大容量全缠绕高压储氢容器的钢内胆端部结构的制作方法
【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全缠绕高压储氢容器的钢内胆端部结构，设计压力可达90MPa以上，水容积达到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复合材料层。
[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，要解决填充氢气的效率、高压对瓶体密封性能或瓶口承压的要求，更重要的是瓶颈和瓶肩的成型要受旋压工艺的制约，瓶颈的长度不是随意设计的。
【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全缠绕高压储氢容器的钢内胆端部结构，其通过瓶颈及密封结构的设计，可满足500L大容量和超高压力气瓶的密封。
[0006]为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是:
[0007]—种大容量全缠绕高压储氢容器的钢内胆端部结构，包括钢质的气瓶，所述气瓶的端部借助旋压工艺形成蝶形或椭球形瓶肩和圆滑过渡的瓶颈，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，所述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]所述瓶颈的内、外壁均设置螺纹，端面设置1~3道密封沟槽，用于嵌入密封圈。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。
[0010]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。
[0011]气并瓦外径为500~600mm、厚度为15~25mm，并瓦颈的内径为50~150mm、长度为80~125mm、厚度为 20~60_。
[0012]所述钢内胆端部结构还包括与瓶颈螺纹配合的端塞，端塞的端面上设置1~3道密封沟槽或/和塞柱上部设置1~2道密封沟槽。
[0013]上述技术方案中首次设计了一种大容量(500L以上)高压(87.5MPa以上)储氢容器的钢内胆，为了保证向气瓶内充氢的效率，需要瓶颈的内径不小于50mm;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，当瓶颈长度为80~125mm时，既可以满足高承压的要求、又能通过改进旋压工艺而制得。在水压爆破试验中，爆破位置在瓶体位置，表明本端部的设计满足高压、大容量的需求。
[0014]采用上述技术方案产生的有益效果在于:(1)本实用新型中气瓶的瓶颈长度不小于80mm，借助较长的螺纹和密封结构能够承受大于87.5MPa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)瓶颈较大的长径比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87.5MPa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；(3)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】
[0015]图1是本实用新型的剖视结构示意图；
[0016]图2是第1实施例端部的结构示意图；
[0017]图3是图2的左视结构示意图；
[0018]图4是第2实施例中端塞的结构示意图；
[0019]图5是第3实施例中端塞的结构示意图；
[0020]其中，1、端塞，1-1、端塞密封沟槽，1-2、塞柱密封沟槽，2-2、瓶肩，2_3、瓶颈，2-3-1、限位台，2-3-2、瓶颈密封沟槽，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】
[0021]参见图1，大容量全缠绕高压储氢容器包括借助旋压工艺缩口而成气瓶和缠绕固化在旋压气瓶外壁上的强化复合壳，所述强化复合壳由内至外依次包括2~6_玻璃纤维隔离层3-l、40~80mm碳纤维增强层3_2和2~6mm玻璃纤维保护层3_3。所述气瓶端部包括蝶形或椭圆形的瓶肩2-2、圆滑过渡的瓶颈2-3以及与瓶颈2-3螺纹配合的端塞1，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。所述瓶身2-1与瓶肩2-2之间圆弧过渡，过渡圆弧α的弧度为0.1~0.4，参见图2。
[0022]作为第1实施例，所述瓶颈2-3端面设置2道瓶颈密封沟槽2-3-2，嵌入密封圈，参见图3，在瓶颈2-3端面外缘还设置了多边形的限位台2-3-1、形成钢质旋压气瓶的旋压限位结构。缠绕时，缠绕工装借助端口内螺纹与瓶颈的内螺纹连接，并借助一种与瓶颈2-3端面外缘的多边形结构对应的卡装套卡装在气瓶外缘，实现缠绕工装与气瓶的紧固定位。
