一种大直径不锈钢焊接内胆碳纤维全缠绕瓶式容器的制作方法

1.本实用新型涉及大容量高压储气设备的技术领域，特别是一种大直径不锈钢焊接内胆碳纤维全缠绕瓶式容器。


背景技术：

2.氢能重要的终端应用之一是燃料电池电动汽车，加氢站作为给氢燃料电池电动汽车加氢的场所，是氢能和燃料电池电动汽车发展的重要基础设施。截至2020年底，我国已建成加氢站50座左右，预计到2030年，我国加氢站数量将达到1000座。目前加氢站内的储氢瓶式容器的压力多为50mpa，但随着70mpa乘用车的开发，目前加氢站也逐步设有了90mpa的站内储氢缓冲罐。目前加氢站用储氢缓冲罐主要是小容积气瓶组、钢带错式高压容器和钢制无缝瓶式容器组。
3.加氢站用小容积气瓶组由多个无缝钢质气瓶(1型)、钢制内胆纤维环向缠绕瓶(2型)、金属内胆纤维全缠绕瓶(3型)及塑料内胆纤维缠绕瓶(4型)四个类型的气瓶组装而成。
4.加氢站用小容积气瓶组具有压力分级与容积组合容易，制造周期短，适应场地能力强，成型工艺简单和制造成本低的优点。同时也具有单元容积小，容器数量多，漏点多，安全距离大，一次性投资大及运行成本高的问题；由于气瓶受tsg 23《气瓶安全技术规程》的监管，不能现场定期检验，需要整体进复检站检验，故加氢站用小容积气瓶组实施困难，运行成本较高。
5.钢带错绕式高压容器采用奥氏体不锈钢钢板制成的焊接筒体与奥氏体不锈钢复合钢板制成的封头组焊成内胆，在焊接筒体上按一定的角度绕焊钢带以提高容器的承压能力；具有临氢材料抗氢脆性能好，水容积大，容器数量少，漏点少的优点。由于容器厚度的大部分由绕带层组成，需要大量焊接、探伤和热处理的工作量。与其他结构型式的高压容器相比，钢带错绕式高压容器的生产效率低，制造成本高；同时也存在压力分级与容积组合不易，制造工艺复杂、交货周期长，制造成本高，场地适应能力弱，运维成本高，定期检验困难的缺点。
6.钢制无缝瓶式容器是由无缝钢管经两端局部加热旋压收口而成，属于整体无焊缝结构，有效地避免了焊接可能引起的裂纹、气孔、夹渣等缺陷，但其使用的高强钢对氢脆敏感，且因壁厚较厚存在不易旋压收口及热处理的工艺难题。
7.现阶段小容积气瓶组和钢带错式高压容器受到制造成本、制造周期、组合方式、容量及承压能力的限制已经远远不能适应于市场发展的需要。而大容积碳纤维全缠绕复合材料气瓶用于加氢站储氢，由于其对氢脆的敏感性低，成本十分高昂，限制了广泛应用。
8.公开号为cn 2535651 y的说明书了一种焊接绝热气瓶，该气瓶由内胆容器、外胆容器、绝热层、内外胆之间的连接件、保护圈与外胆之间的连接件以及支撑气瓶的底座等部分构成。内外胆的下端之间连接方式是：采用分子筛盘和下端支撑块分别与内胆下封头焊接，下端支撑套与外胆下封头焊接，下端支撑块通过分子筛盘中心孔后插入下端支撑套的中心孔中。保护圈与外胆之间的连接，采用四块保护圈支撑板分别与外胆上封头和保护圈
焊接。该实用新型的焊接结构绝热气瓶主要用于盛装低温液态氧、液态氮、液态氢等，对气瓶的绝热性能、稳定性能要求比较高，但由于其容量小及工作压力低，故该气瓶其并不适用于氢气、甲烷、氦气等压缩气体的盛装。
9.公开号为cn 109604938 a的说明书公开了一种薄壁不锈钢气瓶的成形方法，采用冷拔管坯作为坯料，先后经过强力旋压和收口旋压获得收口旋压件a和收口旋压件b，再对其分别依次进行热处理和机械加工整形，最后通过氩弧焊的焊接方式将上述加工好的收口旋压件a和收口旋压件b焊接在一起。该发明主要解决目前传统纯钢气瓶厚度大、整体重量大的问题，由于薄壁结构的特性，该发明无法应用于高压力、大直径的气瓶中，其可能会导致失效的风险。


