CN105333302B - 一种大容量高压储氢容器缠绕复合壳层的制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种大容量高压储氢容器缠绕复合壳层的制作方法，属于大容量高压储气设备制造技术领域，该方法基于经旋压成型并达到设计要求的钢内胆为胎，包括对于瓶口、瓶肩、瓶体三部位分别借助热固性树脂实现高强纤维的包络、固化的形成复合结构的工艺，使用的步骤包括：钢内胆外表面处理，在钢内胆外表面上制作隔离内层，在隔离内层上分段处理制作强力碳纤维复合层，在强力碳纤维复合层外表面上制作保护层，将缠绕好复合层的钢内胆置入固化炉中烘干、固化，整形处理。在钢内胆的瓶体、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100MPa，容积达到500L以上要求。
Description
技术领域
本发明属于大容量高压储气设备制造技术领域，具体涉及一种大容量高压储氢容器中缠绕复合壳层的制作方法。
背景技术
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℃)，液化的功耗很大。最简单、实用、经济的氢气储运方法任然是采用增大容量和提高耐压水准的高压、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。
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。目前关于提高压力和容积上限的发明所伴随的工艺变化巨大。
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固形成复合材料层成为业内关注的焦点。
碳纤维即是用于以上工艺的理想材料。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。这与大规模储氢、运输、使用的条件不能相比。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轧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体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肩端和缩口处的工艺处理及材料的力学性能变化、对缠绕层的结构和厚度设计要求产生不规则的变化；缠绕层的厚度也不是仅仅用增厚能解决的，其结构稳定性也受制于瓶体的结构。所以，大容积、超高压的氢气瓶复合加工中的工艺方法研究已成为行业内关注的课题。
发明内容
本发明目的是提供一种大容量高压储氢容器中缠绕复合壳层的制作方法，通过旋压制备无缝钢内胆，借助于在钢内胆的瓶体、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100MPa，容积达到500L以上要求。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种大容量高压储氢容器缠绕复合壳层的制作方法，该方法基于经旋压成型并达到设计要求的钢内胆为胎，包括对于瓶口、瓶肩、瓶体三部位分别借助热固性树脂实现高强纤维的包络、固化的形成复合结构的工艺，其关键在于上述方法中使用的步骤包括：
步骤一、钢内胆外表面处理：包括除油、净化、防腐处理；
步骤二、在钢内胆外表面上制作隔离内层：
经树脂浸渍、并经压轧处理的玻璃纤维束，从瓶左端口处沿轴向螺旋往复式环绕在瓶左端口、瓶左肩、瓶体部、瓶右肩、瓶右端口之间，形成厚度为2-6mm玻璃纤维隔离内层，
步骤三、在隔离内层上分段处理制作强力碳纤维复合层：
