一端依次进行封口旋压...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟庆海，王宏，郭方慧，孙宏伟，
申请(专利权)人：沈阳中钛装备制造有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁;21