一种提高站用储氢气瓶疲劳寿命的方法技术

本发明专利技术公开了一种提高站用储氢气瓶疲劳寿命的方法，包括如下步骤：1)设计储氢气瓶自增强处理系统；2)通过储氢气瓶自增强处理系统，对储氢气瓶进行自增强工艺处理；3)通过有限元模拟和理论计算，确定不同径比情况下的自增强压力范围；4)最终确定许用循环次数；5)针对不同径比情况下的储氢气瓶，拟合得到最佳自增强压力设计的经验公式；6)对最佳自增强压力—径比曲线进行对比验证。本发明专利技术通过对高压无缝储氢钢瓶作自增强工艺处理，有效提高气瓶的使用寿命，降低气瓶工艺成型难度。降低气瓶工艺成型难度。降低气瓶工艺成型难度。

【技术实现步骤摘要】
一种提高站用储氢气瓶疲劳寿命的方法


[0001]本专利技术属于高压无缝钢瓶储氢
，具体涉及一种提高站用储氢气瓶疲劳寿命的方法。

技术介绍

[0002]氢能作为一种高能量密度且无污染的二次清洁能源，未来其应用会在经济技术发展中占重要位置。且近年来，伴随着新能源汽车的发展，作为给燃料电池汽车提供氢气的基础设施，加氢站的数量也在不断增长。氢能全产业链包含制氢、氢储运和氢能利用三个关键环节。在氢能源发展方面，我国面临的最主要的挑战在于氢能的储运。国内目前主要有高压液态储氢、低温液态储氢、有机液态储氢、固体材料储氢4种储氢技术，其中高压气态储氢技术最为成熟，但是储氢的安全性方面存在瓶颈。为了稳定现有氢气储存量，提高储氢气瓶的安全性，超高压容器设备在化工与石油行业中得到了广泛的应用。对于厚壁气瓶，由于壁厚、形状复杂导致应力分布极不均匀，内壁应力远远高于外壁，易进入屈服阶段；此外由于毛坯材料尺寸大，在铸造锻压及热处理中常产生难以检测的缺陷而造成疲劳断裂破坏的隐患。现有站用储氢一般在60MPa以下，钢瓶厚度大，制造难度大。100MPa是发展趋势，需要更大厚度，旋压成型更难。因此如何有效减少作业成本、降低工艺难度、增大设备的疲劳寿命已然成为工程中待解决的问题。在进行理论分析的同时，如何落实理论结果同样也需要一个全面的试验方案。如何将理论分析和试验流程双管齐下俨然成为我国储氢技术行业要解决的问题，是我国储氢技术发展和提升过程中不可缺少的关键环节。

