CN114517888A - 一种基于自增强理论的站用储氢气瓶及储气瓶组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于自增强理论的站用储氢气瓶，包括瓶口阀和瓶体，瓶口阀包括扳手、阀体、旋塞、第一螺盖、第二螺盖，扳手与旋塞上端连接，旋塞下部置于阀体内部并通过压套进行连接，压套外侧设置有第一螺盖，阀体的下端部通过第二螺盖与瓶体相连接，瓶体经过自增强工艺处理。本发明还公开上述储氢气瓶组合而成的储气瓶组。通过本发明方案，提高了瓶口阀和瓶体之间的结合强度和密封性，另外对瓶体作自增强工艺处理，通过施加1.5‑1.6倍设计压力再卸压，降低气瓶整体应力水平，提高储氢气瓶的使用寿命。此外通过不同气瓶之间阀体两端的侧接口相互连接组成储气瓶组，并通过合金支架固定，实现储气瓶组组合运行，易埋藏于地下使用。

Description

一种基于自增强理论的站用储氢气瓶及储气瓶组
技术领域
本发明属于储氢气瓶技术领域，具体涉及一种基于自增强理论的站用储氢气瓶及储气瓶组。
背景技术
氢能作为一种高能量密度且无污染的二次清洁能源，未来其应用会在经济技术发展中占重要位置。且近年来，伴随着新能源汽车的发展，作为给燃料电池汽车提供氢气的基础设施，加氢站的数量也在不断增长。氢能全产业链包含制氢、氢储运和氢能利用三个关键环节。在氢能源发展方面，我国面临的最主要的挑战在于氢能的储运。国内目前主要有高压液态储氢、低温液态储氢、有机液态储氢、固体材料储氢4种储氢技术，其中高压气态储氢技术最为成熟，但是储氢的安全性方面存在瓶颈。为了稳定现有氢气储存量，提高储氢气瓶的安全性，超高压容器设备在化工与石油行业中得到了广泛的应用。对于厚壁气瓶，由于壁厚、形状复杂导致应力分布极不均匀，内壁应力远远高于外壁，易进入屈服阶段；此外由于毛坯材料尺寸大，在铸造锻压及热处理中常产生难以检测的缺陷而造成疲劳断裂破坏的隐患。现有站用储氢一般在60MPa以下，钢瓶厚度大，制造难度大。100MPa是发展趋势，需要更大厚度，旋压成型更难。因此如何有效减少作业成本、降低工艺难度、增大设备的疲劳寿命已然成为工程中待解决的问题。
发明内容
针对上述问题情况，本发明提供一种基于自增强理论的站用储氢气瓶及储气瓶组，解决现有技术中由于钢瓶厚度大而导致的成本高、制备工艺难度大以及疲劳寿命降低等技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于自增强理论的站用储氢气瓶，包括瓶口阀组件和瓶体，所述瓶口阀组件包括扳手、阀体、旋塞、第一螺盖、第二螺盖，所述扳手与旋塞的上端连接，旋塞的下部置于阀体内部并通过压套进行固定连接，压套外侧设置有第一螺盖，第一螺盖与阀体的上端部相连接，用于控制旋塞和压套配合的松紧程度，阀体的下端部通过第二螺盖与瓶体相连接。
作为进一步的技术方案，所述旋塞包括一体成型的上塞部和下塞部，上塞部的直径小于下塞部，上塞部的上端设置有卡接部，用于与扳手形成卡接，下塞部设置有贯穿的通孔，通孔位置到旋塞底端为空心圆筒结构。
作为进一步的技术方案，所述压套呈空心圆柱状结构，套设在上塞部的外侧，压套内径与上塞部的外径相匹配，压套上端设置有环形凸缘，所述环形凸缘卡接在阀体的上边缘处。
作为进一步的技术方案，所述阀体为十字形联通结构，阀体的左右两侧设有联通的侧接口，所述侧接口用于与其他气瓶或设备连接，阀体的内部设置有用于容纳旋塞的容腔，所述容腔的尺寸与旋塞相匹配。
作为进一步的技术方案，所述阀体的上端部和下端部设置有外螺纹，所述第二螺盖套设在阀体下端部的外侧，第二螺盖设置有内螺纹。
作为进一步的技术方案，所述瓶体的瓶口处内外两侧分别设置有瓶口内螺纹和瓶口外螺纹，所述瓶口内螺纹与阀体下端部的外螺纹相对应，所述瓶口外螺纹与第二螺盖的内螺纹相对应。
作为进一步的技术方案，在瓶口内螺纹的下部设置有密封槽，所述密封槽用橡胶圈填充，所述阀体的下端部末端与橡胶圈紧密密封。
