专利名称：一种超高压氢气瓶的制作方法
技术领域：
本发明属于一种超高压氢气瓶的制作方法,是对现有高压氢气瓶制作工 艺的改进,特别适用于配备燃料氢气的流动氢气站或运输车.
背景技术：
随着氢气作为燃料应用的广泛和普及，氢气的运输和流动性气站已经进 入快速发展时期.然而,目前高压气瓶的容量由于受到承压能力的限制已经 远远不能适应于市场发展的需要.提高氢气的运输能力的关键是提高氢气瓶 的耐压能力.提高氢气瓶的耐压指标受到材料，结构，工艺和"氢脆"现象的 限制.所谓"氢脆"现象是氢可使材料的产生鼓包和氢致开裂的现象。高压氢 气对钢的冲击韧性有一定的影响。钢在高压氢气的环境下更容易产生氢致 开裂现象，是我们必须要考虑到的因素。当钢材中的杂质成分尤其是硫或 磷含量较高时,特别是高压氢气环境下容易结合产生氢化物而导致整体塑性 降低,从而在应力集中的部位或缺陷处产生开裂的连锁反应。所以对于高压 氢气瓶的设计和生产均采取十分谨慎的态度。目前国内外的高压氢气瓶的
耐压试验仅仅做到20旨^国内的《气瓶安全监察规程》也仅仅给出了
1.0-30MPa的耐压范围.如何根据现有的技术条件和基础理论设计，再通过
严格的试验归纳处理后来找到制作超高压氢气瓶的方法已经成为一个急迫
的课题.
发明内容
本发明的目的是给出 一个公称压力达到45MPa超高压氢气瓶的制造方 法，以适应目前对于氢气加气站建设日益增长的需要。
本发明是在设定45MPa的公称压力后，参照相关的安全和检测规范， 按照高压气瓶的传统工艺路线选用耐高压的无缝钢管、两端旋压縮口加
工、调质热处理和检测工序，对选用的材料、中间半成品到成品反复实验 后的参数通过归纳总结后增加了简单实用的预防和控制氢脆的技术措施而
最终取得的。上述试验国内外无人做过，美国只有气瓶在20MPa氢气环境 下的试验结果。所以本发明所经历的试验过程是史无前例的。通过试验， 证明了该气瓶在45MPa超高压氢气环境下工作可以满足安全、耐久的要求。 本发明选用耐高压的无缝钢管采取两端旋压縮口后加工并经过调质热 处理和检测工序后制成，关键在于本方法是采取以下的步骤完成的
(1) 选取壁厚不小于27mm、 S含量不大于0.010%、且P含量不大于0.020%的 优质铬钼钢热轧成型的无缝钢管为基材，
(2) 按照设计要求选取配套长度的无缝钢管，并进行超声检测不得存在有超出瓶体 最小壁厚5%的任何缺陷存在，
(3) 对通过超声检测的基料进行双端旋压缩口加工成型，
(4) 对两端平头、磨削去除瓶肩部内外可能出现的褶铍，实现从瓶身至瓶口过渡部 位的圆滑过渡，
(5) 对加工好的瓶体内、外进行抛丸处理消除机加工过程中产生的应力集中部位，
(6) 对瓶体加热温度850-950'C，保温时间60-180min后出炉淬火，完成淬火后立即 进行回火处理，回火加热温度为580-700°C，保温时间为150 300min，出炉后空气自然 冷却
(7) 对瓶口的端面、内外螺纹进行精密加工保证配合精度，
(8) 对加工好的瓶体内、外进行二次抛丸处理消除残余应力集中区域，
(9) 对以上处理后的瓶体进行100%磁粉检测，瓶体两端旋压成形部位进行100%超
声检测，
(10) 按照配套安全规范进行水压试验后对瓶体再次进行瓶体进行100%超声探伤检
测，然后在公称压力下进行气密实验，
(11) 内部烘干、外部防绣处理，