技术实现思路

[0003]针对上述问题情况，本专利技术提供一种提高站用储氢气瓶疲劳寿命的方法，解决现有技术中由于钢瓶厚度大而导致的成本高、制备工艺难度大以及疲劳寿命不高，试验开展困难等技术问题。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0005]一种提高站用储氢气瓶疲劳寿命的方法，包括如下步骤：
[0006]1)设计储氢气瓶自增强处理系统；
[0007]2)通过储氢气瓶自增强处理系统，对储氢气瓶进行加压——卸压——加压的自增强工艺处理；
[0008]3)通过数值模拟和理论分析，得到不同径比情况下的自增强压力—弹塑性分界面直径曲线P
A
‑
D
P
：有限元模拟主要用于确定气瓶可承受的自增强压力范围，具体指标为卸载后沿气瓶壁厚方向上的的残余应变≤2％；理论分析通过计算不同径比情况下气瓶的爆破压力从而确定不同径比情况下的自增强压力范围；将数值模拟和理论分析的结果进行对比得到合理的不同径比不同自增强压力情况下的弹塑性分界面直径D
P
；
[0009]4)将自增强技术与断裂力学理论结合，假设气瓶内壁存在初始缺陷，结合3)得到的弹塑性分界面直径数据计算自增强处理后气瓶壁厚方向上的环向残余应力分布σ
tRA
，拟
合氢气瓶壁厚方向上的应力分布得到应力分布系数A
i
，计算应力强度因子K
IC
和裂纹扩展速率da/dN，得到裂纹扩展到裂纹尺寸时对应的循环次数N
P
，最终确定许用循环次数N；具体公式如下：
[0010]自增强压力卸载后，计算环向残余应力：
[0011]当D
i
≤D≤D
P
时：
[0012][0013]当D
P
≤D≤D0时：
[0014][0015]拟合上述环向残余应力分布，计算得到残余应力强度因子：
[0016][0017]计算疲劳裂纹裂纹扩展速率：
[0018][0019]裂纹扩展过程中，当最大应力强度因子K
max
等于断裂韧性K
IC
时，裂纹扩展到临界尺寸，得到对应的循环次数N
c
；根据断裂力学理论，选择N
c
/2和经曲线拟合得到的0.75a0+0.25a
c
对应的循环次数N
P中
的较小者作为许用循环次数N；其中a0表示初始裂纹深度，a
c
表示临界裂纹深度；
[0020]5)通过步骤3)和4)，针对不同径比情况下的储氢气瓶，通过自增强压力——径比曲线得到针对不同径比提出不同自增强压力工况，拟合得到最佳自增强压力设计的经验公式。
[0021]6)对最佳自增强压力—径比曲线进行对比验证。
[0022]进一步的，所述步骤2)具体步骤如下：
[0023]2.1)对储氢气瓶通入增强压力进行加压，使气瓶内壁发生局部屈服；
[0024]2.2)对储氢气瓶进行卸压，屈服区域因无法恢复原状受到弹性区域挤压产生残余压应力，相对应地，弹性区域产生残余拉应力；
[0025]2.3)对储氢气瓶通入工作压力进行加压，工作压力产生的残余拉应力与屈服区域的残余压应力相互抵消，与弹性区域的残余拉应力相互叠加，使气瓶整体应力水平平均，降低应力强度因子水平，从而降低裂纹扩展速率，提高气瓶的许用循环次数即疲劳寿命。
[0026]进一步的，所述步骤1)中储氢气瓶自增强处理系统包括氢气源储存容器A、氢气源储存容器B、氢气源储存容器C、气体压缩机、三通阀A、三通阀B及试验高压无缝储氢气瓶，所述氢气源储存容器A与气体压缩机之间通过连接管道相连，所述气体压缩机通过三通阀A分别与氢气源储存容器B及试验高压无缝储氢气瓶通过连接管道相连，所述三通阀A与试验高压无缝储氢气瓶之间的连接管道上设置三通阀B，并通过三通阀B分别与试验高压无缝储氢气瓶及氢气源储存容器C通过连接管道相连。
[0027]进一步的，所述氢气源储存容器A中设置温度控制器，确保温度恒定且为常温；所述氢气源储存容器A与气体压缩机之间的连接管道上设有流量调节阀。
[0028]进一步的，所述试验高压无缝储氢气瓶放置在爆破坑中，防止气瓶因压力过高而发生破裂。
[0029]进一步的，所述三通阀B与试验高压无缝储氢气瓶连接管道之间设置压力变送器。
[0030]进一步的，所述气体压缩机上设有压力表。