1)左、右端口强化复合层制作：经浸渍树脂、和压轧成片状的碳纤维束，在瓶左端口设计好的区域往复式螺旋缠绕、形成厚度为5-20mm厚度的左端口强力复合层，左端口强力复合层端面距离瓶左肩5-15mm形成变向方位槽；借助变向方位槽将碳纤维束导引至瓶右端口；用同样的步骤对称绕制对称位置上的右端口强力复合层；
2)左、右瓶肩强化复合层预制作：借助变向方位槽的转向设定碳纤维束的缠绕螺旋角变化增量实现左、右端口之间的往复式缠绕，达到对左、右瓶肩的全覆盖、并使所形成的左、右瓶肩强化复合层的厚度达到设计厚度的70％-85％；
3)瓶体强化复合层的制作：借助于变向方位槽实现瓶体端头处反绕螺旋角的设定，在整个瓶体范围实现螺旋角为48-65°的往复式缠绕，在形成瓶体强化复合层设计厚度的同时实现对左、右瓶肩强化复合层的加厚；
步骤四、在强力碳纤维复合层外表面上制作保护层：
经树脂浸渍、并经压轧处理的玻璃纤维束，从瓶左端口处沿轴向螺旋往复式环绕在瓶左端口、瓶左肩、瓶体部、瓶右肩、瓶右端口之间，形成厚度为4-10mm玻璃纤维保护外层；
步骤五、将缠绕好复合层的钢内胆置入固化炉中烘干、固化，整形处理。
进一步：在步骤三中，在钢内胆瓶肩和瓶体交接部位铺放由单向纤维布浸渍纤维胶液预制而成的纤维补强层。
在步骤三中，在钢内胆瓶肩和瓶口交接部位铺放由单向纤维布浸渍纤维胶液预制而成的纤维补强层。
在步骤三中，强力碳纤维复合层的缠绕厚度为30-80mm，并在强力碳纤维复合层缠绕过程中厚度过半时，将钢内胆置入固化炉内，采用80-100°的炉温进行预固化处理，预固化程度以胶液出现凝胶状态为止。
在步骤三中，强力碳纤维复合层的缠绕过程中喷涂短碳纤维或晶须。
在步骤五中固化炉中采用阶梯固化处理方式，最高固化温度在100-180°之间，处理时间为6～18h。
采用上述技术方案产生的有益效果在于：(1)采用本发明的缠绕复合壳层的制作方法制备的大容量高压储氢容器，可满足大容量高压储氢容器的承压压力压力达92MPa，容积达到500L以上的技术要求；(2)通过在强力碳纤维复合层的缠绕过程中喷涂碳纤维或晶须，提高了强力碳纤维复合层的结构强度和抗弯曲、拉伸的能力；(3)在钢内胆瓶肩和瓶口直段交接部位和钢内胆瓶肩和瓶口交接部位增设纤维补强层，进一步加强了钢内胆屈服薄弱点的承压能力。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1中A的放大示意图；
图3是钢内胆水压爆破试验结果图；
图4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5是左、右瓶肩强化复合层的制作效果左视图；
图6是瓶体强化复合层的制作示意图；
图7是高压储氢容器水压爆破试验结果图；
其中：1是钢内胆，1-1是玻璃纤维隔离内层，1-2是强力碳纤维复合层，1-2-1是左端口强力复合层，1-2-2是右端口强力复合层，1-2-3是变向方位槽，1-2-4是左瓶肩强化复合层，1-2-5是右瓶肩强化复合层，1-2-6是瓶体强化复合层，1-3是玻璃纤维保护外层。
具体实施方式
本实施例中钢内胆1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。旋压成型后的钢内胆1尺寸数据为直径559mm、长度3200mm和容积583L。将本实施例旋压制备的钢内胆1进行水压爆破试验，爆破后的照片参见图3，结果表明：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。以上结果表明：旋压成型的瓶肩和瓶颈未出现缺陷，强度符合要求；钢内胆1的屈服薄弱点主要表现为钢内胆1瓶体的径向承受能力不够。