作为进一步的技术方案，所述瓶体经过自增强工艺处理，具体过程包括如下步骤：
(1)通过塑性垮塌和弹塑性有限元分析，取径比k≈1.4，通过有限元分析软件确定自增强压力范围，并对最大自增强压力进行校核，避免塑性变形超过2％；计算不同自增强压力Pa对应的弹塑性分界面直径DP，同时计算出各自增强压力下的环向残余应力，并通过有限元分析避免出现包辛格效应；将环向应力进行拟合得到应力分布系数Ai，用于计算应力强度因子，最后根据pairs公式进行疲劳校核，计算许用循环次数，结果表明当自增强压力为1.5-1.6倍试验压力时，应力比越大，气瓶的疲劳寿命最大；
(2)向所述瓶体加入1.5-1.6倍试验压力，使瓶体内壁发生局部屈服，而外壁依然保持弹性；
(3)进行卸压，完成自增强工艺，通入工作压力正常使用。
本发明还提出了一种由上述基于自增强理论的站用储氢气瓶组合而成的储气瓶组，储氢气瓶之间通过输气管道和储氢气瓶阀体两侧的侧接口相连接。
作为进一步的技术方案，所述储气瓶组还设置有流量计和控制阀，所述储气瓶组侧面设置有合金支架，通过合金支架进行固定，储气瓶组的底部还设置有底座。
通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1)本发明中，瓶口阀组件与瓶体之间通过双螺纹结构连接固定，起到双重固定作用，防止二者脱离；
2)本发明中，瓶口阀可以通过转动扳手实现气体的进出，且通过阀体两端的侧接口与其它装置连接；合金支架实现储气瓶组组合运行，易埋藏于地下使用；
3)本发明中，通过在瓶体瓶口处设置三个密封槽，进一步提高结构的密封性能；
4)本发明中，通过对瓶体作自增强处理，施加1.5倍设计压力再卸压，实现最大程度上提高气瓶的使用寿命；
5)本发明中，通过自增强处理工艺，可以有效减少作业成本、减小气瓶厚度，降低旋压工艺难度。
附图说明
图1为本发明的站用储氢气瓶结构示意图；
图2为本发明的瓶口阀组件及瓶口部分剖面图；
图3为本发明的旋塞结构示意图；
图4为本发明的压套结构示意图；
图5为本发明的阀体结构剖面图；
图6为本发明的瓶体瓶口结构细节图；
图7为本发明的站用储气瓶组结构主视图；
图8为本发明的站用储气瓶组结构右视图；
图9为本发明瓶体自增强原理示意图；
图10为本发明最佳自增强工艺流程图；
图11为本发明对瓶体自增强处理后气瓶疲劳寿命提升示意图(应力比为0)；
图12为本发明对瓶体自增强处理后气瓶疲劳寿命提升示意图(应力比为0.56)；
图13为本发明对瓶体自增强处理后气瓶疲劳寿命提升示意图(应力比为0.7)；
图中：1、瓶口阀组件；11、扳手；12、阀体；121、侧接口；122、容腔；13、旋塞；131、上塞部；132、下塞部；133、卡接部；134、通孔；14、第一螺盖；15、第二螺盖；16、压套；161、环形凸缘；2、瓶体；21、瓶口；211、瓶口内螺纹；212、瓶口外螺纹；213、密封槽；3、储气瓶组；31、流量计；32、控制阀；33、合金支架；34、底座。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，一种基于自增强理论的站用储氢气瓶，包括瓶口阀组件1和瓶体2，其中瓶口阀组件1包括扳手11、阀体12、旋塞13、第一螺盖14、第二螺盖15，所述扳手11与旋塞13的上端连接，旋塞13的下部置于阀体12内部并通过压套16进行固定连接，压套16外侧设置有第一螺盖14，第一螺盖14与阀体12的上端部相连接，用于控制旋塞13和压套16配合的松紧程度，阀体12的下端部通过第二螺盖15与瓶体2相连接，所述瓶体2经过自增强工艺处理，。瓶体2为金属气瓶，通过旋压工艺一次成型。
如图2-图4所示，本发明的旋塞13包括一体成型的上塞部131和下塞部132，上塞部131的直径小于下塞部132，上塞部131的上端设置有卡接部133，用于与扳手11形成卡接，下塞部132设置有贯穿的通孔134，通孔134位置到旋塞底端为空心圆筒结构。所述压套16呈空心圆柱状结构，套设在上塞部131的外侧，压套16内径与上塞部131的外径相匹配，压套16上端设置有环形凸缘161，所述环形凸缘161卡接在阀体12的上边缘处，压套16的下边缘与下塞部132相接触。
