[发明专利]大容积全缠绕高压储氢容器的加工工艺

说明书

技术领域

本发明属于大容量高压储气设备的领域，具体涉及一种大容积全缠绕高压储氢容器的加工工艺，容积大于500L，承压高于87.5MPa。

背景技术

随着新能源技术的发展，特别是氢能源技术的突破，用于储运氢气的大容积容器的需求量随之增加。氢气的液化温度较低(-252.8℃)，因此实现储存与运输，最简单、实用和经济的方法仍然是采用大容量和提高耐压能力的高压、常温气态运输；由于制造技术上的难度，大容量高压储氢气瓶项目被列入863高科技追踪计划之中。

高压金属材料性能在目前的产品标准中限定为70MPa。为保证安全，容器的直径、管壁厚、容积均设置了严格的标准，是这类容器的特点。任何指标的突破均会引起一系列的重大变化，直径小、管壁厚、容积难以突破，是这类容器的特点。

目前，随着复合材料技术的创新应用，借助复合条件下的强化手段提高产品气瓶的容重比和承压能力有了希望。众多领域内已广泛使用复合强化工艺，完全可以用来强化金属无缝内胆的承压能力和加大容积。按一定实验决定的特别技术手段和规律来复合缠绕高强度纤维与高性能增强树脂形成复合材料层成为业内关注的焦点。

缠绕复合铝合金内胆已经进入应用阶段。但应用实践仅限于小容积，一般在120L以下，承压能力低，一般20～35MPa。这远远不能满足大规模储氢、运输、使用的需求。提高容器的储氢能力，要通过加大储氢容器的容积，又要提高储氢容器的承压能力。而上述两个方面的提高，不是增大容器容积的尺寸后、用增加器壁厚度即可以解决的。因为加大无缝管壁厚首先遭遇的瓶颈技术即是厚壁管的轧制技术中均质的问题。另由于储氢容器的密封性能、自重以及缠绕时的瓶身结构对大容积和高压力形成诸多制约因素。压力越大，对密封性能要求越高，相关的失效点变换与缠绕方式产生相当大的关联性；内胆加厚管壁与旋压过程中瓶肩和瓶身处的工艺处理及材料的力学性能变化、缠绕层的结构和厚度设计、以及缠绕层厚度与瓶身结构等多种因素之间相互制约。例如，对于内胆旋压而言，由于工作压力大，瓶颈内螺纹剪切应力大，螺纹长，所以瓶颈的直边长度一般不小于80mm的特点，且要求壁厚较厚，相比常规高压气瓶产品，对旋压工艺提出了更苛刻的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种大容量高压储氢钢内胆的旋压工艺，其通过控制旋压的工艺参数，实现对大容积、厚壁、长端口的钢内胆旋压，借助于在钢内胆的瓶身、瓶肩、瓶口处全方位高强纤维缠绕强化，使储氢容器工作压力可达90MPa，容积达到500L以上。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种大容积全缠绕高压储氢容器的加工工艺，包括内胆旋压、均质处理、缠绕固化复合增强壳层在内的工艺步骤，具体的工艺参数包括：

①选用壁厚为15～25mm、设计水容积不小于550L的优质铬钼钢热轧成型的无缝钢管为基材；

②按照下述工艺参数对合格的基材进行双端缩口加工内胆：

2.1、将基材的收口段加热到1000～1180℃；

2.2、旋压封头和聚料头：对所述收口段进行补热，用旋压机主轴卡爪夹紧无缝钢管坯料外壁，并以180～220r/min的转速旋转，同时将旋轮的工作面靠近无缝钢管坯料收口段外壁、对其进行7～8道次半球形旋压；每道次中，模座沿无缝钢管坯料轴向进给后，旋轮臂带动旋轮按照圆弧轨迹从无缝钢管坯料轴线垂直位置起始、以0.10～0.14rad/s的速度摆动设计角度，再按照相同的轨迹以0.25～0.35rad/s的转速回位；其中，第1～3道次旋轮臂摆动的角度为45～55°，其后各道次中，旋轮臂摆动的角度依次增加4～8°，最后一次摆动的角度为60～82°，形成半球形封头圆滑外延一聚料头的结构；

2.3、聚料头增厚：继续补热使收口段温度保持在950～1180℃，旋轮臂带动旋轮按照圆弧轨迹以0.10～0.14rad/s的速度进行5～6道次旋压，每道次步进量与收口段壁厚的比值为0.74～0.52：1，聚料头的壁厚逐次增加为无缝钢管坯料壁厚的1.3～2.5倍；

2.4、将旋轮臂首先摆动0.1～0.5rad，然后模座沿无缝钢管坯料轴线方向的进给、同时旋轮臂带动旋轮摆动旋压，经2～3道次形成椭球形瓶肩圆滑外延一直段瓶颈的结构；

2.5、将步骤四中的瓶颈平头、磨削去除瓶肩内外壁上可能出现的褶皱、抛丸处理；

③内胆热处理：将内胆加热至935～965℃，保温时间60～100min后出炉淬火，完成淬火后立即进行回火处理，回火加热温度为620～690℃，保温时间40～80min，出炉后在空气中自然冷却；