楊 揚(yáng) 葉 雷 周威威 鄭傳祥

（揚(yáng)州秋源壓力容器有限公司) （杭州市工業(yè)資產(chǎn)經(jīng)營投資集團(tuán)有限公司） （浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所）

高壓儲(chǔ)氫容器氫環(huán)境疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)研制

楊 揚(yáng)*葉 雷 周威威 鄭傳祥

（揚(yáng)州秋源壓力容器有限公司) （杭州市工業(yè)資產(chǎn)經(jīng)營投資集團(tuán)有限公司） （浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所）

通過對(duì)70 MPa氫環(huán)境疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造，研制了80 MPa扁平鋼帶纏繞式高壓儲(chǔ)氫容器，利用鋼帶預(yù)應(yīng)力的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了容器壁內(nèi)襯低應(yīng)力、繞帶層等應(yīng)力的合理應(yīng)力分布。設(shè)計(jì)了疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)控制兩種控制模式，以滿足不同的試驗(yàn)需要。該系統(tǒng)是目前國內(nèi)惟一的一套可用于真實(shí)氫環(huán)境疲勞試驗(yàn)的系統(tǒng)，已投入應(yīng)用。關(guān)鍵詞 儲(chǔ)氫容器 疲勞 氫環(huán)境 壓力容器

0 引言

氫能是一種清潔能源，其制備原料是水，燃燒后排放物也為水，來源豐富，可循環(huán)利用，無污染，因此目前為各國研究新能源的重點(diǎn)。氫能利用的核心技術(shù)為氫的制備、氫的儲(chǔ)運(yùn)、氫能的轉(zhuǎn)化利用，而其中氫的儲(chǔ)運(yùn)是目前投入最大、難度最大的部分。氫的儲(chǔ)運(yùn)方式有金屬氫化物儲(chǔ)存、低溫液化儲(chǔ)存、吸附儲(chǔ)存和高壓儲(chǔ)存等方式，其中高壓儲(chǔ)存因其簡單、直接、最接近產(chǎn)業(yè)化而應(yīng)用最廣泛，但是高壓儲(chǔ)存存在一定的危險(xiǎn)性。對(duì)于車載高壓儲(chǔ)氫容器而言，影響其安全性的因素很多，如疲勞、氫腐蝕、沖擊、高溫等均會(huì)影響其使用性能。其中頻繁充放氫引起的疲勞是最主要的失效因素。傳統(tǒng)的疲勞試驗(yàn)限于設(shè)備和成本，一般用液壓來替代。由于氫具有一定的腐蝕性，加上高應(yīng)力作用，所以氫環(huán)境下疲勞行為十分復(fù)雜。為了解決這個(gè)問題，有必要對(duì)這類容器在氫環(huán)境下的疲勞進(jìn)行試驗(yàn)研究，因此建立這樣的試驗(yàn)系統(tǒng)十分必要[1-5]。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

目前國際上車載高壓儲(chǔ)氫容器的壓力已經(jīng)達(dá)到70 MPa，這也是高壓儲(chǔ)氫的臨界壓力，因?yàn)楦邏毫?duì)增加儲(chǔ)氫量已經(jīng)十分有限。本研究根據(jù)70 MPa氫環(huán)境疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)的要求，結(jié)合安裝地北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所的實(shí)際需要，經(jīng)過雙方科研人員的反復(fù)磋商，最后確定了整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示。其工作原理如下：80 MPa的高壓氫源通過氣動(dòng)閥門和孔板流量計(jì)，將氫充入車載高壓儲(chǔ)氫容器，達(dá)到工作壓力后停止充氫；打開車載氣瓶的泄壓閥，使氫氣泄放到低壓緩沖罐內(nèi)，氣瓶壓力降低到1 MPa以下；緩沖罐內(nèi)的低壓氫氣通過高壓泵再充入到80 MPa高壓儲(chǔ)氫罐內(nèi)，完成一個(gè)循環(huán)，接著進(jìn)行下一個(gè)疲勞循環(huán)。這套高壓氫環(huán)境疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)在國內(nèi)外都是絕無僅有的，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。研制這套系統(tǒng)需要解決幾個(gè)核心難題：80 MPa以上的高壓儲(chǔ)氫容器的研制，氫安全監(jiān)控，以及自動(dòng)控制系統(tǒng)[6-7]。