[0031]进一步的，所述试验高压无缝储氢气瓶包括瓶体及连接瓶体上端的瓶口阀，所述瓶口阀左、右两端分别连接精密压力表、压力计数器，精密压力表与瓶口阀之间设置有流量调节阀。
[0032]进一步的，所述瓶口阀主要包括阀体、旋塞、塞杆、螺套、扳手及螺帽；旋塞置于阀体内部，且在阀体同一位置开孔，形成装置连接孔A、装置连接孔B，所述旋塞与塞杆连接固定，并通过螺套与阀体连接，扳手通过螺套与螺帽固定在塞杆上，通过转动扳手控制旋塞旋转从而控制气体进出。
[0033]进一步的，所述储氢气瓶自增强处理系统的试验流程如下：
[0034]通过氢气源储存容器与气体压缩机之间的流量调节阀将氢气源储存容器中的氢气输送到气体压缩机进行加压，当系统压力超过规定值时，打开三通阀A及三通阀B，将溢出气体输送回氢气源储存容器，气体被压缩后通入试验高压无缝储氢气瓶，通过精密压力表观察瓶内压力，通过三通阀B与试验高压无缝储氢气本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高站用储氢气瓶疲劳寿命的方法，其特征在于，包括如下步骤：1)设计储氢气瓶自增强处理系统；2)通过储氢气瓶自增强处理系统，对储氢气瓶进行加压—卸压—加压的自增强工艺处理；3)通过数值模拟和理论分析，得到不同径比情况下的自增强压力—弹塑性分界面直径曲线：数值模拟用于确定气瓶可承受的自增强压力范围，具体指标为卸载后沿气瓶壁厚方向上的残余应变≤2％；理论分析通过计算不同径比情况下气瓶的爆破压力从而确定不同径比情况下的自增强压力范围；将数值模拟和理论分析的结果进行对比得到不同径比不同自增强压力情况下的弹塑性分界面直径D
P
；4)将自增强技术与断裂力学理论结合，假设气瓶内壁存在初始缺陷，结合步骤3)得到的弹塑性分界面直径D
P
数据计算自增强处理后气瓶壁厚方向上的环向残余应力分布σ
tRA
，拟合氢气瓶壁厚方向上的应力分布得到应力分布系数A
i
，计算应力强度因子K和裂纹扩展速率da/dN，得到裂纹扩展到裂纹尺寸时对应的循环次数N
P
和N
c
，最终确定许用循环次数N；具体公式如下：自增强压力卸载后，计算环向残余应力：当D
i
≤D≤D
P
时：当D
P
≤D≤D0时：D0表示气瓶外径，R
P0.2
表示材料的屈服强度，F
b
表示修正系数，D
i
表示气瓶内径；拟合上述环向残余应力分布，计算得到残余应力强度因子K
Ires
：A
i
'是通过拟合环向残余应力分布得到的四个拟合系数，G
i
是计算应力强度因子时的四个表面修正系数，通过线限插值得到，是一个动态值，随裂纹深度的变化而变化；a是裂纹深度，l是裂纹长度，Q是裂纹形状系数；计算疲劳裂纹裂纹扩展速率：C是疲劳裂纹扩展速率系数，R
k
表示最小应力强度因子与最大应力强度因子的比值，ΔK表示应力强度因子范围；5)通过步骤3)和4)，针对不同径比情况下的储氢气瓶，通过自增强压力—径比曲线得到针对不同径比提出不同自增强压力工况，拟合得到最佳自增强压力设计的经验公式；6)对最佳自增强压力—径比曲线进行对比验证。2.根据权利要求1所述的一种提高站用储氢气瓶疲劳寿命的方法，其特征在于，所述步骤2)具体步骤如下：2.1)对储氢气瓶通入增强压力进行加压，使气瓶内壁发生局部屈服；
2.2)对储氢气瓶进行卸压，屈服区域因无法恢复原状受到弹性区域挤压产生残余压应力，相对应地，弹性区域产生残余拉应力；2.3)对储氢气瓶通入工作压力进行加压，工作压力产生的残余拉应力与屈服区域的残余压应力相互抵消，与弹性区域的残余拉应力相互叠加，使气瓶整体应力水平平均，降低应力强度因子水平，从而降低裂纹扩展速率，提高气瓶的许用循环次数即疲劳寿命。3.根据权利要求1所述的一种提高站用储氢气瓶疲劳寿命的方法，其特征在于，所述步骤1)中储氢气瓶自增强处理系统包括氢气源储存容器A(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：周明珏，潘铭鹏，李曰兵，金伟娅，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：