液态氢传输系统的制作方法

本发明涉及一种用于利用液态氢传输设备来传输液态氢的系统、一种液态氢接收设备以及一种与所述液态氢传输设备和所述液态氢接收设备流体连通的导管，所述导管用于在液态氢传输设备与液态氢接收设备之间引导液态氢。

此外，本发明涉及一种制造用于传输液态氢的系统的方法。

背景技术：

使用液态氢的应用需要低温储存，因为液态氢在约-253℃沸腾。因此，需要一种能够在这些极端条件下使用的材料。另一个问题是氢很容易燃烧，并且在气态下极易爆炸。使用氢时发生的又一个问题被称为氢脆化。每当氢与金属表面接触时，这种影响就很重要，因为单个氢原子将通过金属扩散。

焊接管在焊接区内具有开裂的危险。另外，如果在传输液态氢的管中存在裂纹，则由于沸腾温度低，所以氢将立即变为气态。气态氢可能会累积在特定位置，然后将会有爆炸的风险。因为裂纹等同于更大的表面，所以氢脆化也将导致材料中的裂纹，其中可能会将氢引入到金属表面。

本发明的一个方面提供了一种克服至少一种上述缺点的用于传输液态氢的系统。本发明的另一个方面提供了一种为液态氢的传输提供更低的风险和更高的标准的用于传输液态氢的系统。本发明的另一个方面提供了一种具有与焊接管相同或更小的疲劳度的管并且同时提供减轻的重量的用于传输液态氢的系统。

技术实现要素：

上述方面中的至少一个方面由根据权利要求1的用于传输液态氢的系统来解决。在所述系统中，通过由奥氏体不锈钢制成的无缝管提供导管的至少一部段，所述奥氏体不锈钢按重量％计包含：c≤0.080，8.00≤mn≤10.00，si≤1.00，p≤0.030，s≤0.030，19.00≤cr≤21.50，5.50≤ni≤7.50，0.15≤n≤0.40，mo≤0.75，cu≤0.75，其余为fe和通常存在的杂质。

在本发明中，术语“液态氢的传输”与术语“传输液态氢”同义地使用，用于描述将液态氢经由导管从点a引导转移到点b的过程。

在根据本发明的实施方案中，无缝管由奥氏体不锈钢制成，所述奥氏体不锈钢由相同的上述元素构成或包含相同的上述元素，但具有按重量％计的最大含量c≤0.040。

应指出，对于奥氏体不锈钢所包含或由其组成的未给出含量下限的那些上述元素来说，按重量％计的最小值可以为“0”。那些元素为c、p、s、mo和cu。

如上文或下文中所定义的奥氏体不锈钢合金可以可任选地包含选自如下中的一种或多种元素：al、v、nb、ti、o、zr、hf、ta、mg、pb、co、bi、ca、la、ce、y和b。可以在制造过程期间添加这些元素，以增强例如脱氧性、耐腐蚀性、热延展性和/或机械加工性。然而，如本领域中所已知的，必须根据存在的元素限制这些元素的添加。由此，如果添加这些元素，则这些元素的总含量小于或等于1.0重量％。

本文中所涉及的术语“杂质”旨在意指如下物质：该物质由于原材料(如矿石和废料)以及由于生产过程中的各种其它因素而会在工业生产奥氏体不锈钢合金时污染奥氏体不锈钢合金，并且允许该物质在不会对如上文或下文中所定义的奥氏体不锈钢合金造成不利影响的范围内产生污染。

在一个实施方案中，通过由奥氏体不锈钢制成的无缝管提供导管的至少一部段，所述奥氏体不锈钢按重量％计包含：c≤0.080，8.00≤mn≤10.00，si≤1.00，p≤0.030，s≤0.030，19.00≤cr≤21.50，5.50≤ni≤7.50，0.15≤n≤0.40，mo≤0.75，cu≤0.75，其余为fe和通常存在的杂质。

在本发明的另一个实施方案中，无缝管由奥氏体不锈钢制成，所述奥氏体不锈钢由相同的上述元素构成或包含相同的上述元素，但具有按重量％计的最大含量c≤0.040。

上述奥氏体不锈钢被称为21-6-9不锈钢(也表示为unss21900)。

所述21-6-9不锈钢具有高含量的mn、低含量的ni和附加的n。其特征在于，在苛刻条件下具有高机械强度，即使在非常低的温度下也具有非常好的冲击韧性，并且具有非常好的抗高温氧化性。