技术实现要素：

10.本实用新型的目的在于提供一种大直径不锈钢焊接内胆碳纤维全缠绕瓶式容器，通过不锈钢焊接内胆的组焊，减少大直径不锈钢焊接内胆碳纤维全缠绕瓶式容器中旋压、热处理的设备投资及工序成本。
11.一种大直径不锈钢焊接内胆碳纤维全缠绕瓶式容器，包括不锈钢焊接内胆和端塞，其特征在于，所述不锈钢焊接内胆包括筒体，所述筒体的两端均焊接有中心处设有通孔的椭圆形封头，所述椭圆形封头的通孔处焊接有帽形瓶颈接头；所述不锈钢焊接内胆外设有碳纤维缠绕承压层，所述碳纤维缠绕承压层外设有玻璃纤维缠绕保护层，所述碳纤维缠绕承压层的两端均与帽形瓶颈接头相抵，所述的帽形瓶颈接头与端塞相连接。
12.先对所述帽形瓶颈接头和所述椭圆形封头进行焊接，再焊接所述椭圆形封头和所述筒体，所述筒体、椭圆形封头和帽形瓶颈接头组焊得到不锈钢焊接内胆。通过筒体、椭圆形封头和帽形瓶颈接头的分别成型，有效地降低了旋压、热处理设备的规格，继而降低了设备的成本。不锈钢焊接内胆的外表面通过组合缠绕工艺得到碳纤维缠绕承压层；在碳纤维缠绕承压层的外表面缠绕得到玻璃纤维缠绕保护层。通过碳纤维缠绕承压层和玻璃纤维缠绕保护层的设置，增大了大直径不锈钢焊接内胆碳纤维全缠绕瓶式容器的整体工作压力。
13.所述筒体采用无缝奥氏体不锈钢钢管制备。奥氏体不锈钢具有致密性，对氢气、氦气等小分子气体具有良好的阻隔性。
14.所述筒体的两端、所述椭圆形封头的直边段和所述椭圆形封头的通孔的边缘处均设有用于单面焊双面成型焊接的坡口。所述坡口的设置有效的保证了焊接的效果。
15.优选地，所述坡口处的焊缝的余高不大于1.5mm，通过焊缝的余高的设置，保证单面焊双面成型焊接的质量。
16.所述椭圆形封头外表面的长短径比为1.3～2.0：1；有效地避免了碳纤维缠绕承压层和玻璃纤维缠绕保护层缠绕时滑纱，且提高了大直径不锈钢焊接内胆碳纤维全缠绕瓶式容器的耐疲劳性能。
17.所述帽形瓶颈接头设有用于密封连接的内螺纹和用于固定连接的外螺纹。采用焊接的方式连接椭圆形封头和帽形瓶颈接头，便于帽形瓶颈接头处螺纹的加工。
18.所述碳纤维缠绕承压层包括碳纤维和填充于碳纤维之间的环氧树脂；碳纤维缠绕承压层的碳纤维呈交叉和正交分布，交叉分布的碳纤维与不锈钢焊接内胆的轴线呈50
°
～65
°
或-50
°
～-65
°
，正交分布的碳纤维与不锈钢焊接内胆的轴线呈85
°
～90
°
或-85
°
～-90
°
。
纤维缠绕承压层采用正交和交叉分布，提高了全缠绕瓶式容器的工作压力。
19.所述玻璃纤维缠绕保护层包括玻璃纤维和填充于玻璃纤维之间的环氧树脂；玻璃纤维缠绕保护层的玻璃纤维呈往复螺旋式分布。所述玻璃纤维缠绕保护层防止冲击性的损伤切断碳纤维缠绕承压层中的碳纤维，从而防止形成局部的疲劳失效点，而导致的整个碳纤维缠绕承压层对内胆的抗压补偿效果失效。
20.本实用新型相比现有技术，其优点在于：
21.1、不锈钢焊接内胆采用焊接成型的工艺，减少了旋压、热处理的设备投资及工序成本；
22.2、采用高强度的碳纤维缠绕承压层可承受2.5倍的工作压力而不失效，因此在87.5mpa～100mpa的工作压力时，具有很大的安全裕度。
附图说明
23.图1是本实用新型实施例中大直径不锈钢焊接内胆碳纤维全缠绕瓶式容器的结构示意图。
24.图2是图1中不锈钢焊接内胆的结构示意图。
25.图3是图1中筒体、椭圆形封头和帽形瓶颈接头的结构示意图。
26.图4是图3中a处的局部放大的结构示意图。
