[发明专利]高压气瓶

说明书

技术领域

本发明涉及高压容器，特别是涉及一种用于储运压缩天然气(CNG)、氢气等高压气体的高压气瓶。

背景技术

大型高压气瓶尤其是CNG大型高压气瓶(其水容积超过450公升)，目前还都是采用合金无缝钢管经旋压和调质处理而制成的、整体结构的无缝容器。满载时，其内表面承受的切向拉应力很大：其计算应力(如mises应力)达到了工程许用应力；而在远离气瓶两端的部位，因轴向应力很小，致使mises应力仅达到许用应力的1/2，即使在气瓶两端的mises应力也仅为许用应力的2/3。在气瓶的不同部位，mises应力值相差如此之大，说明传统的整体筒气瓶远未达到等强设计，还有强度潜力可挖掘。另一个重要问题是，整体筒存在着突然爆裂的危险。一旦产生裂纹，裂纹失稳扩张的速度很快，无法控制就会爆裂，由此会导致非常严重的危险事故。因而目前的产品都采用加大安全系数的设计方法，导致该类气瓶存在自重很大、存储效率较低的缺点。

压缩天然气(CNG)的储运容器是高压气瓶。由于压缩天然气的存储压力高(25MPa)，又是可燃气体，所以，对气瓶的材质、结构，设计、制造和检查的各个环节都有严格的要求。目前，对于高压气瓶已经出台相关的国际标准，例如ISO11119、ISO11120等。行业中常用的、例如水容积450公升以上的大尺寸、大容积气瓶都是整体结构的高压气瓶，都采用高强度合金无缝钢管(4130X)作为原材料，经两端旋压成形、整体调质处理、加工瓶口螺纹、清除内外表面锈蚀物、无损探伤、测厚、外层涂覆防腐层、超值保压等工序进行加工。此外，还需要进一步执行严格的质量控制和检查措施，这样才能保证达到相关国际标准的要求。因而，此类的高压气瓶的制造成本高昂，自重也比较大。此外，在现有技术中，还有一种玻璃钢缠绕结构的中小型高压气瓶(水容积通常小于450公升)，在钢瓶外层缠绕了玻璃纤维和环氧树脂的混合物，从而形成一个保护层壳，但缠绕时不可以施加较大的预应力。这可以对气瓶内胆形成一定程度的加强和保护，可以缓冲内胆的爆裂。这种气瓶比同等容积的整体结构气瓶重量轻，已经应用于天然气车辆的燃气容器；更高级的气瓶是在高强度铝合金内胆或者高强度塑料内胆的外表面缠绕碳纤维树脂，形成重量更轻、强度更大的保护层，可承受更高的工作压力，此类高压气瓶也没有施加预应力。但是，经过此类工艺处理的高压气瓶的成本极其昂贵。

例如，图1显示了现有的用于储运压缩天然气(CNG)一体式大型高压气瓶100’。该高压气瓶100’在空载状态下，内胆101’不受力。该高压气瓶100’在满载时，内胆101’的内表面承受较大的圆周切向拉应力。其破坏方式为切向拉应力过大而引起的拉伸裂纹。根据有关国际标准提供的计算方法，当高压气瓶100’的材质为4130X、工作压力为25MPa时，计算出的最小壁厚为17.3mm。由此可见，此种类型的高压气瓶完全依靠材料的自身性能来实现高压下的安全性，由此必然对材料性能提出了较高的要求。此外，所使用的材料量也非常大，由此造成成本高昂。

图2显示了另一现有的高压气瓶100”，所述高压气瓶100”包括：内胆101”；以及缠绕在内胆101”的外表面的玻璃纤维树脂层102”。所述高压气瓶100”通常为中小型气瓶。内胆101”也由优质高合金无缝钢管旋压而成。但是，玻璃纤维树脂层102”在缠绕时并不承受预应力，仅起到内胆101”的约束、增强和保护的作用。据此计算出的内胆最小壁厚为7.1mm，玻璃纤维树脂层厚度为10mm。

随着人类社会对天然气的需求不断扩大，随着该行业的日益快速发展，对能承受更大的工作压力的大型气瓶的需求也在增长。

发明内容

有鉴于此，本发明需要提供一种高压气瓶，所述高压气瓶能够在保证强度的条件下最大程度地减少材料的使用量，同时可以提高整个高压气瓶的使用安全性能。

根据本发明的一方面，提供了一种高压气瓶，所述高压气瓶用于储运高压流体，包括：内胆；以及有效预应力钢丝缠绕层，所述有效预应力钢丝缠绕层形成在所述内胆的外表面上。

根据本发明的一个实施例，所述有效预应力钢丝缠绕层通过在内胆上以预定额定值张力的钢丝缠绕而形成，且所述预定额定值控制成在空载条件和满载条件下使得所述内胆的各部位的计算应力大体相等。

根据本发明的一个实施例，所述有效预应力钢丝缠绕层层通过在内胆上以预定额定值张力的钢丝缠绕而形成，且所述内胆被施加以预压应力，从而在空载条件和满载条件下使得所述内胆的各部位的计算应力大体相等。

根据本发明的具有预应力高强度钢丝缠绕结构的高压气瓶，可以显著地达到以下的技术效果：