大容积全缠绕高压储氢容器的加工工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于大容量高压储气设备的领域，具体涉及一种大容积全缠绕高压储氢容器的加工工艺，容积大于500L，承压高于87.5MPa。
【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。氢气的液化温度较低(-252.8°C)，因此实现储存与运输，最简单、实用和经济的方法仍然是采用大容量和提高耐压能力的高压、常温气态运输；由于制造技术上的难度，大容量高压储氢气瓶项目被列入863高科技追踪计划之中。
[0003]高压金属材料性能在目前的产品标准中限定为70MPa。为保证安全，容器的直径、管壁厚、容积均设置了严格的标准，是这类容器的特点。任何指标的突破均会引起一系列的重大变化，直径小、管壁厚、容积难以突破，是这类容器的特点。
[0004]目前，随着复合材料技术的创新应用，借助复合条件下的强化手段提高产品气瓶的容重比和承压能力有了希望。众多领域内已广泛使用复合强化工艺，完全可以用来强化金属无缝内胆的承压能力和加大容积。按一定实验决定的特别技术手段和规律来复合缠绕高强度纤维与高性能增强树脂形成复合材料层成为业内关注的焦点。
[0005]缠绕复合铝合金内胆已经进入应用阶段。但应用实践仅限于小容积，一般在120L以下，承压能力低，一般20?35MPa。这远远不能满足大规模储氢、运输、使用的需求。提高容器的储氢能力，要通过加大储氢容器的容积，又要提高储氢容器的承压能力。而上述两个方面的提高，不是增大容器容积的尺寸后、用增加器壁厚度即可以解决的。因为加大无缝管壁厚首先遭遇的瓶颈技术即是厚壁管的乳制技术中均质的问题。另由于储氢容器的密封性能、自重以及缠绕时的瓶身结构对大容积和高压力形成诸多制约因素。压力越大，对密封性能要求越高，相关的失效点变换与缠绕方式产生相当大的关联性；内胆加厚管壁与旋压过程中瓶肩和瓶身处的工艺处理及材料的力学性能变化、缠绕层的结构和厚度设计、以及缠绕层厚度与瓶身结构等多种因素之间相互制约。例如，对于内胆旋压而言，由于工作压力大，瓶颈内螺纹剪切应力大，螺纹长，所以瓶颈的直边长度一般不小于80mm的特点，且要求壁厚较厚，相比常规高压气瓶产品，对旋压工艺提出了更苛刻的要求。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题是提供一种大容量高压储氢钢内胆的旋压工艺，其通过控制旋压的工艺参数，实现对大容积、厚壁、长端口的钢内胆旋压，借助于在钢内胆的瓶身、瓶肩、瓶口处全方位高强纤维缠绕强化，使储氢容器工作压力可达90MPa，容积达到500L以上。
[0007 ]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:
一种大容积全缠绕高压储氢容器的加工工艺，包括内胆旋压、均质处理、缠绕固化复合增强壳层在内的工艺步骤，具体的工艺参数包括: ①选用壁厚为15?25mm、设计水容积不小于550L的优质铬钼钢热乳成型的无缝钢管为基材；
②按照下述工艺参数对合格的基材进行双端缩口加工内胆:
2.1、将基材的收口段加热到100?1180 °C；
2.2、旋压封头和聚料头:对所述收口段进行补热，用旋压机主轴卡爪夹紧无缝钢管坯料外壁，并以180?220r/min的转速旋转，同时将旋轮的工作面靠近无缝钢管坯料收口段外壁、对其进行7?8道次半球形旋压;每道次中，模座沿无缝钢管坯料轴向进给后，旋轮臂带动旋轮按照圆弧轨迹从无缝钢管坯料轴线垂直位置起始、以0.10?0.14rad/s的速度摆动设计角度，再按照相同的轨迹以0.25-0.35rad/s的转速回位;其中，第I?3道次旋轮臂摆动的角度为45?55°，其后各道次中，旋轮臂摆动的角度依次增加4?8°，最后一次摆动的角度为60?82°，形成半球形封头圆滑外延一聚料头的结构；
2.3、聚料头增厚:继续补热使收口段温度保持在950?1180V，旋轮臂带动旋轮按照圆弧轨迹以0.1O?0.14rad/s的速度进行5?6道次旋压，每道次步进量与收口段壁厚的比值为
0.74-0.52:1，聚料头的壁厚逐次增加为无缝钢管坯料壁厚的1.3?2.5倍；
