一種大容量高壓儲(chǔ)氫容器纏繞復(fù)合殼層的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于大容量高壓儲(chǔ)氣設(shè)備制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大容量高壓儲(chǔ)氫容器中纏繞復(fù)合殼層的制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，特別是氫能源技術(shù)的突破，用于儲(chǔ)運(yùn)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)，液化的功耗很大。最簡單、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的氫氣儲(chǔ)運(yùn)方法任然是采用增大容量和提高耐壓水準(zhǔn)的高壓、常溫氣態(tài)運(yùn)輸。由于制造技術(shù)上的難度，大容量高壓儲(chǔ)氫氣瓶項(xiàng)目被列入863高科技追蹤計(jì)劃之中。
[0003]高壓金屬材料性能在目前的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中限定為70MPa。為保證安全，容器的直徑、管壁厚、容積均設(shè)置了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，是這類容器的特點(diǎn)。任何指標(biāo)的突破均會(huì)引起一系列的重大變化。目前關(guān)于提高壓力和容積上限的發(fā)明所伴隨的工藝變化巨大。
[0004]目前，隨著復(fù)合材料技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，借助復(fù)合條件下的強(qiáng)化手段提高產(chǎn)品氣瓶的容重比和承壓能力有了希望。眾多領(lǐng)域內(nèi)已廣泛使用復(fù)合強(qiáng)化工藝，完全可以用來強(qiáng)化金屬無縫內(nèi)膽的承壓能力和加大容積。按一定實(shí)驗(yàn)決定的特別技術(shù)手段和規(guī)律來復(fù)合纏繞高強(qiáng)度纖維與高性能增強(qiáng)樹脂固形成復(fù)合材料層成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)。
[0005]碳纖維即是用于以上工藝的理想材料。纏繞復(fù)合鋁合金內(nèi)膽已經(jīng)進(jìn)入應(yīng)用階段。但應(yīng)用實(shí)踐僅限于小容積，一般在120L以下，承壓能力低，一般20~35MPa。這與大規(guī)模儲(chǔ)氫、運(yùn)輸、使用的條件不能相比。提高容器的儲(chǔ)氫能力，要通過加大儲(chǔ)氫容器的容積，又要提高儲(chǔ)氫容器的承壓能力。而上述兩個(gè)方面的提高，不是增大容器容積的尺寸后、用增加器壁厚度即可以解決的。因?yàn)榧哟鬅o縫管壁厚首先遭遇的瓶頸技術(shù)即是厚壁管的乳制技術(shù)中均質(zhì)的問題。另由于儲(chǔ)氫容器的密封性能、自重以及纏繞時(shí)的瓶體結(jié)構(gòu)對(duì)大容積和高壓力形成諸多制約因素。壓力越大，對(duì)密封性能要求越高，相關(guān)的失效點(diǎn)變換與纏繞方式產(chǎn)生相當(dāng)大的關(guān)聯(lián)性；內(nèi)膽加厚管壁與旋壓過程中肩端和縮口處的工藝處理及材料的力學(xué)性能變化、對(duì)纏繞層的結(jié)構(gòu)和厚度設(shè)計(jì)要求產(chǎn)生不規(guī)則的變化；纏繞層的厚度也不是僅僅用增厚能解決的，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也受制于瓶體的結(jié)構(gòu)。所以，大容積、超高壓的氫氣瓶復(fù)合加工中的工藝方法研究已成為行業(yè)內(nèi)關(guān)注的課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的是提供一種大容量高壓儲(chǔ)氫容器中纏繞復(fù)合殼層的制作方法，通過旋壓制備無縫鋼內(nèi)膽，借助于在鋼內(nèi)膽的瓶體、瓶肩、瓶口處全方位高強(qiáng)纖維纏繞強(qiáng)化，使儲(chǔ)氫容器工作壓力可達(dá)lOOMPa，容積達(dá)到500L以上要求。