一种大容量钢内胆全缠绕高压储氢容器的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于大容量高压储气设备的领域，具体涉及一种大容量钢内胆全缠绕高压储氢容器，设计压力可达lOOMPa，容积达到500L以上。
【背景技术】
[0002]随着新能源技术的发展，特别是氢能源技术的突破，用于储运氢气的大容积容器的需求量随之增加。由于氢气的液化温度较低(-252.8°C)，液化的功耗很大。最简单、实用和经济的氢气储运方法是气态高压运输。
[0003]由于金属材料性能的限制，70MPa以上钢制超高压容器的研制受到限制，直径小、管壁厚、容积难以突破，是这类容器的特点。随着复合材料技术的普遍应用，为了提高气瓶的容重比和承压能力，本领域内已广泛使用纤维缠绕气瓶，其方案是在金属无缝内胆外壁按一定的规律缠绕高强度纤维增强树脂基体并将其固化形成强化复合壳层。
[0004]现阶段，储氢容器的结构一般采用碳纤维缠绕铝合金内胆，但是其容积较小，一般在120L以下，承压能力在20~35MPa，不适用大规模储氢、运输使用。提高容器的储氢能力，一方面可以通过提高储氢容器的容积，另一方面可以增大储氢容器的承压能力。而上述两个方面的提高，不是仅仅增大容器容积、增加壁厚即可解决，因为储氢容器的密封性能、自重以及缠绕时的瓶体结构对大容积和高压力形成诸多制约因素。如压力越大，对密封性能要求越高；内胆壁厚与自重形成相互制约，而且内胆壁厚与缠绕层的结构和厚度设计也相互影响；缠绕层的厚度也不是无限制增厚的，其结构稳定性也受制于瓶体的结构。
【发明内容】
[0005]本实用新型要解决的技术问题是提供一种大容量钢内胆全缠绕高压储氢容器，其通过旋压制备无缝钢内胆、并设置了三层结构缠绕层和端部密封的结构，设计压力可达lOOMPa，容积达到500L以上。
[0006]为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是:
[0007]包括钢质旋压气瓶和缠绕固化在钢质旋压气瓶外壁上的强化复合壳层，所述钢质旋压气瓶的水容积不小于500L、壁厚不小于15mm，瓶颈的内径不小于50mm、长度不小于80mm、壁厚是瓶身壁厚的1.3-2.5倍。
[0008]优选的，钢质旋压气瓶的瓶肩为椭球面或蝶形曲面，瓶身与瓶肩之间圆弧过渡，过渡圆弧α的弧度为0.1~0.4。过渡圆弧的设计一方面降低了旋压的难度，减少旋压段内部褶皱、降低应力集中，另一方面增强了钢质旋压气瓶轴向承压力。
[0009]所述瓶身的外径为500~600mm、厚度为15~25mm，瓶颈的内径为50~150mm、长度为80~125mm、厚度为 20~60_。
[0010]所述瓶颈的内外壁均设置螺纹、端面设置1~3道密封沟槽。对于工作压力较高的储氢容器，密封性能要求很高，通常需要设置2道以上的密封沟槽。
[0011]所述瓶颈的端面外缘设置多边形的限位台、形成钢质旋压气瓶的旋压限位结构。
[0012]所述强化复合壳层由内至外依次包括2~6mm玻璃纤维隔离层、40~80mm碳纤维增强层和2~6mm玻璃纤维保护层。
[0013]所述钢质旋压气瓶设置与瓶颈螺纹配合的端塞，端塞的端面或/和环塞柱上部设置1~3道密封沟槽。
[0014]上述技术方案中，大容量钢内胆全缠绕高压储氢容器的容积大于500L，为了保证向气瓶内充氢的效率，需要瓶颈的内径不小于50_;而较高的承载压力要求瓶口的承压较大，因此对瓶颈长度和厚度设置要求较高，但是瓶颈的长度和厚度又受到旋压工艺的限制，上述技术方案经过申请人大量创造性劳动，成功研制了大容量、高压储氢容器，突破了现有技术中储氢容器的容量和压力限制。