为满足大容量高压储氢容器的承压压力达90MPa的技术要求，需采用在钢内胆1外壁缠绕强化复合壳层来加强承压能力和克服钢内胆1本身存在的屈服薄弱点。根据有限元分析计算和钢内胆1水压爆破试验综合分析表明钢内胆1的屈服薄弱点包括瓶体的径向承受能力、瓶肩轴向承受能力、瓶口径向承受能力。
综上所述，参看附图1-2，将缠绕复合壳层结构设计为由内至外依次包括2-6mm玻璃纤维隔离内层1-1、30-80mm强力碳纤维复合层1-2和2-6mm玻璃纤维保护外层1-3。因内胆为钢内胆，强力碳纤维复合层1-2为碳纤维/环氧树脂，为避免二者之间产生电化学腐蚀，同时实现对强力碳纤维复合层1-2的保护，在强力碳纤维复合层1-2的内侧增加玻璃纤维隔离内层1-1；另外，碳纤维材料虽然有较高的强度，但耐冲击性能较弱，在强力碳纤维复合层1-2的外侧增加玻璃纤维保护外层1-3，避免强力碳纤维复合层1-2直接与外部环境的接触并免受磕碰、划伤。
参看附图4-6，为满足和实现强化复合壳层结构设计要求，采用工艺制作方法包括：
该方法基于经旋压成型并达到设计要求的钢内胆1为胎，包括对于瓶口、瓶肩、瓶体三部位分别借助热固性树脂实现高强纤维的包络、固化的形成复合结构的工艺，上述方法中使用的步骤包括：
步骤一、钢内胆1外表面处理：包括除油、净化、防腐处理；
步骤二、在钢内胆1外表面上制作隔离内层：
经树脂浸渍、并经压轧处理的玻璃纤维束，从瓶左端口处沿轴向螺旋往复式环绕在瓶左端口、瓶左肩、瓶体部、瓶右肩、瓶右端口之间，形成厚度为2-6mm玻璃纤维隔离内层1-1，
步骤三、在隔离内层上分段处理制作强力碳纤维复合层1-2：
1)左、右端口强化复合层制作：经浸渍树脂、和压轧成片状的碳纤维束，在瓶左端口设计好的区域往复式螺旋缠绕、形成厚度为5-20mm厚度的左端口强力复合层1-2-1，左端口强力复合层1-2-1端面距离瓶左肩5-15mm形成变向方位槽1-2-3；借助变向方位槽1-2-3将碳纤维束导引至瓶右端口；用同样的步骤对称绕制对称位置上的右端口强力复合层1-2-2；
2)左、右瓶肩强化复合层预制作：借助变向方位槽1-2-3的转向设定碳纤维束的缠绕螺旋角变化增量实现左、右端口之间的往复式缠绕，达到对左、右瓶肩的全覆盖、并使所形成的左、右瓶肩强化复合层1-2-4、1-2-5的厚度达到设计厚度的70％-85％；增强瓶肩部位的轴向承压能力。
3)瓶体强化复合层的制作：借助于变向方位槽1-2-3实现瓶体端头处反绕螺旋角的设定，在整个瓶体范围实现螺旋角为48-65°的往复式缠绕，在形成瓶体强化复合层1-2-6设计厚度的同时实现对左、右瓶肩强化复合层1-2-4、1-2-5的加厚；增强瓶肩部位的径向承压能力。
步骤四、在强力碳纤维复合层外表面上制作保护层：
经树脂浸渍、并经压轧处理的玻璃纤维束，从瓶左端口处沿轴向螺旋往复式环绕在瓶左端口、瓶左肩、瓶体部、瓶右肩、瓶右端口之间，形成厚度为4-10mm玻璃纤维保护外层1-3；
步骤五、将缠绕好复合层的钢内胆1置入固化炉中烘干、固化，整形处理。
在步骤三中，在钢内胆1瓶肩和瓶体交接部位铺放由单向纤维布浸渍纤维胶液预制而成的纤维补强层。纤维补强层增强瓶肩屈服薄弱点的承压能力。
在步骤三中，在钢内胆1瓶肩和瓶口交接部位铺放由单向纤维布浸渍纤维胶液预制而成的纤维补强层。纤维补强层增强瓶肩屈服薄弱点的承压能力。
在步骤三中，强力碳纤维复合层1-2的缠绕厚度为30-80mm，并在强力碳纤维复合层1-2缠绕过程中厚度过半时，将钢内胆1置入固化炉内，采用80-100°的炉温进行预固化处理，预固化程度以胶液出现凝胶状态为止。
在步骤三中，强力碳纤维复合层1-2的缠绕过程中喷涂短碳纤维或晶须。增强瓶身的强力碳纤维复合层1-2的结构强度和抗弯曲、拉伸的能力。