2 80 MPa以上繞帶式高壓儲(chǔ)氫容器的研制

2.1 整體抗氫腐蝕和氫滲透設(shè)計(jì)

氫是一種滲透性很強(qiáng)的氣體，在一定條件下對(duì)鋼材具有一定的脆化作用，也叫氫脆。為了解決這個(gè)問題，在整體設(shè)計(jì)中，采用了1Cr18Ni9不銹鋼內(nèi)襯，外加Q345制成全雙層整體內(nèi)筒，經(jīng)過各項(xiàng)檢驗(yàn)后，按照等強(qiáng)度筒體進(jìn)行預(yù)應(yīng)力優(yōu)化纏繞。封頭采用半球形封頭，并分成二層整體沖壓成型，球形封頭外側(cè)加工鋼帶纏繞焊接斜面。

這個(gè)結(jié)構(gòu)具有抗氫、抑爆的特點(diǎn)：氫完全與對(duì)氫敏感的高強(qiáng)度鋼隔開，即使由于各種原因發(fā)生泄漏，氫氣會(huì)通過具有間隙的鋼帶纏繞層泄出，而且通過氫傳感器或者保護(hù)外殼內(nèi)的壓力傳感器還可以方便地進(jìn)行檢測；該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)安全監(jiān)控。

2.2 預(yù)應(yīng)力纏繞等強(qiáng)度筒體的優(yōu)化設(shè)計(jì)

扁平繞帶式高壓容器由于其鋼帶的預(yù)應(yīng)力可以調(diào)節(jié)，鋼帶纏繞傾角可以調(diào)節(jié)，故可以實(shí)現(xiàn)高壓容器內(nèi)預(yù)應(yīng)力的合理分布，從而實(shí)現(xiàn)高壓容器的操作應(yīng)力的合理分布：內(nèi)壁有介質(zhì)作用的區(qū)域應(yīng)力較低，而其余部分則應(yīng)力分布均勻，這是一種理想的受力狀態(tài)，在單層厚壁容器上是無法實(shí)現(xiàn)的。

繞帶容器的鋼帶層預(yù)應(yīng)力纏繞以后，筒體上會(huì)有初始?xì)堄鄳?yīng)力，它與內(nèi)壓引起的應(yīng)力 (確定值)疊加以后即為最終應(yīng)力，而最終應(yīng)力分布狀態(tài)根據(jù)容器的使用場合可以選定，如內(nèi)壁應(yīng)力為零、繞帶層應(yīng)力均勻，或整個(gè)壁厚應(yīng)力均布等等。一旦選定最終應(yīng)力分布，即可求得容器的鋼帶預(yù)應(yīng)力。本容器采用內(nèi)襯與纏繞層等強(qiáng)度分布，其實(shí)施方法如下 [8-10]：

式中 σθ、σr、σz——容器的周向、徑向、軸向應(yīng)力， MPa；

σ、σpre、σp——容器最終應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力、內(nèi)壓引起的應(yīng)力，MPa。

通過矩陣變換和應(yīng)力疊加后，可得到容器壁最終應(yīng)力的表達(dá)式：

由內(nèi)壓引起的筒壁上的應(yīng)力是一定的。如果要達(dá)到內(nèi)襯處于低應(yīng)力狀態(tài)、繞帶層處于等應(yīng)力分布狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)鋼帶預(yù)應(yīng)力即可實(shí)現(xiàn)所需的最終應(yīng)力分布。

2.3 扁平繞帶式壓力容器的應(yīng)力可控性設(shè)計(jì)流程根據(jù)以上理論，繞帶容器的筒壁可通過對(duì)繞帶層鋼帶預(yù)應(yīng)力和鋼帶纏繞傾角的調(diào)節(jié)來達(dá)到所需的應(yīng)力狀態(tài)，故只要將扁平繞帶容器最后期望的應(yīng)力分布作為目標(biāo)控制值，然后將上面的運(yùn)算逆向操作即可得到最初所需的鋼帶預(yù)應(yīng)力和纏繞傾角。