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種大容量高壓儲(chǔ)氫容器纏繞復(fù)合殼層的制作方法，該方法基于經(jīng)旋壓成型并達(dá)到設(shè)計(jì)要求的鋼內(nèi)膽為胎，包括對(duì)于瓶口、瓶肩、瓶體三部位分別借助熱固性樹脂實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)纖維的包絡(luò)、固化的形成復(fù)合結(jié)構(gòu)的工藝，其關(guān)鍵在于上述方法中使用的步驟包括: 步驟一、鋼內(nèi)膽外表面處理:包括除油、凈化、防腐處理；
步驟二、在鋼內(nèi)膽外表面上制作隔離內(nèi)層:
經(jīng)樹脂浸漬、并經(jīng)壓乳處理的玻璃纖維束，從瓶左端口處沿軸向螺旋往復(fù)式環(huán)繞在瓶左端口、瓶左肩、瓶體部、瓶右肩、瓶右端口之間，形成厚度為2-6_玻璃纖維隔離內(nèi)層，步驟三、在隔離內(nèi)層上分段處理制作強(qiáng)力碳纖維復(fù)合層:
1)左、右端口強(qiáng)化復(fù)合層制作:經(jīng)浸漬樹脂、和壓乳成片狀的碳纖維束，在瓶左端口設(shè)計(jì)好的區(qū)域往復(fù)式螺旋纏繞、形成厚度為5-20mm厚度的左端口強(qiáng)力復(fù)合層，左端口強(qiáng)力復(fù)合層端面距離瓶左肩5-15mm形成變向方位槽；借助變向方位槽將碳纖維束導(dǎo)引至瓶右端口 ；用同樣的步驟對(duì)稱繞制對(duì)稱位置上的右端口強(qiáng)力復(fù)合層；
2)左、右瓶肩強(qiáng)化復(fù)合層預(yù)制作:借助變向方位槽的轉(zhuǎn)向設(shè)定碳纖維束的纏繞螺旋角變化增量實(shí)現(xiàn)左、右端口之間的往復(fù)式纏繞，達(dá)到對(duì)左、右瓶肩的全覆蓋、并使所形成的左、右瓶肩強(qiáng)化復(fù)合層的厚度達(dá)到設(shè)計(jì)厚度的70%-85% ;
3)瓶體強(qiáng)化復(fù)合層的制作:借助于變向方位槽實(shí)現(xiàn)瓶體端頭處反繞螺旋角的設(shè)定，在整個(gè)瓶體范圍實(shí)現(xiàn)螺旋角為48-65°的往復(fù)式纏繞，在形成瓶體強(qiáng)化復(fù)合層設(shè)計(jì)厚度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)左、右瓶肩強(qiáng)化復(fù)合層的加厚；
步驟四、在強(qiáng)力碳纖維復(fù)合層外表面上制作保護(hù)層:
經(jīng)樹脂浸漬、并經(jīng)壓乳處理的玻璃纖維束，從瓶左端口處沿軸向螺旋往復(fù)式環(huán)繞在瓶左端口、瓶左肩、瓶體部、瓶右肩、瓶右端口之間，形成厚度為4-10_玻璃纖維保護(hù)外層；步驟五、將纏繞好復(fù)合層的鋼內(nèi)膽置入固化爐中烘干、固化，整形處理。
[0008]進(jìn)一步:在步驟三中，在鋼內(nèi)膽瓶肩和瓶體交接部位鋪放由單向纖維布浸漬纖維膠液預(yù)制而成的纖維補(bǔ)強(qiáng)層。
[0009]在步驟三中，在鋼內(nèi)膽瓶肩和瓶口交接部位鋪放由單向纖維布浸漬纖維膠液預(yù)制而成的纖維補(bǔ)強(qiáng)層。
[0010]在步驟三中，強(qiáng)力碳纖維復(fù)合層的纏繞厚度為30-80mm，并在強(qiáng)力碳纖維復(fù)合層纏繞過程中厚度過半時(shí)，將鋼內(nèi)膽置入固化爐內(nèi)，采用80-100°的爐溫進(jìn)行預(yù)固化處理，預(yù)固化程度以膠液出現(xiàn)凝膠狀態(tài)為止。
[0011]在步驟三中，強(qiáng)力碳纖維復(fù)合層的纏繞過程中噴涂短碳纖維或晶須。
[0012]在步驟五中固化爐中采用階梯固化處理方式，最高固化溫度在100-180°之間，處理時(shí)間為6~18h。
