快开式铜内衬高压储氢容器

本发明属于氢能源储存设备开发领域，特别涉及一种快开式铜内衬高压储氢容器。

背景技术：

氢气的储存是氢能产业链的核心环节之一。高压储氢是目前氢燃料电池汽车、长管拖车以及加氢站等的主流储氢方式，高压储氢容器是高压储氢的载体。与常规压力容器不同，储氢容器在高压氢环境下可能面临着因高压氢脆引起的材料性能劣化现象，对容器的安全运行造成极大的威胁。目前，高压储氢容器的类型主要包括大容积无缝储氢容器、奥氏体不锈钢衬里储氢容器以及纤维缠绕复合材料瓶式储氢容器。

大容积无缝储氢容器通过对无缝钢管旋压成型，其结构简单、成本低、可批量生产，但其临氢材料通常为铬钼钢等低合金钢，这种材料在高压氢环境下表现出明显的延性降低、疲劳裂纹扩展速率加快、断裂韧度减小等氢脆现象，威胁容器的运行安全。同时，由于材料强度越高，氢脆越严重，目前国内外相关标准均对储氢容器用铬钼钢材料的抗拉强度上限进行了规定(国内为880mpa，国外通常为950mpa)，这导致该类材料的力学性能潜力不能充分发挥。此外，当储氢压力升高时，该类容器的壁厚增加，导致旋压成型困难，并且容易造成热处理时出现淬不透的现象，对容器沿着壁厚的均匀性产生极为不利的影响。目前，该类容器常用于压力小于50mpa的场合。

奥氏体不锈钢衬里储氢容器的临氢材料是316l等抗氢脆性能良好的奥氏体不锈钢，该类容器的储氢压力高、容积大，但其结构复杂(常用的如钢带缠绕式、层板包扎式等)，制造周期长，成本高，且通常需焊接成型，对焊接工艺的要求非常高。此外，受到结构的影响，该类容器的无损检测较为困难。

纤维缠绕复合材料瓶式储氢容器采用碳纤维等对无缝钢管、铝内胆或者塑料内胆等缠绕成型，该类瓶式容器的储氢压力高，但储氢容积小，且碳纤维等材料的成本较高，因此该类容器目前主要用于氢燃料电池汽车储氢，不用于加氢站等大规模储氢的场合。

综上所述，对于现有高压储氢容器，其抗氢脆性能、使用性能(储存压力、储存容积等)、制造成本等往往不能同时满足要求，基于这一现状，提出本发明的内容。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提出一种抗氢脆性能良好、储氢压力高且容积大、结构相对简单、制造方便、成本低的快开式铜内衬高压储氢容器。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种快开式铜内衬高压储氢容器，包括用于储氢的中空管状的铜质内衬，内衬套设在中空管状结构的外筒中，两者为间隙配合；在外筒的至少一个端部设有快开封头，后者呈圆柱状且通过螺纹连接方式套装在外筒内；在快开封头的轴向中心设有贯穿的通孔，所述内衬的端部套设于该通孔中；在快开封头的外侧端面上，以法兰和螺栓构成的组件将接管端部接头固定在快开封头上；接管端部接头呈管状，中部具有用于定位和传递载荷的径向凸台，其一侧伸入内衬端部且紧密配合，另一侧穿过法兰的轴向中心通孔用于连接外部输氢管。

本发明中，所述外筒的两个端部分别设有快开封头、接管端部接头和法兰-螺栓组件，且具有相同的结构；或者，只在外筒的一个端部设有快开封头，在另一个端部设用于封堵的盲法兰。

本发明中，所述套设于快开封头中心通孔的内衬端部，其径向尺寸小于内衬主体结构的径向尺寸，即内衬以其缩径的端部伸至快开封头中心的通孔中。

本发明中，所述快开封头的内侧端面具有与内衬端部相匹配的形状，两者之间为间隙配合。

本发明中，所述快开封头的外部设外螺纹，外筒内侧设内螺纹；在外筒的螺纹末端设有台阶结构，用于快开封头安装时的定位。

本发明中，在快开封头与外筒之间、接管端部接头与内衬之间，分别设置o形密封圈用于加强密封。

本发明中，所述接管端部接头伸入内衬端部的一侧具有更大的径向尺寸，在该侧表面开设环向凹槽用于安装o形密封圈。

本发明中，在快开封头的外侧端面上沿环向均匀设有多个螺纹孔，并以双头螺柱、螺栓和法兰将接管端部接头固定在快开封头上。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明中高压储氢容器的内衬采用了无氧铜等延性和抗氢脆性能良好的材料，当容器中充有高压氢气时，铜内衬能有效阻隔高压氢气与外筒接触，避免外筒因高压氢脆产生材料性能劣化。同时，由于内衬材料延性良好，在受压时内衬将贴紧外筒内壁，将应力充分传递至外筒，使得外筒主要承受氢气的压力。

