大容積厚壁高壓儲氫鋼內膽的加工工藝的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于大容量高壓儲氣設備的領域,具體涉及一種大容量高壓儲氫鋼內膽的加工工藝,容積達到500L以上。
【背景技術】
[0002]隨著新能源技術的發(fā)展,特別是氫能源技術的突破,用于儲運氫氣的大容積容器的需求量隨之增加。由于氫氣的液化溫度較低(-252.8°C),因此實現儲存與運輸,最簡單、實用和經濟的方法是提高氫氣的儲運壓力。其中,大容量全纏繞高壓儲氫容器可用于高壓、大容積儲氫。由于金屬材料性能的限制,大容量儲氫內膽的研制受到限制,直徑小、管壁厚、容積難以突破,是這類容器的特點。
[0003]現階段,儲氫容器的結構一般采用碳纖維纏繞鋁合金內膽,但是其容積較小,一般在120L以下,承壓能力在20~35MPa,不適用大規(guī)模儲氫、運輸使用。提高容器的儲氫能力,一方面可以通過提高儲氫容器的容積,另一方面可以增大儲氫容器的承壓能力。而上述兩個方面的提高,不是僅僅增大容器容積、增加壁厚即可解決,受旋壓工藝、儲氫容器的密封性能等諸多制約因素。
[0004]鋼內膽全纏繞高壓儲氫容器的承壓因鋼質內膽為全纏繞且承壓超高,所以鋼質內膽設計壁厚較厚、大于20mm ;內膽兩端設計成碟形瓶肩外形、瓶頸壁厚為鋼內膽壁厚的1.5-2.5倍;因工作壓力大,瓶頸內螺紋剪切應力大,螺紋長,所以瓶頸的直邊長度一般不小于100mm的特點,相比常規(guī)高壓氣瓶產品,旋壓難度非常大,致使旋壓出現許多質量問題,如旋中鋼管前后竄動造成旋壓未成形;旋后內孔大不能滿足設計工藝機加工要求;旋壓時沖擊震動較大易損傷設備等。該項目能否成功的關鍵是:瓶頸內膽的端部旋壓收口尺寸和碟形瓶肩外形。
【發(fā)明內容】
[0005]本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種大容量高壓儲氫鋼內膽的旋壓工藝,其通過控制旋壓的工藝參數,實現對大容積、厚壁、長端口的鋼內膽旋壓。
[0006]為解決上述技術問題,本發(fā)明采用的技術方案是:
一種大容積厚壁高壓儲氫鋼內膽的加工工藝,選用無縫鋼管坯料經兩端旋壓縮口而成,所述鋼內膽設計水容積不小于500L、厚度不小于15mm,旋壓工藝包括以下步驟:
步驟一、將無縫鋼管坯料的收口段加熱到1000~1180°C ;
步驟二、旋壓封頭和聚料頭:對所述收口段進行補熱,用旋壓機主軸卡爪夾緊無縫鋼管坯料外壁,并以180~220r/min的轉速旋轉,同時將旋輪的工作面靠近無縫鋼管坯料收口段外壁、對其進行7?8道次半球形旋壓;每道次中,模座沿無縫鋼管坯料軸向進給后,旋輪臂帶動旋輪按照圓弧軌跡從無縫鋼管坯料軸線垂直位置起始、以0.10-0.14rad/s的速度擺動設計角度,再按照相同的軌跡以0.25-0.35rad/s的轉速回位;其中,第1~3道次旋輪臂擺動的角度為45~55°,其后各道次中,旋輪臂擺動的角度依次增加4~8°,最后一次擺動的角度為60~82°,形成半球形封頭圓滑外延一聚料頭的結構;
步驟三、聚料頭增厚:繼續(xù)補熱使收口段溫度保持在950~1180°C,旋輪臂帶動旋輪按照圓弧軌跡以0.10-0.14rad/s的速度進行5~6道次旋壓,每道次步進量與收口段壁厚的比值為0.74-0.52:1,聚料頭的壁厚逐次增加為無縫鋼管坯料壁厚的1.3-2.5倍;
步驟四、將旋輪臂首先擺動0.1-0.5rad,然后模座沿無縫鋼管坯料軸線方向的進給、同時旋輪臂帶動旋輪擺動旋壓,經2~3道次形成橢球形瓶肩圓滑外延一直段瓶頸的結構;按照相同旋壓工藝完成無縫鋼管坯料兩端頭的縮口成型。
[0007]優(yōu)選的,所述加工工藝還包括以下步驟:
步驟五、將步驟四中的瓶頸平頭、磨削去除瓶肩內外壁上可能出現的褶皺、拋丸處理,形成旋壓氣瓶;