迄今为止，由奥氏体21-6-9不锈钢制成的管仅被作为焊接管而提供。例如，通过将扁平钢板弯曲成管并将接头焊接在一起以形成接缝来制造焊接管。若干其它制造步骤可以如下所述。

这种焊接管的潜在缺点是破裂的风险，其中焊接区是破裂的优先位置。在21-6-9钢焊接管的疲劳实验中显示了这种情况。特别地，这在管经受极端条件的地方是个问题。在极端条件下意指例如高机械应力、高或低的温度、高温度梯度以及高压力或高压力梯度。

根据本发明，提供导管的管是无缝管。

当与焊接管进行比较时，无缝管的优点是延长了部件的寿命、提高了在相同强度下降低重量的设计的可能性以及无缝管内部形状的更好的质量。

与焊接管相比，无缝管的另一个优点是能够承受更高的环向应力。由此，在脉冲压力测试中，获得了应力循环(s-n)曲线，该曲线也被称为维勒曲线。结果表明，对于具有相同外径和相同壁厚的焊接管和无缝管，无论所施加的压力如何，无缝管将始终承受更高的环向应力。因此，可以制造如下无缝管，当与焊接管进行比较时，所述无缝管具有更小的壁厚，但能够承受相等的环向应力。鉴于此原因，能够节省材料并减轻重量。

在一个实施方案中，用于传输液态氢的系统是灌装站，其中液态氢传输设备是用于液态氢的储存器，并且其中液态氢接收设备是泵喷嘴。

在一个实施方案中，液态氢传输系统是车辆、空运工具或水运工具，其中液态氢传输设备是用于液态氢的储存器，并且其中液态氢接收设备是氢发动机或燃料电池。

应当指出，在本发明的意义上，术语“水运工具”应被广义地理解，使得其涵盖所有类型的水上交通工具，如船、艇、气垫船和潜艇。另外，应该提到的是，在本发明的意义上，术语“空运工具”应被广义地理解，使得其涵盖所有类型的空运设备，如飞机、直升机、火箭、卫星和其它空间设备。

就前述内容以及以下实施方案的详细描述和权利要求而言，参考了奥氏体不锈钢管或制造奥氏体不锈钢管的方法，所描述的特征适用于所述管和制造所述管的方法。

在本发明的另一个实施方案中，通过包括如下步骤的方法得到所述管：提供奥氏体不锈钢的熔融物，所述奥氏体不锈钢按重量％计包含：c≤0.080，8.00≤mn≤10.00，si≤1.00，p≤0.030，s≤0.030，19.00≤cr≤21.50，5.50≤ni≤7.50，0.15≤n≤0.40，mo≤0.75，cu≤0.75，其余为fe和通常存在的杂质；从熔融物挤出坯料；将坯料热成形为管状空心体；将空心体冷却；以及将空心体冷成形为管。

在一个实施方案中，热成形通过热轧制来实现。

在一个实施方案中，提供一种奥氏体不锈钢的熔融物，其中所述奥氏体不锈钢按重量％计包含：c≤0.080，8.00≤mn≤10.00，si≤1.00，p≤0.030，s≤0.030，19.00≤cr≤21.50，5.50≤ni≤7.50，0.15≤n≤0.40，mo≤0.75，cu≤0.75，其余为fe和通常存在的杂质。

在本发明的另一个实施方案中，提供一种奥氏体不锈钢的熔融物，其中所述奥氏体不锈钢由相同的上述元素构成或包含相同的上述元素，但具有按重量％计的最大含量c≤0.040。

在根据本发明的实施方案中，根据本发明，冷成形通过皮尔格式冷铣削或冷拔来实现。

冷成形工序用于将金属空心体形成为管。对最终的无缝管进行冷成形不仅会因冷成形过程中的应变硬化而改变其性质，而且管的壁厚会如其内径和外径一样地减小。通过将空心体冷成形为管，例如通过皮尔格式冷铣削或冷拉拔来将空心体冷成形为管，能够制造出具有精确尺寸的管。

皮尔格式铣削是减小管尺寸的一种广泛使用的方法。此处考虑的皮尔格式铣削是在室温下进行的，因此被称作皮尔格式冷铣削。在皮尔格式铣削期间(在本方法中)，将空心体推在校准芯轴上方，所述校准芯轴限定成品管的内径。空心体由两个校准辊接合，所述两个校准辊限定管的外径。所述辊在芯轴上沿纵向方向对空心体进行轧制。