在步骤五中固化炉中采用阶梯固化处理方式，最高固化温度在100-180°之间，处理时间为6～18h。
将采用上述缠绕制作方法生产完成的高压储氢容器按照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℃；环境温度：9℃。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，具体形貌参见附图7。以上结果表明：高压储氢容器爆破中未出现屈服点，强度符合要求。
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。表明本发明的强化复合壳层结合钢内胆1是满足设计需求的，并且为大容积高压储氢开辟了一条新道路。
Claims (5)
1.一种大容量高压储氢容器缠绕复合壳层的制作方法，该方法基于经旋压成型并达到设计要求的钢内胆(1)为胎，包括对于瓶口、瓶肩、瓶体三部位分别借助热固性树脂实现高强纤维的包络、固化的形成复合结构的工艺，其特征在于上述方法中使用的步骤包括：
步骤一、钢内胆(1)外表面处理：包括除油、净化、防腐处理；
步骤二、在钢内胆(1)外表面上制作隔离内层：
经树脂浸渍、并经压轧处理的玻璃纤维束，从瓶左端口处沿轴向螺旋往复式环绕在瓶左端口、瓶左肩、瓶体部、瓶右肩、瓶右端口之间，形成厚度为2-6mm玻璃纤维隔离内层(1-1)，
步骤三、在隔离内层上分段处理制作强力碳纤维复合层(1-2)：
1)左、右端口强化复合层制作：经浸渍树脂、和压轧成片状的碳纤维束，在瓶左端口设计好的区域往复式螺旋缠绕、形成厚度为5-20mm厚度的左端口强力复合层(1-2-1)，左端口强力复合层(1-2-1)端面距离瓶左肩5-15mm形成变向方位槽(1-2-3)；借助变向方位槽(1-2-3)将碳纤维束导引至瓶右端口；用同样的步骤对称绕制对称位置上的右端口强力复合层(1-2-2)；
2)左、右瓶肩强化复合层预制作：借助变向方位槽(1-2-3)的转向设定碳纤维束的缠绕螺旋角变化增量实现左、右端口之间的往复式缠绕，达到对左、右瓶肩的全覆盖、并使所形成的左、右瓶肩强化复合层(1-2-4、1-2-5)的厚度达到设计厚度的70％-85％；
3)瓶体强化复合层的制作：借助于变向方位槽(1-2-3)实现瓶体端头处反绕螺旋角的设定，在整个瓶体范围实现螺旋角为48-65°的往复式缠绕，在形成瓶体强化复合层(1-2-6)设计厚度的同时实现对左、右瓶肩强化复合层(1-2-4、1-2-5)的加厚；
步骤四、在强力碳纤维复合层外表面上制作保护层：
经树脂浸渍、并经压轧处理的玻璃纤维束，从瓶左端口处沿轴向螺旋往复式环绕在瓶左端口、瓶左肩、瓶体部、瓶右肩、瓶右端口之间，形成厚度为4-10mm玻璃纤维保护外层(1-3)；
步骤五、将缠绕好复合层的钢内胆(1)置入固化炉中烘干、固化，整形处理。
2.根据权利要求1所述的大容量高压储氢容器缠绕复合壳层的制作方法，其特征在于：在步骤三中，在钢内胆(1)瓶肩和瓶体交接部位铺放由单向纤维布浸渍纤维胶液预制而成的纤维补强层。
3.根据权利要求1所述的大容量高压储氢容器缠绕复合壳层的制作方法，其特征在于：在步骤三中，在钢内胆(1)瓶肩和瓶口交接部位铺放由单向纤维布浸渍纤维胶液预制而成的纤维补强层。
4.根据权利要求1所述的大容量高压储氢容器缠绕复合壳层的制作方法，其特征在于：在步骤三中，强力碳纤维复合层(1-2)的缠绕过程中喷涂短碳纤维或晶须。
5.根据权利要求1所述的大容量高压储氢容器缠绕复合壳层的制作方法，其特征在于：在步骤五中固化炉中采用阶梯固化处理方式，最高固化温度在100-180°之间，处理时间为6-18h。
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