(12) 两端瓶口装配瓶口开关，内部抽真空后置换为氮气气氛保存待用。 按照本方法制造出来的超高压氢气瓶钢仅仅满足应用时的强度指标检
测是不够的。由于长期处于高压氢气环境中，随着扩散导致局部氢含量的 增加，钢材内表面的脆性会增大，影响到整体的断裂应力、断面收縮率和 延伸率都降低。所以，必须在整体设计时适当提高钢材整体的塑性和韧性， 以有助于防止应对氢脆现象的发生是本发明所关注的焦点，也是本发明产 生的最显著的积极效果。使用本发明加工方法所得到的瓶体热处理后的延
伸率不小于20%，是根据对试验环的拉伸实验决定的，是将实验环压扁后
所实际测出的。反复实验可以证实经本发明的的工艺所处理的产品样环
压扁间距T等于6倍样环的平均实测厚度，压扁处无任何裂纹可以达到合 格；对瓶体材料进行夏比V型缺口-4(TC的低温冲击试验，三个标准试样冲 击功的平均值Akv^40J，单个试样的冲击功Akv^32J，说明本专利产品具 有良好的抗"氢脆"能力。
图1是超高压氢气瓶体的结构示意图。
其中1代表优质铬钼钢无逢钢管基材，2代表氢气瓶的肩部，3代表氢 气瓶的瓶口部，4代表瓶口和气瓶开关之间的过度连接件。
下面结合事实例和附图进一步说明本发明的木的是如何实现的。
具体实施方式
超高压氢气瓶制造的最大技术障碍是可能出现的"氢脆现象"。通过大 量的破坏性实验和严格的计算证明限制并控制基础材料中硫和磷的含量 则是是防止"氢脆现象"的关键措施之一。虽然铬钼钢具有较优良的综合 性能和哟理想的物理、化学指标。经过调质处理后在较高的强度水平上仍
能保持良好的塑性和足够的韧性。但处于45MPa的氢气气分中，基材中的 硫、磷含量分别不能超过0.010%和0.020%，才能保证氢化反应的过程不可 避免，但反应的速度形成的后果不会使瓶体遭受"氢脆现象"的毁灭性的 威胁。同时对瓶体加工前后材料实施较严格的物理结构性能和指标、并随 机检测就可以保证本发明目的的实现。
对钢瓶进行调质热处理中要求瓶体纤维组织为回火索氏体；晶粒度不 应低于6级；确保瓶体组织不存在马氏体，同时保证抗拉强度降低，使得 氢脆的敏感度降低；所控制钢瓶调质热处理后的力学性能抗拉强度和屈 服强度Rm《880MPa ， Rp。.2/Rm《86%。钢瓶的硬度和抗拉强度是密切相关 的，钢瓶的硬度反映的是瓶体的强度状况。控制钢瓶的硬度。瓶体热处理 后逐只进行硬度检测，硬度值最大不超过HB269。
钢中的氢含量的增加，会导致钢的脆性增大，断裂应力、断面收縮率
和延伸率都降低。所以，适当提高钢材的塑性和韧性，有助于防止氢脆现 象的发生。瓶体热处理后的延伸率要求不得小于20%;对试验环进行压扁 试验，压扁间距T等于6倍样环的平均实测厚度，压扁处无裂纹为合格； 对瓶体材料进行夏比V型缺口-4(TC的低温冲击试验，三个标准试样冲击功 的平均值Akv》40J，，单个试样的冲击功Akv》32J。
本专利方法是以公称压力45MPa、公称容积512L为实施目标。选用耐 高压的无缝钢管采取两端旋压縮口后加工并经过调质热处理和检测工序后 制成，关键在于本方法是采取以下的步骤完成的
(1) 选取壁厚不小于27mm、 S含量不大于0.010%、且P含量不大于0.020%的 优质铬钼钢热轧成型的无缝钢管为基材，
(2) 按照设计要求选取配套长度的无缝钢管，并进行超声检测不得存在有超出瓶体 最小壁厚5%的任何缺陷存在，
(3) 对通过超声检测的基料进行双端旋压縮口加工成型，