步驟六、將旋壓氣瓶加熱至935~965°C,保溫時間60~100min后出爐淬火,完成淬火后立即進行回火處理,回火加熱溫度為620~690°C,保溫時間40~80min,出爐后在空氣中自然冷卻;
步驟七、對瓶頸內、外壁分別加工螺紋,然后進行二次拋丸處理。
[0008]所述大容積厚壁高壓儲氫鋼內膽的容積大于500L、壁厚大于20mm,該類鋼內膽的旋壓,內壁褶皺是需要解決的技術問題,而且為了承載較高的壓力,要求瓶頸內螺紋剪切應力大,因此需要螺紋長,瓶頸直徑大于80_、長度大于100_,這都對旋壓提出了很高的要求。上述技術方案中,經過多道次、步進量及進給速度的控制,首先形成了聚料頭,然后經過5-6道次的壁厚增加及瓶頸延長的處理,形成了大容積厚壁的高壓鋼內膽。
[0009]采用上述技術方案產生的有益效果在于:(1)采用本發(fā)明的成功旋壓了一種大容積、壁厚的鋼內膽,經過檢測表明:內、外壁未發(fā)現明顯脫碳層;(2)瓶頸較大的長徑比一方面加長了瓶頸內部螺紋長度,使端塞與瓶頸的配合能夠承受高于87.5MPa的高壓,另一方面可保證纏繞層在容器封頭纏繞時根部纏繞層的有效堆積,達到設計要求,長瓶頸和厚頸壁同時保證對旋壓工藝提供了挑戰(zhàn),本發(fā)明通過首先形成聚料頭,利用聚料頭凝固快,降溫也較快,變形抗力大增,后續(xù)的高溫金屬在旋輪作用下流動成形時聚料頭就像一堵墻,擋住了后續(xù)金屬向前的流動,使不斷流動的金屬只能在聚料頭和瓶體之間聚集增厚并形成直邊段。
【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明的剖視結構示意圖;
圖2~圖5分別是步驟二、步驟三、步驟四和步驟五的端部旋壓的剖視結構示意圖;
圖6本發(fā)明中鋼內膽端口解剖的圖片;
圖7是本發(fā)明的鋼內膽水壓爆破試驗后的圖片;
其中,2-1、瓶身,2-2、瓶肩,2-2A、封頭,2-3、瓶頸,2-3A、聚料頭。
【具體實施方式】
[0011]本實施例中以直徑為600_、長度為3200_的無縫鋼管還料的旋壓為例,詳細介紹鋼內膽的加工工藝,將上述無縫鋼管坯料經兩端旋壓縮口而成,其加工工藝包括以下步驟: 步驟一、將無縫鋼管坯料的收口段加熱到1000~1180 °C;收口段的長度約為400~700mm。為了降低金屬變形抗力,降低旋壓沖擊力,有效保護設備,整個旋壓過程中需對加熱變形區(qū)域進行補熱,降低旋壓變形區(qū)域的降溫速度,并對終旋溫度做出規(guī)定,一般不低于900°C。
[0012]步驟二、旋壓封頭2-2A和聚料頭2-3A:對所述收口段進行補熱,用旋壓機主軸卡爪夾緊無縫鋼管坯料外壁,并以180~220r/min的轉速旋轉,同時將旋輪的工作面靠近無縫鋼管坯料收口段外壁對其進行7?8道次半球形旋壓;每道次中,模座沿無縫鋼管坯料軸向進給后,旋輪臂帶動旋輪按照圓弧軌跡從與無縫鋼管坯料軸線垂直位置、以0.10-0.14rad/s的速度擺動設計角度,再按照相同的軌跡以0.25-0.35rad/s的轉速回位;其中,第1~3道次旋輪臂擺動的角度為45~55°,即旋輪臂從0°擺動45~55°,其后各道次中,旋輪臂擺動的角度依次增加4~8°,最后一次擺動的角度為60~82°,形成半球形封頭圓滑外延一聚料頭的結構,參見圖2。
[0013]通過7~8道次旋壓形成聚料頭2-3A,聚料頭的作用就是在旋壓氣瓶端部直邊部分時,由于聚料頭在鋼管變形區(qū)的最前端,凝固快,降溫也較快,變形抗力大增,后續(xù)的高溫金屬在旋輪作用下流動成形時聚料頭就像一堵墻,擋住了后續(xù)金屬向前的流動,使不斷流動的金屬只能在聚料頭和瓶體之間聚集增厚并形成直邊段。每道次步進量與收口段壁厚的比值為3.91-0.22:1 ;每道次步進量呈遞減趨勢,首次步進量較大,末次步進量較小。模座旋壓時的進給速度為200~500mm/min,返回進給速度為1000~3000mm/min。