参考图5，本发明的阀体12为十字形联通结构，阀体12的左右两侧设有联通的侧接口121，所述侧接口121可通过螺纹或螺栓与其他气瓶或设备连接，阀体12的内部设置有用于容纳旋塞13的容腔122，所述容腔122的尺寸与旋塞13相匹配。
本发明阀体12的上端部和下端部设置有外螺纹，所述第二螺盖15套设在阀体12下端部的外侧，第二螺盖15设置有内螺纹。
如图6所示，本发明瓶体2的瓶口21处内外两侧分别设置有瓶口内螺纹211和瓶口外螺纹212，所述瓶口内螺纹211与阀体12下端部的外螺纹相对应，所述瓶口外螺纹212与第二螺盖15的内螺纹相对应。在瓶口阀组件1与瓶体2进行连接时，一方面阀体12的下端部外螺纹与瓶口内螺纹211连接，另一方面第二螺盖15内螺纹与瓶口外螺纹212进行螺纹连接，双重的螺纹密封结构，起到双重固定作用，确保瓶口阀组件1与瓶体2不会发生脱离。
在瓶口内螺纹211的下部设置有密封槽213，所述密封槽213共三层，用橡胶圈填充，阀体12的下端部末端与橡胶圈紧密密封。
如图7和图8所示，一种站用储气瓶组，采用所述的基于自增强理论的站用储氢气瓶组合而成，储氢气瓶之间通过输气管道和储氢气瓶阀体12两侧的侧接口121相连接。通过转动扳手11控制旋塞13的转动，从而控制瓶体内气体的进出。输气管道用于气体在储气瓶组之间进行流动。
储气瓶组3还设置有流量计31和控制阀32，通过控制阀32控制气体的进出，通过流量计31控制气体进出的量，所述储气瓶组3侧面设置有合金支架33，通过合金支架33固定，储气瓶组3的底部设置有底座34。储气瓶组3通过合金支架33固定埋于地下。储气瓶组3底部设置为梯状，仅气瓶底部为实体，其他部分为空心结构，便于埋藏地下时更好的固定。
本发明创造性的将自增强理论用于储氢气瓶增强工艺，通过自增强工艺，提高了钢瓶的使用寿命。
自增强原理如图9所示，通过塑性垮塌和弹塑性有限元分析，取径比k≈1.4，通过有限元分析软件确定自增强压力范围(最小自增强压力使气瓶内壁达到屈服强度，最大自增强压力使气瓶完全屈服)，并对最大自增强压力进行校核，避免塑性变形超过2％。根据GB/T34019-2017计算不同自增强压力Pa对应的弹塑性分界面直径DP，同时计算出各自增强压力下的环向残余应力，并通过有限元分析避免出现包辛格(二次屈服)效应。将环向应力(环向残余应力)进行拟合得到对应的应力分布系数Ai，用于计算应力强度因子，最后根据pairs公式进行疲劳校核，计算许用循环次数。通过对比考虑自增强和不考虑自增强两种情况的计算结果，并结合实际情况(考虑工艺条件和安全隐患)确定最佳自增强压力。具体的最佳自增强工艺流程图如图10所示。
图11-13为计算结果的a-N曲线，其中图11为应力比为0时，图12为应力比为0.56时，图13为应力比为0.7时，N越大即疲劳寿命越大，则自增强提升效果越大，结果表明当自增强压力为1.5～1.6倍试验压力时，应力比越大，气瓶的疲劳寿命越大。
向所述瓶体2加入1.5～1.6倍试验压力，使瓶体内壁发生局部屈服，而外壁依然保持弹性。再进行卸压，完成自增强工艺，通入工作压力正常使用。(一般试验压力是工作压力的1.15到1.25，工作压力一般在90到100MPa)
本发明的瓶体2经自增强处理后，内壁塑性区域受到外壁弹性区域挤压产生残余压应力，相对应的，外壁产生残余拉应力。与工作压力产生的残余压应力相互抵消(叠加)，降低内壁区域应力水平，提高外壁区域应力水平，同时使应力最大点由内壁面向中心区域移动。有效降低气瓶整体应力水平，从而降低裂纹尖端处应力强度因子，减小裂纹扩展门槛值，提高气瓶使用寿命。