2、由于受到铜内衬的阻隔，容器外筒可以使用现有的铬钼钢材料制造。由于属于非临氢材料，因此其强度将不再受到限制，可以突破现有标准对于储氢容器用铬钼钢材料强度的规定，充分发挥铬钼钢材料的力学性能潜力，便于容器的轻量化设计。

3、由于采用了快开封头，该容器的外筒不需要旋压成形，且易于通过双面淬火方式进行热处理，因此外筒的厚度主要通过储氢压力进行计算确定，而不再受到旋压成型和热处理等制造工艺的限制，这使得该容器的储氢压力高、容积大。

4、由于采用了快开封头，可以很方便的对内外筒进行安装，容器的制造简单，可实现批量生产，且由于采用的无氧铜和铬钼钢等材料都是常用的金属材料，容器的成本较低。因此该容器能够满足大规模储氢的需求。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为外筒示意图；

图3为内衬示意图；

图4为快开封头示意图；

图5为法兰组件示意图；

图6为接管端部接头示意图。

图中的附图标记为：快开封头1、双头螺柱2、法兰3、接管端部接头4、o型密封圈5、外筒6、内衬7。

具体实施方式

下面通过具体实施例子，对本发明的实现方案进行详细描述。

本发明中的快开式铜内衬高压储氢容器，包括用于储氢的中空管状的铜质内衬7，内衬7套设在中空管状结构的外筒6中，两者为间隙配合；在外筒6的两个端部分别设有快开封头1，后者呈圆柱状且通过螺纹连接方式套装在外筒6内；快开封头1的外部设外螺纹，外筒6内侧设内螺纹；在外筒6的螺纹末端设有台阶结构，用于快开封头1安装时的定位。在快开封头1的轴向中心设有贯穿的通孔，内衬7的端部套设于该通孔中；套设于快开封头1中心通孔的内衬7端部，其径向尺寸小于内衬7主体结构的径向尺寸，即内衬7以其缩径的端部伸至快开封头1中心的通孔中。快开封头1的内侧端面具有与内衬7端部相匹配的形状，两者之间为间隙配合。在快开封头1的外侧端面上，以法兰3和螺栓构成的组件将接管端部接头4固定在快开封头1上；接管端部接头4呈管状，中部具有用于定位和传递载荷的径向凸台，其一侧伸入内衬端部且紧密配合，另一侧穿过法兰3的轴向中心通孔用于连接外部输氢管接管端部接头4伸入内衬7端部的一侧具有更大的径向尺寸，在该侧表面开设环向凹槽用于安装o形密封圈5。在快开封头1与外筒6之间、接管端部接头4与内衬7之间，分别设置o形密封圈5用于加强密封。在快开封头1的外侧端面上沿环向均匀设有多个螺纹孔，并以双头螺柱2、螺栓和法兰3将接管端部接头4固定在快开封头1上。

作为另一种实施方式，也可以只在外筒6的一个端部设有快开封头1，在另一个端部设用于封堵的盲法兰。

本发明的安装使用说明：

在安装时，首先打开快开封头1，将内衬7放置于外筒6中，两者之间为间隙配合，之后再通过螺纹结构将快开封头1与外筒6连接。外筒6用于承受压缩氢气的压力，其材料为铬钼钢等高强钢，厚度根据氢气压力计算确定。内衬7的腔体内部用做盛装高压氢气的容器，其端部穿过快开封头1中间的开孔与接管端部接头4连接。内衬7的材料为延性良好且抗氢脆性能良好的无氧铜，其形状与外筒6的内部腔体的形状一致。外筒6的内腔端部具有螺纹结构，且与快开封头1的外部螺纹配合。在螺纹之后设有台阶结构，用于快开封头1安装时的定位。快开封头1利用螺纹结构实现快速拆卸，同时提供平衡氢气内压的载荷。快开封头1的中间开孔，用于穿入内衬6的缩径端部。接管端部接头4用于连接容器外部输氢管和内衬腔体，其伸入内衬缩径端部的外表面设凹槽，因此该段的厚度大于后段的厚度。凹槽中装有o型密封圈5，用于与内衬6的缩径端部之间形成密封，阻止氢气泄漏。接管端部接头4的中部通过焊接或者其他方式设置有凸台，用于限定伸入内衬7缩径端部的长度，同时用于向螺栓-法兰组件传递氢气内压作用于接管端部接头4上的轴向力。接管端部接头4的材料为抗氢脆性能良好的s31603等。法兰3和双头螺柱2、螺母组成法兰组件，用于提供平衡内压作用于接管端部接头4的压力、限定接管端部接头4的位置。