(4) 对两端平头、磨削去除瓶肩部内外可能出现的褶皱，实现从瓶身至瓶口过渡部 位的圆滑过渡，
(5) 对加工好的瓶体内、外进行抛丸处理消除机加工过程中产生的应力集中部位，
(6) 对瓶体加热温度850-95(rC，保温时间60-180min后出炉淬火，完成淬火后立即 进行回火处理，回火加热温度为580-700°C，保温时间为150 300min，出炉后空气自然 冷却
(7) 对瓶口的端面、内外螺纹进行精密加工保证配合精度，
(8) 对加工好的瓶体内、外进行二次抛丸处理消除残余应力集中区域，
(9) 对以上处理后的瓶体进行100%磁粉检测，瓶体两端旋压成形部位进行100%超 声检测，
卿按照配套安全规范进行水压试验后对瓶体再次进行瓶体进行100%超声探伤检
测，然后在公称压力下进行气密实验， (11)内部烘干、外部防绣处理，
似两端瓶口装配瓶口开关，内部抽真空后置换为氮气气氛保存待用。 以上所说的优质铬钼钢的型号是4130X。
所说的抛丸处理是采取钢瓶抛丸机进行氢气瓶内、外壁的处理。 以上所说的调质热处理中对瓶体加热温度850-950°C，保温时间 60-180min后出炉淬火，所使用的淬火液是浓度为7~15%的NaOH溶液进行
淬火，或采用7 16%的美国好匍顿公司生产的AQ3699淬火液进行淬火。
以上所说的超高压氢气瓶经淬火和回火处理后的瓶体的硬度控制在 HB195-HB269;抗拉强度在720-880MPa的范围内，要求热处理后瓶体纤维 组织为回火索氏体；晶粒度不低于6级，抗拉强度和屈服强度:Rm《890MPa ， Rp .2/Rm《86%，瓶体热处理后的延伸率要求不得小于20%。
以上所说的对瓶口的端面、内外罗纹进行精密加工后的瓶口部位的任 何一处的沿径向截面积上反映出的有效壁厚度不小于27mm。
以上所说的瓶体进行的调质热处理后分别进行的100%磁粉检测合格 级别为JB/T4730.4《承压设备无损检测第4部分磁粉检测》规定的I 级，瓶体水压试验后应进行100X超声检测的合格级别为JB/T4730.3《承 压设备无损检测第3部分超声检测》规定的I级。所谓100%是指瓶体 所有部位全部。
所说的超高压氢气瓶内部抽真空后置换为氮气的工序中，抽真空度为 瓶内压力达到5-10Pa,充氮气的压力为0.3-0.5MPa.
以上所采取的技术措施可以保证即使材料中残存的氢和容器长期高压 氢向器壁中扩散，并在局部区域集聚达到一时间之内不致于引发的"氢脆 现象"。材料中任何具有潜在威胁的气穴、夹杂物、夹层都会在热处理和打 压试验前后的严格测试中被发现、排除。
权利要求
1、一种超高压氢气瓶的制作方法，选用耐高压的无缝钢管采取两端旋压缩口后加工并经过调质热处理和检测工序后制成，其特征在于本方法是采取以下的步骤完成的(1)选取壁厚不小于27mm、S含量不大于0.010％、且P含量不大于0.020％的优质铬钼钢热轧成型的无缝钢管为基材，(2)按照设计要求选取配套长度的无缝钢管，并进行超声检测不得存在有超出瓶体最小壁厚5％的任何缺陷存在，(3)对通过超声检测的基料进行双端旋压缩口加工成型，(4)对两端平头、磨削去除瓶肩部内外可能出现的褶皱，实现从瓶身至瓶口过渡部位的圆滑过渡，(5)对加工好的瓶体内、外进行抛丸处理消除机加工过程中产生的应力集中部位，(6)对瓶体加热温度850-950℃，保温时间60-180min后出炉淬火，完成淬火后立即进行回火处理，回火加热温度为580-700℃，保温时间为