[0023]气瓶主要用于压缩氢气的储存和运输，需要满足大流量气体进出的要求，因此，瓶颈内径设置不小于50mm，优选50~100mm ;为保证缠绕需要，端部直线长度不小于80mm，优选长度为80~ 125mm、厚度为20~60mm。为了降低旋压工艺的难度，瓶颈的长径比优选1.25-1.60:1ο
[0024]作为第2实施例，瓶颈2-3的端面不设置密封沟槽，参见图4，在所述端塞1的端面上设置2道端塞密封沟槽1-1。作为第3实施例，与实施例2不同的是，在端塞的塞柱上部还设置有1道塞柱密封沟槽1-2，形成轴向密封结构。
[0025]作为一个优选实施例，所述气瓶选用尺寸为Φ680πιπιΧ3200mm、型号为4130X的优质络钼无缝钢管旋压形成容积为596L，瓶颈内径为80mm、厚度为40mm、长度为120mm的钢内胆。将本实施例制备的钢内胆进行水压爆破试验，测得:破口长度925mm、宽度535mm，破口位置:纵向，钢内胆的筒体部位破裂，破口特征为剪切口，实际爆破压力为75.22MPa，屈服压力为69.34MPa，容积变形率12.1%，总升压时间3987s。
[0026]以上结果表明:按照本实施例的设计旋压成型的瓶肩和瓶颈未出现缺陷，强度符合要求。当钢内胆外壁缠绕固化2~6mm玻璃纤维隔离层3_l、40~80mm碳纤维增强层3-2和2~6_玻璃纤维保护层3-3后，按照ST1315-2013附页《钢内胆全缠绕储氢容器水压试验爆破试验规程》进行水压爆破试验。试验介质:水；介质温度:5°C;环境温度:9°C。试验结果:爆破压力256MPa，容积变形率4% ;起爆位置在瓶体部位，内胆断口呈45°剪切唇的形貌，爆口两侧呈对称倒“V”字型，爆破中无碎片产生；爆破口边缘距气瓶钢印端瓶口端面700mm，爆破口长度1000mm，宽度600mm ;爆破口厚度最小19.4mm,最大20.7mm。
[0027]以上结果表明:本实施例的爆破压力为设计工作压力92MPa的2.8倍，爆破中未出现屈服点。表明本实用新型的端头结构满足设计需求，为大容积高压储氢开辟了一条新道路。
【主权项】
1.一种大容量全缠绕高压储氢容器的钢内胆端部结构，包括钢质的气瓶，所述气瓶的端部借助旋压工艺形成蝶形或椭球形瓶肩(2-2)和圆滑过渡的瓶颈(2-3)，其特征在于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。2.根据权利要求1所述的大容量全缠绕高压储氢容器的钢内胆端部结构，其特征在于所述瓶身(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。3.根据权利要求1所述的大容量全缠绕高压储氢容器的钢内胆端部结构，其特征在于所述瓶颈(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)。4.根据权利要求1所述的大容量全缠绕高压储氢容器的钢内胆端部结构，其特征在于所述瓶颈(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。5.根据权利要求1所述的大容量全缠绕高压储氢容器的钢内胆端部结构，其特征在于气瓶外径为500~600臟、厚度为15~25mm，瓶颈(2-3)的内径为50~150臟、长度为80~125mm、厚度为20~60mmo6.根据权利要求1所述的大容量全缠绕高压储氢容器的钢内胆端部结构，其特征在于所述钢内胆端部结构还包括与瓶颈(2-3)螺纹配合的端塞(1 )，端塞(1)的端面上设置1~3道密封沟槽或/和塞柱上部设置1~2道密封沟槽。7.根据权利要求1所述的大容量全缠绕高压储氢容器的钢内胆端部结构，其特征在于所述瓶颈的长径比为1.25-1.60:1。
【专利摘要】本实用新型公开了一种大容量全缠绕高压储氢容器的钢内胆端部结构，包括钢质的气瓶，所述气瓶的端部借助旋压工艺形成蝶形或椭球形瓶肩和圆滑过渡的瓶颈，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。借助较长的螺纹和密封结构能够承受大于87.5MPa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。
【IPC分类】F17C13/00, F17C1/06, F17C13/06
【公开号】CN205101851
【申请号】CN201520750514
【发明人】张强, 王红霞, 王五开, 张淑敏, 刘超
【申请人】石家庄安瑞科气体机械有限公司
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2015年9月25日