高壓儲氫容器氫環(huán)境疲勞試驗系統(tǒng)研制

楊 揚 葉 雷 周威威 鄭傳祥

（揚州秋源壓力容器有限公司) （杭州市工業(yè)資產經營投資集團有限公司） （浙江大學化工機械研究所）

高壓儲氫容器氫環(huán)境疲勞試驗系統(tǒng)研制

楊 揚*葉 雷 周威威 鄭傳祥

（揚州秋源壓力容器有限公司) （杭州市工業(yè)資產經營投資集團有限公司） （浙江大學化工機械研究所）

通過對70 MPa氫環(huán)境疲勞試驗系統(tǒng)的設計和制造，研制了80 MPa扁平鋼帶纏繞式高壓儲氫容器，利用鋼帶預應力的調節(jié)實現(xiàn)了容器壁內襯低應力、繞帶層等應力的合理應力分布。設計了疲勞試驗系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)手動和自動控制兩種控制模式，以滿足不同的試驗需要。該系統(tǒng)是目前國內惟一的一套可用于真實氫環(huán)境疲勞試驗的系統(tǒng)，已投入應用。關鍵詞 儲氫容器 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。氫能利用的核心技術為氫的制備、氫的儲運、氫能的轉化利用，而其中氫的儲運是目前投入最大、難度最大的部分。氫的儲運方式有金屬氫化物儲存、低溫液化儲存、吸附儲存和高壓儲存等方式，其中高壓儲存因其簡單、直接、最接近產業(yè)化而應用最廣泛，但是高壓儲存存在一定的危險性。對于車載高壓儲氫容器而言，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)的疲勞試驗限于設備和成本，一般用液壓來替代。由于氫具有一定的腐蝕性，加上高應力作用，所以氫環(huán)境下疲勞行為十分復雜。為了解決這個問題，有必要對這類容器在氫環(huán)境下的疲勞進行試驗研究，因此建立這樣的試驗系統(tǒng)十分必要[1-5]。

1 系統(tǒng)的總體設計

目前國際上車載高壓儲氫容器的壓力已經達到70 MPa，這也是高壓儲氫的臨界壓力，因為更高壓力對增加儲氫量已經十分有限。本研究根據(jù)70 MPa氫環(huán)境疲勞試驗系統(tǒng)的要求，結合安裝地北京航天試驗技術研究所的實際需要，經過雙方科研人員的反復磋商，最后確定了整個試驗系統(tǒng)，如圖1所示。其工作原理如下：80 MPa的高壓氫源通過氣動閥門和孔板流量計，將氫充入車載高壓儲氫容器，達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，氣瓶壓力降低到1 MPa以下；緩沖罐內的低壓氫氣通過高壓泵再充入到80 MPa高壓儲氫罐內，完成一個循環(huán)，接著進行下一個疲勞循環(huán)。這套高壓氫環(huán)境疲勞試驗系統(tǒng)在國內外都是絕無僅有的，具有完全自主知識產權。研制這套系統(tǒng)需要解決幾個核心難題：80 MPa以上的高壓儲氫容器的研制，氫安全監(jiān)控，以及自動控制系統(tǒng)[6-7]。

2 80 MPa以上繞帶式高壓儲氫容器的研制

2.1 整體抗氫腐蝕和氫滲透設計

氫是一種滲透性很強的氣體，在一定條件下對鋼材具有一定的脆化作用，也叫氫脆。為了解決這個問題，在整體設計中，采用了1Cr18Ni9不銹鋼內襯，外加Q345制成全雙層整體內筒，經過各項檢驗后，按照等強度筒體進行預應力優(yōu)化纏繞。封頭采用半球形封頭，并分成二層整體沖壓成型，球形封頭外側加工鋼帶纏繞焊接斜面。

這個結構具有抗氫、抑爆的特點：氫完全與對氫敏感的高強度鋼隔開，即使由于各種原因發(fā)生泄漏，氫氣會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外殼內的壓力傳感器還可以方便地進行檢測；該結構可以實現(xiàn)在線實時安全監(jiān)控。

2.2 預應力纏繞等強度筒體的優(yōu)化設計

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

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

式中 σθ、σr、σz——容器的周向、徑向、軸向應力， MPa；

σ、σpre、σp——容器最終應力、預應力、內壓引起的應力，MPa。

通過矩陣變換和應力疊加后，可得到容器壁最終應力的表達式：

由內壓引起的筒壁上的應力是一定的。如果要達到內襯處于低應力狀態(tài)、繞帶層處于等應力分布狀態(tài)，通過調節(jié)鋼帶預應力即可實現(xiàn)所需的最終應力分布。

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

因為σp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)向應力為σθ， 則σpre可由式 （1） 求出：

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

根據(jù)鋼帶纏繞拉力與容器應力的力學關系，可以從以上公式計算所需的纏繞預應力T。

繞帶容器的軸向應力與環(huán)向應力有一定的關聯(lián)，即其大小可通過傾角α來相互關聯(lián)。設計時一般使軸向強度略強于環(huán)向強度，故可選定軸向強度的目標值，如使軸向應力為環(huán)向應力的0.9倍，然后通過不斷改變傾角α的值來逼近，直到達到規(guī)定要求。由于徑向應力的值相對較小，在設計中其值不作控制，由三向應力自動協(xié)調。文獻 [8]詳細介紹了通過扁平鋼帶上預應力控制達到控制容器應力分布的方法與流程。