150～300min，出炉后空气自然冷却(7)对瓶口的端面、内外螺纹进行精密加工保证配合精度，(8)对加工好的瓶体内、外进行二次抛丸处理消除残余应力集中区域，(9)对以上处理后的瓶体进行100％磁粉检测，瓶体两端旋压成形部位进行100％超声检测，(10)按照配套安全规范进行水压试验后对瓶体再次进行瓶体进行100％超声探伤检测，然后在公称压力下进行气密实验，(11)内部烘干、外部防绣处理，(12)两端瓶口装配瓶口开关，内部抽真空后置换为氮气气氛保存待用。
2、 根据权利要求1所说的超高压氢气瓶的制作方法，其特征在于所说的优 质铬钼钢的型号是4130X。
3、 根据权利要求1所说的超高压氢气瓶的制作方法，其特征在于所说的抛 丸处理采取的是钢瓶抛丸机进行氢气瓶内、外壁的处理。
4、 根据权利要求1所说的超高压氢气瓶的制作方法，其特征在于所说的对 瓶体加热温度850-950°C，保温时间60-180min后出炉淬火所使用的淬火液是浓度为 7~15%的NaOH溶液进行淬火，或采用7~16%的美国好普顿公司生产的AQ3699淬火液 进行淬火。
5、 根据权利要求4所说的超高压氢气瓶的制作方法，其特征在于所说的超 高压氢气瓶经淬火和回火处理后的瓶体的硬度HB195-HB269;抗拉强度在 720-880MPa的范围内，要求热处理后瓶体纤维组织为回火索氏体；晶粒度不低于6级， 抗拉强度和屈服强度Rm《880MPa ， Rp。.2/Rm《86%，瓶体热处理后的延伸率要求不得 小于20%。
6、 根据权利要求1所说的超高压氢气瓶的制作方法，其特征在于所说的对 瓶口的端面、内外螺纹进行精密加工后的瓶口部位的任何一处的沿径向截面积上反映出 的有效壁厚度不小于27mm。
7、 根据权利要求1所说的超高压氢气瓶的制作方法，其特征在于所说的瓶 体热处理后分别进行的100%磁粉检测合格级别为JB/T4730.4《承压设备无损检测第 4部分磁粉检测》规定的I级，瓶体水压试验后应进行100%超声检测的合格级别为 JB/T 4730.3《承压设备无损检测第3部分超声检测》规定的I级。
8、 根据权利要求l所说的超高压氢气瓶的制作方法，其特征在于所说的超 高压氢气瓶内部抽真空后置换为氮气的工序中，抽真空度为5-10Pa，充氮气 的压力为0.3-0.5MPa。
全文摘要
本发明是一种超高压氢气瓶的制作方法。采取以下的步骤完成选取壁厚不小于27mm、S小于0.010％、P小于0.020％的优质铬钼钢热轧成型的无缝钢管为基材；超声探伤无壁厚5％线度的缺陷存在；双端旋压缩口加工成型、两端平头、去除瓶肩部内外褶皱；瓶体内、外进行抛丸处理；加热温度850-950℃淬火，580-700℃回火；对瓶口的端面、内外螺纹精密加工；瓶体内、外进行二次抛丸处理消除残余应力集中区域；瓶体进行100％磁粉检测，两端部位进行100％超声检测；按照配套安全规范进行水压实验、气密实验后对瓶体二次进行100％超声探伤检测；内部烘干、外部防锈处理；两端瓶口装配瓶口开关，内部抽真空后置换为氮气气氛保存待用。
文档编号F17C1/00GK101187441SQ200710185660
公开日2008年5月28日 申请日期2007年12月28日 优先权日2007年12月28日
发明者刘玉红, 洪 张, 李利娇, 王五开, 王会赏, 王红霞, 赵京茂, 赵子禄, 马广青, 齐虎斌 申请人:石家庄安瑞科气体机械有限公司