一种不锈钢II型气瓶及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种低成本、高强度不锈钢II型气瓶结构及其典型制造方法。本发明专利技术公开的II型气瓶由301系列不锈钢和高强度纤维(首选树脂基碳纤维材料)复合材料制成，其中不锈钢瓶体为两端半球形、中部直圆筒形，不锈钢瓶体壁厚一致，高强度单向复合材料仅环向缠绕不锈钢的筒段部分，起到加强气瓶环向强度的作用。本发明专利技术公开的II形气瓶典型制造方法是：首先基于301系列不锈钢材料制造无缝瓶体，两端收口，制成等厚度的两端球壳，中部圆柱壳金属瓶体；然后在首选液氮环境的深冷环境下进行高压胀形，并使用外模具约束不锈钢瓶体的筒段，胀形幅度以筒段直径增大10～15％为宜；第三步将胀形后的不锈钢瓶体在430℃环境下进行热时效8个小时进一步强化；第四步在不锈钢瓶体的筒段外环向缠绕高强度单向纤维增强复合材料，并进行固化；最后在常温下进行水压预紧胀形得到最终成品。品。品。

【技术实现步骤摘要】
一种不锈钢II型气瓶及其制造方法


[0001]本专利技术涉及压力容器领域，公开了一种低成本、高强度不锈钢II型气瓶及其制造方法，可以实现III型气瓶的结构效率，同时降低制造成本50％以上。

技术介绍

[0002]高压气瓶是现代工业、科研常用的压力容器设备。在我国气瓶结构分为CNG
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I型、CNG
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II型、CNG
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III型、CNG
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IV共四种类型，以下分别简称I至IV型气瓶。其中I型为金属气瓶，II型为复合材料环向缠绕增强金属气瓶，III型为金属内胆复合材料缠绕气瓶，IV型为非金属内胆复合材料缠绕气瓶。上述四种气瓶的复合材料比例逐渐增大，一般结构效率越来越高，同时制造成本也越来越高。目前国内在高端气瓶应用领域主要使用III型气瓶或者昂贵的I型钛合金气瓶，在低端民用领域还在大量使用普通的I型气瓶。IV型气瓶由于技术成熟度还不够高，尚未大规模投入商业应用。
[0003]金属材料占比越高气瓶结构效率越低的主要原因是金属材料比强度明显低于复合材料，以奥氏体不锈钢为例，其极限强度只有600MPa左右，密度是7.9g/cm^3，而常用的环氧树脂基T700碳纤维复合材料的极限强度可达2000MPa，密度只有1.6g/cm^3，后者比强度是前者的16.5倍。
[0004]退火态301奥氏体不锈钢在
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196℃液氮环境下存在优异的低温应变强化现象，产生10％左右的低温应变强化后，材料的常温屈服强度和抗拉强度均有明显提高。试验数据表明
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196℃下301不锈钢应变强化后再经过430℃时效，极限强度可达到2068MPa。但由于通常采用深冷轧钢工艺进行强化，设备和工艺成本高，同时存在不方便焊接等缺点，导致这一技术仅在国外小规模应用于航天结构产品。
[0005]本专利技术结合了301系列不锈钢深冷强化优势和复合材料的高强度优势，采用无缝金属瓶体加工工艺，避免了焊接工艺，实现并公开了一种结构效率与III型气瓶相当的低成本II型气瓶结构方案及其制造方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术主要解决II型气瓶结构效率低、III型气瓶制造成本高的矛盾，公开了一种结构效率与III型气瓶相当的低成本II型气瓶结构方案及其制造方法。
[0007]本专利技术的有益效果是：
[0008]1)结构效率高，成品金属材料的极限强度可达2000MPa级，综合结构效率与III型气瓶相当；
[0009]2)成本低，成品气瓶中低成本不锈钢重量占比约80％，高成本复合材料占比约20％，大幅降低了材料成本；
[0010]3)工艺简单，不锈钢无缝瓶体工艺、纤维缠绕II型瓶工艺、高压预紧工艺均是成熟工艺。液氮环境深冷胀形的工艺也易于低成本实施。