2.4、将旋轮臂首先摆动0.1?0.5rad，然后模座沿无缝钢管坯料轴线方向的进给、同时旋轮臂带动旋轮摆动旋压，经2?3道次形成椭球形瓶肩圆滑外延一直段瓶颈的结构；
2.5、将步骤2.4中的瓶颈平头、磨削去除瓶肩内外壁上可能出现的褶皱、抛丸处理；
③内胆热处理:将内胆加热至935?965°C，保温时间60?10min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620?690 °C，保温时间40?80min，出炉后在空气中自然冷却；
④对瓶颈内、外壁分别加工螺纹，然后进行二次抛丸处理；
⑤在内胆的瓶颈、瓶肩和瓶身缠绕固化纤维增强壳层；
⑥缠绕容器固化后进行自紧、水压试验，外表面进行喷漆处理，进行充氮保护，保压0.1_0.2MPaο
[0008]所述大容积厚壁高压储氢钢内胆的容积大于500L、壁厚大于15mm，为了保证较高的充氢效率，瓶颈内径不小于50mm;为了承载较高的压力，要求瓶颈内螺纹剪切应力大，因此需要螺纹长，长度不小于80mm、厚度不小于20mm，但是瓶颈的长度和厚度又受到旋压工艺的限制。上述技术方案中，经过多道次、步进量及进给速度的控制，首先形成了聚料头，然后经过5?6道次的壁厚增加及瓶颈延长的处理，形成了大容积厚壁的高压钢内胆。热处理工艺对钢内胆的均质也具有重要的作用，决定了钢内胆的力学性能，上述技术方案中通过退火和回火的特殊处理，显微组织为回火索式体结构，抗拉强度在750?760MPa、屈服强度620?640MPa，硬度在 235HB。
[0009]采用上述技术方案产生的有益效果在于:(1)采用本发明的成功旋压了一种大容积、壁厚的钢内胆，经过检测表明:内、外壁未发现明显脱碳层;储氢容器进行水压试验，在256Mpa发生爆破，爆破发生在容器的中部，内胆断口呈现45°剪切唇形貌，爆口两侧呈对称倒“V”字型，爆破后，容器一端纤维层脱落，但无内胆碎片产生，表明旋压的瓶颈和瓶肩符合技术要求。(2)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优化。
【附图说明】
[0010]图1是本发明储氢容器的剖视结构示意图；
图2是钢内胆端部剖视结构示意图；
图3是瓶颈端面的结构示意图；
图4是钢内胆端部解剖的图片；
图5是本发明钢内胆水压爆破试验后的图片；
图6是本发明储氢容器水压爆破试验后的图片；
图7是图1中A处的放大结构示意图；
图8是左、右端口强化复合层和左、右瓶肩强化复合层的制作示意图；
图9是瓶肩强化复合层的制作效果图；
图10是瓶身强化复合层的制作示意图；
其中，1、端塞，2-1、瓶身，2-2、瓶肩，2-3、瓶颈，3-1、玻璃纤维隔离层，3-2-1是左端口强力复合层，3-2-2是右端口强力复合层，3-2-3是变向方位槽，3-2-4是左瓶肩强化复合层，3-2-5是右瓶肩强化复合层，3-2-6是瓶身强化复合层，3-3、玻璃纤维保护层。
【具体实施方式】
[0011 ] 参见图1?图3，本发明主要包括两部分:旋压钢内胆和缠绕固化在旋压钢内胆外壁上的强化复合壳层。本实施例中钢内胆材料选用铬钼钢4130X，该种材料具有强度高，韧性好，耐氢脆性能，为国内外充装天然气和氢气的成熟钢材。钢内胆的结构为两端热旋压收口中间筒形的型式;考虑到全缠绕结构，瓶肩2-2为椭球型或碟型，通过热旋压圆滑过渡到瓶颈2-3部分;瓶颈2-3管口加工有内、外螺纹，内螺纹用于与端塞I封堵连接，外螺纹用于固定限位缠绕层。因全缠绕结构缠绕层厚度较大，缠绕用连接工装只能借用瓶颈2-3内螺纹，为保证缠绕过程中有效固定，在瓶颈2-3端部外缘设计成六方结构的限位台2-3-1。
[0012]强化复合壳层所述由内至外依次包括2?6mm玻璃纤维隔离层3-1、40?80mm碳纤维强力层3-2和2?6mm玻璃纤维保护层3-3。因内胆为钢内胆，碳纤维强力层3-2为碳纤维/环氧树脂，为避免二者之间产生电化学腐蚀，同时实现外部碳纤维层的保护，在碳纤维结构层的内外两侧增加玻璃纤维隔离层3-1和玻璃纤维保护层3-3;另外，碳纤维材料虽然有较高的强度，但耐冲击性能较弱，在工艺设计时增加玻璃纤维保护层。
[0013]本实施例中以直径为559_、长度为3200mm的无缝钢管为例，详细介绍大容量