27.图5是本实用新型实施例中大直径不锈钢焊接内胆碳纤维全缠绕瓶式容器的碳纤维的缠绕示意图。
具体实施方式
28.如图1-图4所示，大直径不锈钢焊接内胆碳纤维全缠绕瓶式容器包括不锈钢焊接内胆1和螺栓不锈钢焊接内胆1两端的端塞2，不锈钢焊接内胆1包括筒体3，筒体3的两端均焊接有中心处设有通孔的椭圆形封头4，椭圆形封头4的通孔处焊接有帽形瓶颈接头5。
29.不锈钢焊接内胆1外设有碳纤维缠绕承压层6，碳纤维缠绕承压层6外设有玻璃纤维缠绕保护层7，碳纤维缠绕承压层6的两端均与帽形瓶颈接头5相抵。
30.以设计水容量为2000l的不锈钢焊接内胆碳纤维全缠绕瓶式容器为例，其结构如下：
31.筒体3采用直径为620mm、厚度16mm和设计水容量为1000l的无缝奥氏体不锈钢钢管为基材制备，其中筒体3的两端设有坡口。
32.椭圆形封头4采用奥氏体不锈钢钢板经冲压或冷旋制备，椭圆形封头4的外表面长短径比为1.8：1，椭圆形封头4的中心设有直径为300mm的通孔，椭圆形封头4的直边段和通孔的边缘加工坡口。
33.帽形瓶颈接头5采用锻制整体成型制备，帽形瓶颈接头5的外径为160mm～195mm，内径为63mm～77mm，帽边缘直径为298mm。帽形瓶颈接头5设有用于密封连接的内螺纹和用于固定连接的外螺纹。
34.通过各坡口之间的配合，筒体3、椭圆形封头4和帽形瓶颈接头5进行组焊得到不锈钢焊接内胆1，组焊采用单面焊双面成型。
35.坡口处的焊缝的余高不大于1.5mm；采用直流脉冲电源进行组焊，通过试验确定组
焊制备不锈钢焊接内胆1时的打底焊的峰值电流、基值电流和焊接速度。其中，峰值电流主要决定焊缝的熔深，在平均电流不变的前提下，峰值电流越大，焊缝的熔深越深；基值电流主要维持电流的稳定燃烧并预热母材和焊丝，在基值电流的时间区间内加快熔池凝固；峰值电流和基值电流通过与焊接速度的配合，经试验调试得到，既保证焊缝的焊透又使得焊缝的余高满足不大于1.5mm的设计要求。
36.碳纤维缠绕承压层6包括碳纤维和填充于碳纤维之间的环氧树脂；如图5所示，碳纤维缠绕承压层的碳纤维呈交叉和正交分布。其利用椭圆形封头4的外表面长短径比为1.8：1的外形特征，实现碳纤维螺旋角的设定：交叉分布的碳纤维与不锈钢焊接内胆1的轴线呈60
°
或-60
°
，正交分布的碳纤维与不锈钢焊接内胆1的轴线垂直。纤维缠绕承压层6采用正交和交叉分布，提高了大直径不锈钢焊接内胆碳纤维全缠绕瓶式容器的整体工作压力。
37.玻璃纤维缠绕保护层7包括玻璃纤维和填充于玻璃纤维之间的环氧树脂；玻璃纤维缠绕保护层7的玻璃纤维呈往复螺旋式分布。玻璃纤维缠绕保护层7缠绕于碳纤维缠绕承压层6外，厚度为2～3mm。玻璃纤维缠绕保护层7防止冲击性的损伤切断碳纤维缠绕承压层6中的碳纤维，从而防止形成局部的疲劳失效点，导致整个碳纤维缠绕承压层6对于不锈钢焊接内胆1的抗压补偿效果失效。
38.先对帽形瓶颈接头5和椭圆形封头4进行焊接，再焊接椭圆形封头4和筒体3，通过筒体3、椭圆形封头4和帽形瓶颈接头5的分别成型，有效地降低了旋压、热处理设备的规格，继而降低了设备的成本。不锈钢焊接内胆1的外表面通过组合缠绕工艺得到碳纤维缠绕承压层6；在碳纤维缠绕承压层6的外表面缠绕得到玻璃纤维缠绕保护层7，缠绕碳纤维缠绕承压层6和玻璃纤维缠绕保护层7后进行烘干和固化。通过碳纤维缠绕承压层6和玻璃纤维缠绕保护层7的设置，增大了大直径不锈钢焊接内胆碳纤维全缠绕瓶式容器的整体工作压力。