在皮尔格式铣削工序的开始，通过驱动器将空心体移动到进料器的卡盘中。在轧机架沿空心体的进给方向的返回的前点处，辊具有一定的角度位置，在该角度位置中，空心体能够被插入到辊的横向进给凹坑中并且能够位于辊之间。彼此垂直地安装在轧机架处的两个辊通过在与空心体的进给方向平行的方向上来回轧制来在空心体上进行轧制。在轧机架在返回的前点与返回的后点之间的运动期间，辊将空心体伸展在安装在空心体内部的芯轴上。

对辊和芯轴进行校准，使得被表示为工作口径的在辊部段中的在辊与芯轴之间形成的间隙从成形前的空心体的壁厚连续减小到完全轧制的管的壁厚。此外，由辊限定的外径从空心体的外径减小到成品管的外径。另外，由芯轴限定的内径从空心体的内径减小到成品管的内径。除了工作口径，辊还包含刨削口径。刨削口径既不减小管的壁厚也不减小管的内径或外径，而是用于对待制造的管的表面进行刨削。当辊已经到达了轧机架的返回的后点时，辊处于一定角度位置，其中辊形成一个逃逸凹坑，以使辊脱离与管的接合。

沿进给方向进给空心体发生在轧机架的返回的前点处或发生在轧机架的返回的前点处和轧机架的返回的后点。在一个实施方案中，空心体的每一个部段能够被轧制多次。在该实施方案中，沿进给方向进给空心体的步骤明显少于轧机架从返回的前点到返回的后点的路径。通过多次轧制管的每一个部段，能够实现管的均匀的壁厚和圆度、管的高表面质量以及均匀的内径和外径。

为了获得成品管的均匀形状，除了逐步进给之外，空心体还绕其对称轴线进行间歇旋转。在一个实施方案中，在轧机架的至少一个返回点处提供空心体的旋转，即，一旦空心体分别在进给凹坑和释放凹坑处与辊脱离接合，就提供空心体的旋转。

在本发明的实施方案中，冷成形通过皮尔格式冷铣削来实现，并且在皮尔格式冷铣削之后，通过拉拔模具对管进行冷拉拔。

在本发明的实施方案中，对管进行冷拉拔而不是皮尔格式冷铣削，或者在皮尔格式冷铣削之后对管进行冷拉拔。

如此处所考虑的，拉拔是在室温下进行的，因此被称为冷拉拔。

能够将冷拉拔的不同方法用作本发明的实施方案，即，管拉拔、芯拉拔和棒拉拔。在管拉拔工序期间，通过拉拔模具对管进行拉拔来仅减小管的外径，而不进一步限定管的内径。在芯拉拔和棒拉拔期间，由芯轴同时限定拉拔管的内径和壁厚。芯轴不是固定的而是由管本身保持，或者在棒拉拔中，芯轴由穿过管的内径延伸的棒保持。在一个实施方案中，其中在拉拔工序期间应用芯轴，拉拔模具和芯轴限定环形间隙，通过所述环形间隙拉拔管。当使用芯轴时，可以在拉拔工序期间减小外径、内径以及壁厚，并且成品管的直径在严格的公差范围内。拉拔设备能够连续或不连续地运行。在拉拔工序期间，通过驱动器将工件夹紧在拉拔模具的侧面上，其中能够夹紧成品管。为了连续地拉拔管，在一个实施方案中，拉拔设备需要至少两个拉拔驱动器交替地夹紧管，以便通过拉拔模具连续拉拔管。

在本发明的实施方案中，在冷成形之后，通过环自紧或球自紧对管进行处理。

在将空心体冷成形(如皮尔格式冷铣削或冷拉拔)为管之后通过环自紧或球自紧进行处理导致提高的屈服强度和减少的裂纹扩展。

在本发明的实施方案中，在冷成形之后，特别是在皮尔格式冷铣削之后或在皮尔格式冷铣削和冷拉拔之后，将管在400℃至460℃的温度范围内退火，其中在退火期间，管被保持在受控气氛中。