因?yàn)棣襭是由操作壓力p決定的，可由拉美公式直接求出。若最終所需的環(huán)向應(yīng)力為σθ， 則σpre可由式 （1） 求出：

如果最終希望的環(huán)向應(yīng)力是σθ，可從式（2）得出環(huán)向應(yīng)力：

根據(jù)鋼帶纏繞拉力與容器應(yīng)力的力學(xué)關(guān)系，可以從以上公式計(jì)算所需的纏繞預(yù)應(yīng)力T。

繞帶容器的軸向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力有一定的關(guān)聯(lián)，即其大小可通過傾角α來相互關(guān)聯(lián)。設(shè)計(jì)時(shí)一般使軸向強(qiáng)度略強(qiáng)于環(huán)向強(qiáng)度，故可選定軸向強(qiáng)度的目標(biāo)值，如使軸向應(yīng)力為環(huán)向應(yīng)力的0.9倍，然后通過不斷改變傾角α的值來逼近，直到達(dá)到規(guī)定要求。由于徑向應(yīng)力的值相對(duì)較小，在設(shè)計(jì)中其值不作控制，由三向應(yīng)力自動(dòng)協(xié)調(diào)。文獻(xiàn) [8]詳細(xì)介紹了通過扁平鋼帶上預(yù)應(yīng)力控制達(dá)到控制容器應(yīng)力分布的方法與流程。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)70 MPa的氣瓶充放氫，并根據(jù)目前最大車載氣瓶100 L充放次數(shù)的要求，將高壓容器的容積確定為0.9 m3。根據(jù)快速充放氫的要求，100 L的氣瓶充滿后，高壓儲(chǔ)氫容器內(nèi)的壓力由工作壓力80 MPa下降到72 MPa，以確保氣瓶能夠充滿。根據(jù)分析設(shè)計(jì)的結(jié)果，內(nèi)襯為厚8 mm的1Cr18Ni9不銹鋼和厚25 mm的Q345鋼復(fù)合雙層結(jié)構(gòu)，其繞帶層數(shù)是36層，每層鋼帶的厚度是4 mm。根據(jù)內(nèi)襯處于低應(yīng)力和繞帶層等強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求，計(jì)算出各層鋼帶的纏繞預(yù)應(yīng)力T為：

由此可見，該容器實(shí)現(xiàn)了內(nèi)筒低應(yīng)力、繞帶層等強(qiáng)度的要求。

2.4 全雙層封頭抗爆技術(shù)應(yīng)用

繞帶式高壓容器的封頭是另一個(gè)需要解決的難題。目前，大多數(shù)繞帶式壓力容器均采用平封頭，結(jié)構(gòu)十分笨重，成本也高，且一旦隱含裂紋，存在整體貫穿裂紋的可能，裂紋擴(kuò)展具有非自限性。本高壓儲(chǔ)氫容器采用全雙層化的半球形封頭，通過沖壓成型、機(jī)加工后，與內(nèi)襯筒節(jié)焊接制成內(nèi)筒。該半球形封頭具有以下特點(diǎn)：應(yīng)力分布均勻；封頭上隱含的缺陷如果擴(kuò)展，不會(huì)貫穿整個(gè)封頭厚度，被局限于該層內(nèi)；內(nèi)襯泄漏后可以通過封頭上的小孔進(jìn)行檢測，確保使用安全。

2.5 制造過程和檢查

本設(shè)備是目前國內(nèi)壓力最高的繞帶式儲(chǔ)氫容器，在優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造上都有較大的改進(jìn)。為了確保研究目標(biāo)的完成，對(duì)制造過程進(jìn)行了全程監(jiān)督和檢驗(yàn)。內(nèi)襯容器制造完畢后，進(jìn)行水壓試驗(yàn)，符合要求后再進(jìn)行外層鋼帶的纏繞。內(nèi)襯和纏繞層的制作如圖2、圖3所示。制造完畢的容器如圖4所示。

圖2 內(nèi)襯制成圖

對(duì)繞帶預(yù)應(yīng)力的控制尤其嚴(yán)格，為此專門對(duì)繞帶機(jī)床進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)鋼帶的拉緊力進(jìn)行了嚴(yán)格控制，保障了容器器壁的應(yīng)力分布按設(shè)計(jì)要求。

