高压储氢容器氢环境疲劳试验系统研制

杨 扬 叶 雷 周威威 郑传祥

（扬州秋源压力容器有限公司) （杭州市工业资产经营投资集团有限公司） （浙江大学化工机械研究所）

高压储氢容器氢环境疲劳试验系统研制

杨 扬*叶 雷 周威威 郑传祥

（扬州秋源压力容器有限公司) （杭州市工业资产经营投资集团有限公司） （浙江大学化工机械研究所）

通过对70 MPa氢环境疲劳试验系统的设计和制造，研制了80 MPa扁平钢带缠绕式高压储氢容器，利用钢带预应力的调节实现了容器壁内衬低应力、绕带层等应力的合理应力分布。设计了疲劳试验系统的控制系统，实现手动和自动控制两种控制模式，以满足不同的试验需要。该系统是目前国内惟一的一套可用于真实氢环境疲劳试验的系统，已投入应用。关键词 储氢容器 疲劳 氢环境 压力容器

0 引言

氢能是一种清洁能源，其制备原料是水，燃烧后排放物也为水，来源丰富，可循环利用，无污染，因此目前为各国研究新能源的重点。氢能利用的核心技术为氢的制备、氢的储运、氢能的转化利用，而其中氢的储运是目前投入最大、难度最大的部分。氢的储运方式有金属氢化物储存、低温液化储存、吸附储存和高压储存等方式，其中高压储存因其简单、直接、最接近产业化而应用最广泛，但是高压储存存在一定的危险性。对于车载高压储氢容器而言，影响其安全性的因素很多，如疲劳、氢腐蚀、冲击、高温等均会影响其使用性能。其中频繁充放氢引起的疲劳是最主要的失效因素。传统的疲劳试验限于设备和成本，一般用液压来替代。由于氢具有一定的腐蚀性，加上高应力作用，所以氢环境下疲劳行为十分复杂。为了解决这个问题，有必要对这类容器在氢环境下的疲劳进行试验研究，因此建立这样的试验系统十分必要[1-5]。

1 系统的总体设计

目前国际上车载高压储氢容器的压力已经达到70 MPa，这也是高压储氢的临界压力，因为更高压力对增加储氢量已经十分有限。本研究根据70 MPa氢环境疲劳试验系统的要求，结合安装地北京航天试验技术研究所的实际需要，经过双方科研人员的反复磋商，最后确定了整个试验系统，如图1所示。其工作原理如下：80 MPa的高压氢源通过气动阀门和孔板流量计，将氢充入车载高压储氢容器，达到工作压力后停止充氢；打开车载气瓶的泄压阀，使氢气泄放到低压缓冲罐内，气瓶压力降低到1 MPa以下；缓冲罐内的低压氢气通过高压泵再充入到80 MPa高压储氢罐内，完成一个循环，接着进行下一个疲劳循环。这套高压氢环境疲劳试验系统在国内外都是绝无仅有的，具有完全自主知识产权。研制这套系统需要解决几个核心难题：80 MPa以上的高压储氢容器的研制，氢安全监控，以及自动控制系统[6-7]。

2 80 MPa以上绕带式高压储氢容器的研制

2.1 整体抗氢腐蚀和氢渗透设计

氢是一种渗透性很强的气体，在一定条件下对钢材具有一定的脆化作用，也叫氢脆。为了解决这个问题，在整体设计中，采用了1Cr18Ni9不锈钢内衬，外加Q345制成全双层整体内筒，经过各项检验后，按照等强度筒体进行预应力优化缠绕。封头采用半球形封头，并分成二层整体冲压成型，球形封头外侧加工钢带缠绕焊接斜面。

这个结构具有抗氢、抑爆的特点：氢完全与对氢敏感的高强度钢隔开，即使由于各种原因发生泄漏，氢气会通过具有间隙的钢带缠绕层泄出，而且通过氢传感器或者保护外壳内的压力传感器还可以方便地进行检测；该结构可以实现在线实时安全监控。

2.2 预应力缠绕等强度筒体的优化设计

扁平绕带式高压容器由于其钢带的预应力可以调节，钢带缠绕倾角可以调节，故可以实现高压容器内预应力的合理分布，从而实现高压容器的操作应力的合理分布：内壁有介质作用的区域应力较低，而其余部分则应力分布均匀，这是一种理想的受力状态，在单层厚壁容器上是无法实现的。

绕带容器的钢带层预应力缠绕以后，筒体上会有初始残余应力，它与内压引起的应力 (确定值)叠加以后即为最终应力，而最终应力分布状态根据容器的使用场合可以选定，如内壁应力为零、绕带层应力均匀，或整个壁厚应力均布等等。一旦选定最终应力分布，即可求得容器的钢带预应力。本容器采用内衬与缠绕层等强度分布，其实施方法如下 [8-10]：