[0013]采用上述技術(shù)方案產(chǎn)生的有益效果在于:(1)采用本發(fā)明的纏繞復(fù)合殼層的制作方法制備的大容量高壓儲(chǔ)氫容器，可滿足大容量高壓儲(chǔ)氫容器的承壓壓力壓力達(dá)92MPa，容積達(dá)到500L以上的技術(shù)要求；(2)通過在強(qiáng)力碳纖維復(fù)合層的纏繞過程中噴涂碳纖維或晶須，提高了強(qiáng)力碳纖維復(fù)合層的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗彎曲、拉伸的能力；(3)在鋼內(nèi)膽瓶肩和瓶口直段交接部位和鋼內(nèi)膽瓶肩和瓶口交接部位增設(shè)纖維補(bǔ)強(qiáng)層，進(jìn)一步加強(qiáng)了鋼內(nèi)膽屈服薄弱點(diǎn)的承壓能力。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是圖1中A的放大示意圖； 圖3是鋼內(nèi)膽水壓爆破試驗(yàn)結(jié)果圖；
圖4是左、右端口強(qiáng)化復(fù)合層和左、右瓶肩強(qiáng)化復(fù)合層的制作示意圖；
圖5是左、右瓶肩強(qiáng)化復(fù)合層的制作效果左視圖；
圖6是瓶體強(qiáng)化復(fù)合層的制作示意圖；
圖7是高壓儲(chǔ)氫容器水壓爆破試驗(yàn)結(jié)果圖；
其中是鋼內(nèi)膽，1-1是玻璃纖維隔離內(nèi)層，1-2是強(qiáng)力碳纖維復(fù)合層，1-2-1是左端口強(qiáng)力復(fù)合層，1-2-2是右端口強(qiáng)力復(fù)合層，1-2-3是變向方位槽，1-2-4是左瓶肩強(qiáng)化復(fù)合層，1-2-5是右瓶肩強(qiáng)化復(fù)合層，1-2-6是瓶體強(qiáng)化復(fù)合層，1-3是玻璃纖維保護(hù)外層。
【具體實(shí)施方式】
[0015]本實(shí)施例中鋼內(nèi)膽1材料選用鉻鉬鋼4130X，該種材料具有強(qiáng)度高，韌性好，耐氫脆性能，為國內(nèi)外充裝天然氣和氫氣的成熟鋼材。旋壓成型后的鋼內(nèi)膽1尺寸數(shù)據(jù)為直徑559mm、長度3200mm和容積583L。將本實(shí)施例旋壓制備的鋼內(nèi)膽1進(jìn)行水壓爆破試驗(yàn)，爆破后的照片參見圖3，結(jié)果表明:破口長度925mm、寬度535mm，破口位置:縱向，鋼內(nèi)膽的筒體部位破裂，破口特征為剪切口，實(shí)際爆破壓力為75.22MPa，屈服壓力為69.34MPa，容積變形率12.1%，總升壓時(shí)間3987s。以上結(jié)果表明:旋壓成型的瓶肩和瓶頸未出現(xiàn)缺陷，強(qiáng)度符合要求；鋼內(nèi)膽1的屈服薄弱點(diǎn)主要表現(xiàn)為鋼內(nèi)膽1瓶體的徑向承受能力不夠。
[0016]為滿足大容量高壓儲(chǔ)氫容器的承壓壓力達(dá)90MPa的技術(shù)要求，需采用在鋼內(nèi)膽1外壁纏繞強(qiáng)化復(fù)合殼層來加強(qiáng)承壓能力和克服鋼內(nèi)膽1本身存在的屈服薄弱點(diǎn)。根據(jù)有限元分析計(jì)算和鋼內(nèi)膽1水壓爆破試驗(yàn)綜合分析表明鋼內(nèi)膽1的屈服薄弱點(diǎn)包括瓶體的徑向承受能力、瓶肩軸向承受能力、瓶□徑向承受能力。
[0017]綜上所述，參看附圖1-2，將纏繞復(fù)合殼層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為由內(nèi)至外依次包括2-6_玻璃纖維隔離內(nèi)層1-1、30-80_強(qiáng)力碳纖維復(fù)合層1-2和2-6_玻璃纖維保護(hù)外層1_3。因內(nèi)膽為鋼內(nèi)膽，強(qiáng)力碳纖維復(fù)合層1-2為碳纖維/環(huán)氧樹脂，為避免二者之間產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)強(qiáng)力碳纖維復(fù)合層1-2的保護(hù)，在強(qiáng)力碳纖維復(fù)合層1-2的內(nèi)側(cè)增加玻璃纖維隔離內(nèi)層1-1 ;另外，碳纖維材料雖然有較高的強(qiáng)度，但耐沖擊性能較弱，在強(qiáng)力碳纖維復(fù)合層1-2的外側(cè)增加玻璃纖維保護(hù)外層1-3，避免強(qiáng)力碳纖維復(fù)合層1-2直接與外部環(huán)境的接觸并免受磕碰、劃傷。
[0018]參看附圖4-6，為滿足