[0015]采用上述技术方案产生的有益效果在于:(1)本实用新型中钢内胆的瓶颈直径不小于50mm、长度不小于80mm，借助螺纹和密封结构能够承受大于90MPa的压力、并形成稳定的密封，采用本实用新型不仅容积提高至580L以上，且存储压力大大提高，为氢气的大规模储运提供了硬件保障；(2)本实用新型的结构简单，通过无数试验，在缠绕结构的设计与钢质旋压气瓶的壁厚之间相互弥补，使内胆壁厚与缠绕层的结构和厚度设计达到最优化；
(3)在进一步改进的方案中，瓶颈长度为100~120mm，一方面加长了瓶颈内部螺纹长度，使端塞与瓶颈的配合能够承受高于lOOMPa的高压，另一方面可保证缠绕层在容器封头缠绕时根部缠绕层的有效堆积，达到设计要求；并设置2~3道密封槽密封，防止高压氢气泄漏引发安全事故。
【附图说明】
[0016]图1是本实用新型的剖视结构示意图；
[0017]图2是图1中钢质旋压气瓶的局部结构示意图；
[0018]图3是图2中瓶颈端面的结构示意图；
[0019]其中，1、端塞，2-1、瓶身，2-2、瓶肩，2-3、瓶颈，2-3-1、限位台，2-3-2、密封沟槽，3-1、玻璃纤维隔离层，3-2、碳纤维增强层，3-3、玻璃纤维保护层。
【具体实施方式】
[0020]参见图1~图3，本实用新型中大容量钢内胆全缠绕高压储氢容器，包括钢质旋压气瓶和缠绕固化在钢质旋压气瓶外壁上的强化复合壳层，所述钢质旋压气瓶的水容积不小于500L、壁厚不小于15mm，瓶颈2_3的内径不小于50mm、长度不小于80mm、壁厚是瓶身2_1壁厚的1.3~2.5倍。本实施例的一个重要突破是储氢容器的压力和容积都大大提高。钢质旋压气瓶的水容积较大，为了保障要求充氢效率，要求瓶颈的内径不小于50mm ;储氢压力较大，螺纹配合的剪切力较大，经过大量试验证明瓶颈的长度不能小于80mm ;瓶颈壁厚一方面关系到承载压力，另一方面较厚的瓶颈也有利于设置多道密封。但是瓶颈长度和厚度不是随意增长和增厚的，受旋压工艺的限制，壁厚越大、颈长越长对旋压的工艺越高。本实用新型经过大量的实践试验，成功研制了能够承压lOOMPa的大容积储氢容器。
[0021]钢质旋压气瓶的瓶肩2-2为椭球面或蝶形曲面，瓶身2-1与瓶肩2-2之间圆弧过渡，过渡圆弧α的弧度为0.1~0.4。椭球面或蝶形曲面有利于纤维缠绕时挂料，防止纤维滑脱，圆弧过渡一方面有利于旋压工艺，另一方面有利于承载轴向压力，过渡圆弧的弧度优选 0.2-0.3ο
[0022]500L的储氢容器，所述瓶身2-1的外径优选为500~600mm、厚度为15~25mm，瓶颈2-3的内径优选为50~150mm、长度为80~125mm、厚度为20~60mm。
[0023]所述瓶颈2-3的内外壁均设置螺纹、端面设置1~3道密封沟槽2-3-2。内螺纹用于与端塞连接，外螺纹可有效防止缠绕在瓶颈上的纤维滑脱，形成稳定的增强结构。
[0024]所述瓶颈2-3的端面外缘设置多边形的限位台2-3-1、形成钢质旋压气瓶的旋压限位结构。当在缠绕时，将缠绕定位的工件借助螺纹与钢质旋压气瓶的内径连接，并在缠绕定位工件上设有与限位台2-3-1匹配的定位套，防止钢质旋压气瓶在缠绕工艺中发生转动，影响缠绕效果。
[0025]所述强化复合壳层由内至外依次包括2~6mm玻璃纤维隔离层3_1、40~80mm碳纤维增强层3-2和2~6mm玻璃纤维保护层3_3。碳纤维强度高，玻璃纤维隔离层用于隔离钢质内胆与碳纤维，防止内胆与碳纤维之间发生电化学腐蚀。
[0026]所述钢质旋压气瓶设置与瓶颈2-3螺纹配合的端塞1，端塞1的端面或/和环塞柱上部设置1~3道密封沟槽。关于端面密封，既可以在瓶颈端面上设置密封沟槽