式中 σθ、σr、σz——容器的周向、径向、轴向应力， MPa；

σ、σpre、σp——容器最终应力、预应力、内压引起的应力，MPa。

通过矩阵变换和应力叠加后，可得到容器壁最终应力的表达式：

由内压引起的筒壁上的应力是一定的。如果要达到内衬处于低应力状态、绕带层处于等应力分布状态，通过调节钢带预应力即可实现所需的最终应力分布。

2.3 扁平绕带式压力容器的应力可控性设计流程根据以上理论，绕带容器的筒壁可通过对绕带层钢带预应力和钢带缠绕倾角的调节来达到所需的应力状态，故只要将扁平绕带容器最后期望的应力分布作为目标控制值，然后将上面的运算逆向操作即可得到最初所需的钢带预应力和缠绕倾角。

因为σp是由操作压力p决定的，可由拉美公式直接求出。若最终所需的环向应力为σθ， 则σpre可由式 （1） 求出：

如果最终希望的环向应力是σθ，可从式（2）得出环向应力：

根据钢带缠绕拉力与容器应力的力学关系，可以从以上公式计算所需的缠绕预应力T。

绕带容器的轴向应力与环向应力有一定的关联，即其大小可通过倾角α来相互关联。设计时一般使轴向强度略强于环向强度，故可选定轴向强度的目标值，如使轴向应力为环向应力的0.9倍，然后通过不断改变倾角α的值来逼近，直到达到规定要求。由于径向应力的值相对较小，在设计中其值不作控制，由三向应力自动协调。文献 [8]详细介绍了通过扁平钢带上预应力控制达到控制容器应力分布的方法与流程。

为了能够实现70 MPa的气瓶充放氢，并根据目前最大车载气瓶100 L充放次数的要求，将高压容器的容积确定为0.9 m3。根据快速充放氢的要求，100 L的气瓶充满后，高压储氢容器内的压力由工作压力80 MPa下降到72 MPa，以确保气瓶能够充满。根据分析设计的结果，内衬为厚8 mm的1Cr18Ni9不锈钢和厚25 mm的Q345钢复合双层结构，其绕带层数是36层，每层钢带的厚度是4 mm。根据内衬处于低应力和绕带层等强度的设计要求，计算出各层钢带的缠绕预应力T为：

由此可见，该容器实现了内筒低应力、绕带层等强度的要求。

2.4 全双层封头抗爆技术应用

绕带式高压容器的封头是另一个需要解决的难题。目前，大多数绕带式压力容器均采用平封头，结构十分笨重，成本也高，且一旦隐含裂纹，存在整体贯穿裂纹的可能，裂纹扩展具有非自限性。本高压储氢容器采用全双层化的半球形封头，通过冲压成型、机加工后，与内衬筒节焊接制成内筒。该半球形封头具有以下特点：应力分布均匀；封头上隐含的缺陷如果扩展，不会贯穿整个封头厚度，被局限于该层内；内衬泄漏后可以通过封头上的小孔进行检测，确保使用安全。

2.5 制造过程和检查

本设备是目前国内压力最高的绕带式储氢容器，在优化设计和制造上都有较大的改进。为了确保研究目标的完成，对制造过程进行了全程监督和检验。内衬容器制造完毕后，进行水压试验，符合要求后再进行外层钢带的缠绕。内衬和缠绕层的制作如图2、图3所示。制造完毕的容器如图4所示。

图2 内衬制成图

对绕带预应力的控制尤其严格，为此专门对绕带机床进行了改进，对钢带的拉紧力进行了严格控制，保障了容器器壁的应力分布按设计要求。

容器制造完成后，进行了100 MPa的水压试验，对容器的强度指标进行了检验，确保容器操作时安全可靠。

该高压储氢容器具有以下特点：一是绕带与内衬可以选用不同的材料，即容器的内衬选用耐氢腐蚀的不锈钢，而绕带层可以采用其他低成本、高强度钢，同时容器的焊缝减少50%以上，大大降低了容器成本。二是具有抑爆功能，容易实现在线安全监控，绕带间的空隙天然提供了泄漏通道，一旦内衬失效，安装于外保护层内的传感器立即可以检测到，有足够时间采取相应的安全措施，从而实现抑爆、在线监控。三是绕带容器上的最终应力分布通过调节钢带的缠绕预应力和倾角实现了优化：与氢接触的内衬在操作压力下可以处于低应力状态，而绕带层处于等强度状态，这对提高容器的疲劳寿命，减缓氢应力腐蚀是十分有利的，也是其他结构的高压储氢容器难以实现的。