通过这种方法制造的管将在高压应用中同时获得高拉伸强度和高伸长率。

在本发明的另一个实施方案中，管的外径为40mm以下并且壁厚为1.32mm以下。

在本发明的又一个实施方案中，管的外径为38.1mm并且壁厚为0.8mm。

在本发明的实施方案中，管的外径为38.1mm并且壁厚为0.6mm。

在本发明的又一个实施方案中，管的壁厚为0.8mm或0.6mm。

在航空航天应用以及许多水上交通工具中，可用于管的空间较小，并且这对于减轻重量至关重要。因此，对于航空航天应用和水上交通工具，必须制造壁薄的管。

在本发明的实施方案中，所述系统用于在导管中引导在100巴以上的压力下加压的液态氢。

在本发明的另一个实施方案中，所述系统用于在导管中引导在1000巴以上的压力下加压的液态氢。

特别是对于空间有限的应用，压缩的液态氢会导致明显更高的储存密度。因此，所提及的发明的优点是其增加的耐压性。

另外，上述方面中的至少一个方面通过一种制造用于传输液态氢的系统的方法来解决，其中制造形成所述系统的导管的管包括如下步骤：提供奥氏体不锈钢的熔融物，所述奥氏体不锈钢按重量％计包含：c≤0.040，8.00≤mn≤10.00，si≤1.00，p≤0.030，s≤0.030，19.00≤cr≤21.50，5.50≤ni≤7.50，0.15≤n≤0.40，mo≤0.75，cu≤0.75，其余为fe和通常存在的杂质；从熔融物挤出坯料；将坯料热成形为管状空心体；将空心体冷却；以及将空心体冷成形为管。

通过根据本发明的该方法的步骤，提供了无缝管。

在本发明的另一个实施方案中，提供一种奥氏体不锈钢的熔融物，其中所述奥氏体不锈钢由相同的上述元素构成或包含相同的上述元素，但具有按重量％计的最大含量c≤0.040。

附图说明

根据以下对实施方案的描述和对应的附图，本发明的其它优点、特征和应用将变得显而易见。当结合附图阅读时，将更好地理解前述内容和以下对实施方案的详细描述。应理解，所描绘的实施方案不限于所示的精确布置和手段。

图1是根据本发明的实施方案的灌装站的示意性前视图。

图2是根据本发明的实施方案的水运工具的示意性侧视图。

图3是根据本发明的实施方案的方法的流程图。

具体实施方式

图1是根据本发明的实施方案的灌装站1的示意性前视图，其中通过由21-6-9不锈钢制成的无缝管2来提供导管的部段。用于液态氢的储存器3被用来通过使用泵喷嘴4提取液态氢，所述泵喷嘴4通过管2与用于液态氢的储存器3流体连通。

图2是根据本发明的实施方案的水运工具5、更确切是潜艇的示意性侧视图，其中由根据本发明的实施方案的无缝管2提供导管。用于液态氢的储存器3被布置在潜艇5的主体中，所述主体通过管2与燃料电池6流体连通。然后，燃料电池6被用来为推进系统(未呈现)提供燃料。

图3是描述用于将空心体成形为图1和图2中所示的应用中所使用的管2的方法的流程图。在第一步骤100中，提供奥氏体不锈钢的熔融物，其中所述奥氏体不锈钢按重量计包含：c≤0.080，8.00≤mn≤10.00，si≤1.00，p≤0.030，s≤0.030，19.00≤cr≤21.50，5.50≤ni≤7.50，0.15≤n≤0.40，mo≤0.75，cu≤0.75，其余为fe和通常存在的杂质。

在第二步骤101中的从熔融物挤出坯料之后，在步骤102中将坯料热轧制成管状空心体。然后在步骤103中将空心体冷却至室温。在倒数第二个步骤104中，将空心体皮尔格式冷铣削成如说明书中所描述的管。在最后的步骤105中，对管进行冷拉拔。

出于原始公开的目的，应注意，即使仅参考特定的其它特征对所有特征进行了描述，对于本领域技术人员而言，根据本说明书、附图和权利要求，所有特征也变得显而易见，并且所有特征能够自身组合或与本文中所公开的其它特征或特征组任意组合，只要这种组合未被明确排除或者技术事实没有排除这种组合或使其无用即可。为了提供简短且可读的描述，对特征的每种可能组合的广泛、明确的描述只是已经被省略了。

尽管已经在附图和上述描述中详细示出了本发明，但是该描述仅是示例并且不应被认为是限制保护范围，因为保护范围由权利要求来限定。本发明不限于所公开的实施方案。

对本领域技术人员而言，根据附图、说明书和所附权利要求，所公开的实施方案的变型是显而易见的。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元素或步骤，并且不定冠词“一”不排除多个。在不同的权利要求中要求保护了一些特征的简单事实不排除这些特征的组合。权利要求中的附图标记不应被认为是限制保护范围。

附图标记

1灌装站

2管

3用于液态氢的储存器

4泵喷嘴

5水运工具

6燃料电池

100提供奥氏体不锈钢的熔融物

101从熔融物挤出坯料

102将坯料热轧制成管状空心体

103冷却步骤

104皮尔格式冷铣削步骤

105冷拉拔步骤