技术特征：
1.一种大直径不锈钢焊接内胆碳纤维全缠绕瓶式容器，包括不锈钢焊接内胆和端塞，其特征在于，所述不锈钢焊接内胆包括筒体，所述筒体的两端均焊接有中心处设有通孔的椭圆形封头，所述椭圆形封头的通孔处焊接有帽形瓶颈接头；所述不锈钢焊接内胆外设有碳纤维缠绕承压层，所述碳纤维缠绕承压层外设有玻璃纤维缠绕保护层，所述碳纤维缠绕承压层的两端均与帽形瓶颈接头相抵，所述的帽形瓶颈接头与端塞相连接；所述帽形瓶颈接头设有用于密封连接的内螺纹和用于固定连接的外螺纹；所述筒体的两端、所述椭圆形封头的直边段和所述椭圆形封头的通孔的边缘处均设有用于单面焊双面成型焊接的坡口，所述坡口处的焊缝的余高不大于1.5mm；椭圆形封头外表面的长短径比为1.3～2.0：1，玻璃纤维缠绕保护层的厚度为2～3mm。

技术总结
本实用新型公开了一种大直径不锈钢焊接内胆碳纤维全缠绕瓶式容器，包括不锈钢焊接内胆和端塞，其特征在于，所述不锈钢焊接内胆包括筒体，所述筒体的两端均焊接有中心处设有通孔的椭圆形封头，所述椭圆形封头的通孔处焊接有帽形瓶颈接头；所述不锈钢焊接内胆外设有碳纤维缠绕承压层，所述碳纤维缠绕承压层外设有玻璃纤维缠绕保护层，所述碳纤维缠绕承压层的两端均与帽形瓶颈接头相抵，所述的帽形瓶颈接头与端塞相连接。本实用新型采用焊接成型的工艺，减少了不锈钢焊接内胆旋压、热处理的设备投资及工序成本。投资及工序成本。投资及工序成本。


技术研发人员：曹文红 牛忠华 黄国明 赵佳鸣 陈凡 冯莉明 夏明 陆毓颖 邝周凌 丁超
受保护的技术使用者：浙江蓝能燃气设备有限公司
技术研发日：2021.09.23
技术公布日：2022/5/25