图3 钢带缠绕完毕图

图4 容器制造完毕图

3 控制系统的实现

70 MPa氢环境疲劳试验系统的测量控制系统主要是采用气动球阀来控制充放气过程；用工控机系统来采集充放气过程中的数据；用氢浓度探头监控现场的氢气泄漏；采用摄像头来监视试验现场的情况；用声发射传感器监测试验过程中的气瓶性能。

数据采集的量主要有：温度数据包括高压储氢罐气源温度，储氢气瓶内气体温度，气瓶内衬外壁面温度，储氢容器外壁面温度等；压力数据包括高压储氢罐气源压力，充放气孔板前后压力，储氢气瓶内气体压力等；氢浓度也在数据采集、测量的范围之内。声发射检测装置和内窥镜分别采用单独的采集或处理设备。

试验测控系统的数据测量界面和相应的处理系统是采用LabView自行研制的，如图5所示。该控制系统对快速充放气疲劳试验系统有很强的针对性，将来也可修改用于加氢站的测控系统中，对我国自行发展加氢设备具有重要的意义。

图5 控制系统界面

4 整体氢环境疲劳试验系统的建立

根据图1工作原理，对整个70 MPa高压氢环境疲劳试验系统进行了设计与安装，该疲劳试验系统安装在北京航天试验技术研究所，并进行了多个70 MPa复合材料高压储氢容器的试验应用，如图6所示。

图6 系统安装实景

该系统达到了以下指标：

（1）疲劳系统能同时进行氢环境疲劳试验的气瓶达到5个，试验气瓶 （容器）的总容积小于100 L；每5 min充放氢疲劳循环1次；氢介质的泄漏量控制在0.5%以下。

（2）氢介质疲劳试验系统可达到的最高试验压力70 MPa；快速充放气最高速率≥3 kg/min。

（3）疲劳试验系统的操作实现自动、手动双模式控制；整个疲劳试验系统的有氢环境区域与人工操作区域实现物理隔开，有氢环境区域实现防爆安全保护，确保人员和生产设施的安全。

5 结论

高压储氢容器的氢环境疲劳试验系统之前在国内还处于空白，大多以液压试验系统来替代。由于氢环境的特殊性和车载移动式高压储氢气瓶的安全需要，真实氢环境的疲劳试验十分有必要，因此研制70 MPa氢环境疲劳试验系统是有必要的。

通过对70 MPa氢环境疲劳试验系统的研制，最后建立了一套可用于100 L以下各种气瓶进行疲劳试验的系统，并留有5个气瓶接口，最多可进行5只气瓶的疲劳试验。疲劳试验的频率为每5 min 1次，最大充氢量达到3 kg/min，并且实现了手动控制和自动控制两种控制模式，试验区域和控制区域相互隔离。目前，该系统已经投入试验应用。

[1]毛宗强.世界各国加快氢能源市场化步伐——记第18

届世界氢能大会（WHEC 2010）[J].中外能源，2010（7）： 29-34.

[2]Zuttel， Andreas.Materials for hydrogen storage[J].Material Today， 2003， 6 (9)： 24-33．

[3]盂庆云.关于氢能在未来交通领域的应用和发展方向的思考 [J].中国新能源，2010（1）：1-3.

[4]毛宗强.我国发展氢能的战略建议——从 “浅绿”到“深绿” [J].太阳能，2009（2）：1-4.

[5]Chen Jiachang.Hydrogen energy vision and technology roadmap report for China[A].IPHE ILC Meeting[C].Brazil,March,2005：22-23.

[6]郑传祥，杨帆.储氢容器氢环境疲劳试验系统：中国，200810060100.8[P].2008-3-6.

[7]刘玉虎，邢科礼，王祖林，等.高压气瓶疲劳试验系统的开发 [J].机床与液压，2008（6）：88-90.

[8]Zheng Chuanxiang， LeiShaohui.Optimalwinding conditions of flat steel ribbon wound pressure vessels with controllable stresses[J].Journal of Applied Mechanics,Transactions ASME， 2008 （7） .

[9]Zheng Chuanxiang.Research on reasonable winding angle of ribbons of flat steel ribbon wound pressure vessel[J].Journal of Zhejiang University,Science A,2006， 3：445-449.

[10]John A Eihusen.Application of plastic-lined composite pressure vessels for hydrogen storage.General Dynamics Armament and Technical Products,Lincoln,Nebraska,USA,2007.

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

*杨扬，男，1955年生，工程师。扬州市，225115。

2011-09-12）