容器制造完成后，進(jìn)行了100 MPa的水壓試驗(yàn)，對(duì)容器的強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行了檢驗(yàn)，確保容器操作時(shí)安全可靠。

該高壓儲(chǔ)氫容器具有以下特點(diǎn)：一是繞帶與內(nèi)襯可以選用不同的材料，即容器的內(nèi)襯選用耐氫腐蝕的不銹鋼，而繞帶層可以采用其他低成本、高強(qiáng)度鋼，同時(shí)容器的焊縫減少50%以上，大大降低了容器成本。二是具有抑爆功能，容易實(shí)現(xiàn)在線安全監(jiān)控，繞帶間的空隙天然提供了泄漏通道，一旦內(nèi)襯失效，安裝于外保護(hù)層內(nèi)的傳感器立即可以檢測到，有足夠時(shí)間采取相應(yīng)的安全措施，從而實(shí)現(xiàn)抑爆、在線監(jiān)控。三是繞帶容器上的最終應(yīng)力分布通過調(diào)節(jié)鋼帶的纏繞預(yù)應(yīng)力和傾角實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化：與氫接觸的內(nèi)襯在操作壓力下可以處于低應(yīng)力狀態(tài)，而繞帶層處于等強(qiáng)度狀態(tài)，這對(duì)提高容器的疲勞壽命，減緩氫應(yīng)力腐蝕是十分有利的，也是其他結(jié)構(gòu)的高壓儲(chǔ)氫容器難以實(shí)現(xiàn)的。

圖3 鋼帶纏繞完畢圖

圖4 容器制造完畢圖

3 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

70 MPa氫環(huán)境疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)的測量控制系統(tǒng)主要是采用氣動(dòng)球閥來控制充放氣過程；用工控機(jī)系統(tǒng)來采集充放氣過程中的數(shù)據(jù)；用氫濃度探頭監(jiān)控現(xiàn)場的氫氣泄漏；采用攝像頭來監(jiān)視試驗(yàn)現(xiàn)場的情況；用聲發(fā)射傳感器監(jiān)測試驗(yàn)過程中的氣瓶性能。

數(shù)據(jù)采集的量主要有：溫度數(shù)據(jù)包括高壓儲(chǔ)氫罐氣源溫度，儲(chǔ)氫氣瓶內(nèi)氣體溫度，氣瓶內(nèi)襯外壁面溫度，儲(chǔ)氫容器外壁面溫度等；壓力數(shù)據(jù)包括高壓儲(chǔ)氫罐氣源壓力，充放氣孔板前后壓力，儲(chǔ)氫氣瓶內(nèi)氣體壓力等；氫濃度也在數(shù)據(jù)采集、測量的范圍之內(nèi)。聲發(fā)射檢測裝置和內(nèi)窺鏡分別采用單獨(dú)的采集或處理設(shè)備。

試驗(yàn)測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測量界面和相應(yīng)的處理系統(tǒng)是采用LabView自行研制的，如圖5所示。該控制系統(tǒng)對(duì)快速充放氣疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)有很強(qiáng)的針對(duì)性，將來也可修改用于加氫站的測控系統(tǒng)中，對(duì)我國自行發(fā)展加氫設(shè)備具有重要的意義。

圖5 控制系統(tǒng)界面

4 整體氫環(huán)境疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)的建立

根據(jù)圖1工作原理，對(duì)整個(gè)70 MPa高壓氫環(huán)境疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與安裝，該疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)安裝在北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，并進(jìn)行了多個(gè)70 MPa復(fù)合材料高壓儲(chǔ)氫容器的試驗(yàn)應(yīng)用，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)安裝實(shí)景

該系統(tǒng)達(dá)到了以下指標(biāo)：

（1）疲勞系統(tǒng)能同時(shí)進(jìn)行氫環(huán)境疲勞試驗(yàn)的氣瓶達(dá)到5個(gè)，試驗(yàn)氣瓶 （容器）的總?cè)莘e小于100 L；每5 min充放氫疲勞循環(huán)1次；氫介質(zhì)的泄漏量控制在0.5%以下。