為了能夠實現(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，高壓儲氫容器內的壓力由工作壓力80 MPa下降到72 MPa，以確保氣瓶能夠充滿。根據(jù)分析設計的結果，內襯為厚8 mm的1Cr18Ni9不銹鋼和厚25 mm的Q345鋼復合雙層結構，其繞帶層數(shù)是36層，每層鋼帶的厚度是4 mm。根據(jù)內襯處于低應力和繞帶層等強度的設計要求，計算出各層鋼帶的纏繞預應力T為：

由此可見，該容器實現(xiàn)了內筒低應力、繞帶層等強度的要求。

2.4 全雙層封頭抗爆技術應用

繞帶式高壓容器的封頭是另一個需要解決的難題。目前，大多數(shù)繞帶式壓力容器均采用平封頭，結構十分笨重，成本也高，且一旦隱含裂紋，存在整體貫穿裂紋的可能，裂紋擴展具有非自限性。本高壓儲氫容器采用全雙層化的半球形封頭，通過沖壓成型、機加工后，與內襯筒節(jié)焊接制成內筒。該半球形封頭具有以下特點：應力分布均勻；封頭上隱含的缺陷如果擴展，不會貫穿整個封頭厚度，被局限于該層內；內襯泄漏后可以通過封頭上的小孔進行檢測，確保使用安全。

2.5 制造過程和檢查

本設備是目前國內壓力最高的繞帶式儲氫容器，在優(yōu)化設計和制造上都有較大的改進。為了確保研究目標的完成，對制造過程進行了全程監(jiān)督和檢驗。內襯容器制造完畢后，進行水壓試驗，符合要求后再進行外層鋼帶的纏繞。內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 內襯制成圖

對繞帶預應力的控制尤其嚴格，為此專門對繞帶機床進行了改進，對鋼帶的拉緊力進行了嚴格控制，保障了容器器壁的應力分布按設計要求。

容器制造完成后，進行了100 MPa的水壓試驗，對容器的強度指標進行了檢驗，確保容器操作時安全可靠。

該高壓儲氫容器具有以下特點：一是繞帶與內襯可以選用不同的材料，即容器的內襯選用耐氫腐蝕的不銹鋼，而繞帶層可以采用其他低成本、高強度鋼，同時容器的焊縫減少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，一旦內襯失效，安裝于外保護層內的傳感器立即可以檢測到，有足夠時間采取相應的安全措施，從而實現(xiàn)抑爆、在線監(jiān)控。三是繞帶容器上的最終應力分布通過調節(jié)鋼帶的纏繞預應力和傾角實現(xiàn)了優(yōu)化：與氫接觸的內襯在操作壓力下可以處于低應力狀態(tài)，而繞帶層處于等強度狀態(tài)，這對提高容器的疲勞壽命，減緩氫應力腐蝕是十分有利的，也是其他結構的高壓儲氫容器難以實現(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)的實現(xiàn)

70 MPa氫環(huán)境疲勞試驗系統(tǒng)的測量控制系統(tǒng)主要是采用氣動球閥來控制充放氣過程；用工控機系統(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)視試驗現(xiàn)場的情況；用聲發(fā)射傳感器監(jiān)測試驗過程中的氣瓶性能。

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

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

圖5 控制系統(tǒng)界面

4 整體氫環(huán)境疲勞試驗系統(tǒng)的建立

根據(jù)圖1工作原理，對整個70 MPa高壓氫環(huán)境疲勞試驗系統(tǒng)進行了設計與安裝，該疲勞試驗系統(tǒng)安裝在北京航天試驗技術研究所，并進行了多個70 MPa復合材料高壓儲氫容器的試驗應用，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)安裝實景

該系統(tǒng)達到了以下指標：

（1）疲勞系統(tǒng)能同時進行氫環(huán)境疲勞試驗的氣瓶達到5個，試驗氣瓶 （容器）的總容積小于100 L；每5 min充放氫疲勞循環(huán)1次；氫介質的泄漏量控制在0.5%以下。

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

（3）疲勞試驗系統(tǒng)的操作實現(xiàn)自動、手動雙模式控制；整個疲勞試驗系統(tǒng)的有氫環(huán)境區(qū)域與人工操作區(qū)域實現(xiàn)物理隔開，有氫環(huán)境區(qū)域實現(xiàn)防爆安全保護，確保人員和生產設施的安全。

5 結論

高壓儲氫容器的氫環(huán)境疲勞試驗系統(tǒng)之前在國內還處于空白，大多以液壓試驗系統(tǒng)來替代。由于氫環(huán)境的特殊性和車載移動式高壓儲氫氣瓶的安全需要，真實氫環(huán)境的疲勞試驗十分有必要，因此研制70 MPa氫環(huán)境疲勞試驗系統(tǒng)是有必要的。

通過對70 MPa氫環(huán)境疲勞試驗系統(tǒng)的研制，最后建立了一套可用于100 L以下各種氣瓶進行疲勞試驗的系統(tǒng)，并留有5個氣瓶接口，最多可進行5只氣瓶的疲勞試驗。疲勞試驗的頻率為每5 min 1次，最大充氫量達到3 kg/min，并且實現(xiàn)了手動控制和自動控制兩種控制模式，試驗區(qū)域和控制區(qū)域相互隔離。目前，該系統(tǒng)已經投入試驗應用。

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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，男，1955年生，工程師。揚州市，225115。

2011-09-12）