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于自增强理论的站用储氢气瓶，其特征在于，包括瓶口阀组件(1)和瓶体(2)，所述瓶口阀组件(1)包括扳手(11)、阀体(12)、旋塞(13)、第一螺盖(14)、第二螺盖(15)，所述扳手(11)与旋塞(13)的上端连接，旋塞(13)的下部置于阀体(12)内部并通过压套(16)进行固定连接，压套(16)外侧设置有第一螺盖(14)，第一螺盖(14)与阀体(12)的上端部相连接，用于控制旋塞(13)和压套(16)配合的松紧程度，阀体(12)的下端部通过第二螺盖(15)与瓶体(2)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于自增强理论的站用储氢气瓶，其特征在于，所述旋塞(13)包括一体成型的上塞部(131)和下塞部(132)，上塞部(131)的直径小于下塞部(132)，上塞部(131)的上端设置有卡接部(133)，用于与扳手(11)形成卡接，下塞部(132)设置有贯穿的通孔(134)，通孔(134)位置到旋塞底端为空心圆筒结构。
3.根据权利要求2所述的一种基于自增强理论的站用储氢气瓶，其特征在于，所述压套(16)呈空心圆柱状结构，套设在上塞部(131)的外侧，压套(16)内径与上塞部(131)的外径相匹配，压套(16)上端设置有环形凸缘(161)，所述环形凸缘(161)卡接在阀体(12)的上边缘处。
4.根据权利要求1所述的一种基于自增强理论的站用储氢气瓶，其特征在于，所述阀体(12)为十字形联通结构，阀体(12)的左右两侧设有联通的侧接口(121)，所述侧接口(121)用于与其他气瓶或设备连接，阀体(12)的内部设置有用于容纳旋塞(13)的容腔(122)，所述容腔(122)的尺寸与旋塞(13)相匹配。
5.根据权利要求4所述的一种基于自增强理论的站用储氢气瓶，其特征在于，所述阀体(12)的上端部和下端部设置有外螺纹，所述第二螺盖(15)套设在阀体(12)下端部的外侧，第二螺盖(15)设置有内螺纹。
6.根据权利要求5所述的一种基于自增强理论的站用储氢气瓶，其特征在于，所述瓶体(2)的瓶口(21)处内外两侧分别设置有瓶口内螺纹(211)和瓶口外螺纹(212)，所述瓶口内螺纹(211)与阀体(12)下端部的外螺纹相对应，所述瓶口外螺纹(212)与第二螺盖(15)的内螺纹相对应。
7.根据权利要求6所述的一种自增强理论的站用储氢气瓶，其特征在于，在瓶口内螺纹(211)的下部设置有密封槽(213)，所述密封槽(213)用橡胶圈填充，所述阀体(12)的下端部末端与橡胶圈紧密密封。
8.根据权利要求1所述的一种基于自增强理论的站用储氢气瓶，其特征在于，所述瓶体(2)经过自增强工艺处理，具体过程包括如下步骤：
(1)通过塑性垮塌和弹塑性有限元分析，取径比k≈1.4，通过有限元分析软件确定自增强压力范围，并对最大自增强压力进行校核，避免塑性变形超过2％；计算不同自增强压力Pa对应的弹塑性分界面直径DP，同时计算出各自增强压力下的环向残余应力，并通过有限元分析避免出现包辛格效应；将环向应力进行拟合得到应力分布系数Ai，用于计算应力强度因子，最后根据pairs公式进行疲劳校核，计算许用循环次数，结果表明当自增强压力为1.5-1.6倍试验压力时，应力比越大，气瓶的疲劳寿命最大；
(2)向所述瓶体(2)加入1.5-1.6倍试验压力，使瓶体(2)内壁发生局部屈服，而外壁依然保持弹性；
(3)进行卸压，完成自增强工艺，通入工作压力正常使用。
9.一种站用储气瓶组，其特征在于，采用权利要求1-8中任意一项所述的基于自增强理论的站用储氢气瓶组合而成，储氢气瓶之间通过输气管道和储氢气瓶阀体(12)两侧的侧接口(121)相连接。
10.根据权利要求9所述的一种站用储气瓶组，其特征在于，所述储气瓶组(3)还设置有流量计(31)和控制阀(32)，所述储气瓶组(3)侧面设置有合金支架(33)，通过合金支架(33)进行固定，储气瓶组(3)的底部还设置有底座(34)。
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