[0011]本专利技术公开的II型气瓶的结构组成和制造过程如下：
[0012]1)气瓶由301系列不锈钢瓶体、复合材料缠绕加强层组成典型的II型气瓶结构，其中金属瓶体前后底优选为球壳，金属瓶体整体优选为等厚度；
[0013]2)金属瓶体按照胀形前的尺寸选用无缝工艺加工，并在胀形前进行退火处理；
[0014]3)使用首选液氮环境的深冷胀形工艺对金属瓶体进行强化，并使用模具约束金属瓶体筒段，确保前后底与筒段达到相当的强化程度；
[0015]4)深冷胀形强化后进行430℃时效处理，进一步增强金属瓶体的强度；
[0016]5)以II型气瓶工艺标准，在金属瓶体筒段环向缠绕单向纤维增强符合材料，并进行固化；
[0017]6)固化后进行室温高压预紧，将金属瓶体与复材加强层紧密贴合，并保持一定的预紧内力。
附图说明
[0018]图1采用301系列不锈钢的II型气瓶剖面
[0019]图2深冷胀形工艺示意图
[0020]附图中各部件的标记如下：
[0021]①
301不锈钢瓶体
[0022]②
复合材料环向缠绕层
[0023]③
球壳前底
[0024]④
球壳后底
[0025]⑤
进出气孔
[0026]⑥
胀形模具
[0027]⑦
液氮容器
具体实施方式
[0028]下面结合附图对本专利技术的较佳实施例进行详细阐述，以使本专利技术的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本专利技术的保护范围做出更为清楚明确的界定。
[0029]本专利技术实施例包括：
[0030]实施例：一种130L不锈钢II型35MPa气瓶及其制造过程，说明如下：
[0031]1)气瓶容积130L，设计压力35MPa；
[0032]2)首先制造内径281mm，壁厚4.0mm的301不锈钢无缝瓶体，其中筒段长度1400mm，两端内表面为长半轴(气瓶轴向)160mm，短半轴(气瓶径向)140.5mm的椭球底；
[0033]3)对金属瓶体进行退火处理；
[0034]4)将金属瓶体筒段套上内径327mm的高强度可拆卸模具，置于液氮槽内；
[0035]5)使用液氮给金属瓶体打压至70MPa，直至金属瓶体胀形为内径160mm，壁厚3.5mm的等厚度瓶体；
[0036]6)将金属从液氮槽取出，卸去模具；
[0037]7)对金属瓶体进行430℃时效8小时；
[0038]8)在金属瓶体筒段部分缠绕5mm碳纤维复合材料；
[0039]9)对复合材料缠绕层进行固化；
[0040]10)使用水压45MPa对气瓶进行内压预紧，加工完毕。
[0041]11)所得气瓶使用内压35MPa,爆破内压约85MPa，容积130L，产品重量70kg，疲劳寿命超过1.5万次，达到了III型碳纤维复合材料气瓶的性能指标。
[0042]从本实施例可以看出，采用本专利技术公开的结构方案和制造方法，得到了一种性能与III形气瓶相当，成本与II形气瓶相当的高性价比气瓶。
[0043]以上所述仅为本专利技术的实施例，并非因此限制本专利技术的专利范围，凡是利用本专利技术说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的
，均同理包括在本专利技术的专利保护范围内。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种II型气瓶结构方案。其特征在于：
①
瓶体由等厚度301系列不锈钢材料制成；
②
瓶体剖面为跑道形，即两端球壳，中部为直圆筒形；
③
采用单向纤维增强材料缠绕增强金属瓶体筒段。2.一种II型气瓶典型制造方法。其特征在于：
①
不锈钢瓶体采用无缝工艺制成；
②
金属瓶体经首选液氮环境的深冷环境胀形强化；
③
胀形后的金属瓶体经430℃时效8小时处理(针对301系列不锈钢)；
④
使用单向纤维复合材料轴向缠绕金属瓶体的直筒段；
⑤
最后在常温下进行水压高压预紧。3.根据权利要求1所述的等厚度301系列不锈钢瓶体，其特征在于：
①
金属瓶体由301系列不锈钢制成，包括301,301L，301LN等材料牌号，也可选择其他延展率高，极限强度达到或超过2000MPa级别的金属材料；
②
金属瓶体采用无缝工艺加工，首选采用无缝钢管旋压后两端旋压收口；
③
金属瓶体的横剖面首选为理想跑道形，即两端为理想球壳形，中部为直圆筒形；
④
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王立朋，刘重移，刘晨龙，
申请(专利权)人：光年探索江苏空间技术有限公司，
类型：发明
国别省市：