（2）氫介質(zhì)疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)可達(dá)到的最高試驗(yàn)壓力70 MPa；快速充放氣最高速率≥3 kg/min。

（3）疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)的操作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、手動(dòng)雙模式控制；整個(gè)疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)的有氫環(huán)境區(qū)域與人工操作區(qū)域?qū)崿F(xiàn)物理隔開，有氫環(huán)境區(qū)域?qū)崿F(xiàn)防爆安全保護(hù)，確保人員和生產(chǎn)設(shè)施的安全。

5 結(jié)論

高壓儲(chǔ)氫容器的氫環(huán)境疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)之前在國內(nèi)還處于空白，大多以液壓試驗(yàn)系統(tǒng)來替代。由于氫環(huán)境的特殊性和車載移動(dòng)式高壓儲(chǔ)氫氣瓶的安全需要，真實(shí)氫環(huán)境的疲勞試驗(yàn)十分有必要，因此研制70 MPa氫環(huán)境疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)是有必要的。

通過對(duì)70 MPa氫環(huán)境疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)的研制，最后建立了一套可用于100 L以下各種氣瓶進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的系統(tǒng)，并留有5個(gè)氣瓶接口，最多可進(jìn)行5只氣瓶的疲勞試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)的頻率為每5 min 1次，最大充氫量達(dá)到3 kg/min，并且實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種控制模式，試驗(yàn)區(qū)域和控制區(qū)域相互隔離。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)投入試驗(yàn)應(yīng)用。

[1]毛宗強(qiáng).世界各國加快氫能源市場化步伐——記第18

屆世界氫能大會(huì)（WHEC 2010）[J].中外能源，2010（7）： 29-34.

[2]Zuttel， Andreas.Materials for hydrogen storage[J].Material Today， 2003， 6 (9)： 24-33．

[3]盂慶云.關(guān)于氫能在未來交通領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展方向的思考 [J].中國新能源，2010（1）：1-3.

[4]毛宗強(qiáng).我國發(fā)展氫能的戰(zhàn)略建議——從 “淺綠”到“深綠” [J].太陽能，2009（2）：1-4.

[5]Chen Jiachang.Hydrogen energy vision and technology roadmap report for China[A].IPHE ILC Meeting[C].Brazil,March,2005：22-23.

[6]鄭傳祥，楊帆.儲(chǔ)氫容器氫環(huán)境疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)：中國，200810060100.8[P].2008-3-6.

[7]劉玉虎，邢科禮，王祖林，等.高壓氣瓶疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā) [J].機(jī)床與液壓，2008（6）：88-90.

[8]Zheng Chuanxiang， LeiShaohui.Optimalwinding conditions of flat steel ribbon wound pressure vessels with controllable stresses[J].Journal of Applied Mechanics,Transactions ASME， 2008 （7） .

[9]Zheng Chuanxiang.Research on reasonable winding angle of ribbons of flat steel ribbon wound pressure vessel[J].Journal of Zhejiang University,Science A,2006， 3：445-449.

[10]John A Eihusen.Application of plastic-lined composite pressure vessels for hydrogen storage.General Dynamics Armament and Technical Products,Lincoln,Nebraska,USA,2007.

Hydrogen Environment Fatigue Test System Development of High Pressure Hydrogen Storage Vessels

Yang Yang Ye LeiZhou WeiweiZheng Chuanxiang

Based on the design and manufacture of 70 MPa hydrogen environment fatigue test system， a 80 MPa flat steel ribbon wound pressure vessel for storing higher pressure hydrogen was researched. The low stresses of vessel inner shell and reasonable distribution of steel ribbon layers stress were achievde through adjusting prestress of the flat steel ribbon.Meanwhile,the control system of fatigue test system was designed with manual and automatic run methods to satisfy different needs.This system is the only one that can detect fatigue life under hydrogen environment,and it has been put into application.

Hydrogen storage vessel;Fatigue;Hydrogen environment;Pressure vessel

TQ 052.4

*楊揚(yáng)，男，1955年生，工程師。揚(yáng)州市，225115。

2011-09-12）