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一种能够避免应力松弛的钢丝缠绕型储氢容器及制造方法

花匠小妙招
2025-11-26 10:44

本发明涉及储氢容器，提供一种避免应力松弛的钢丝缠绕型储氢容器及制造方法。

背景技术：

1、氢能利用的普及离不开制、储、输、用四个关键环节。目前气态氢气的大容量储存一般通过增大容器容积和提高储氢压力两种方法实现。常见的大容积容器，如球罐等，其所用材质强度偏低，且焊缝较多，gb/t 12337-2014《钢制球形储罐》规定其设计压力不高于6.4mpa。目前常见的储氢球罐压力仅在1-6 mpa左右，无法实现氢气高效存储。

2、利用缠绕技术提高容器承压性能，成为研究方向之一。例如，浙江大学研发的一种扁平钢带缠绕多层高压储氢容器（郑津洋,陈瑞,李磊,等.多功能全多层高压氢气储罐[j].压力容器,2005,(12):25-28+47.），其内层使用抗氢脆性能良好、强度较低的奥氏体不锈钢，外层用廉价易得的扁平钢带进行多层缠绕。但由于钢带强度有限，为实现所需预紧力需要缠绕多层钢带，导致其重量太大。同时，缠绕钢带在容器长时间运行后会产生应力松弛问题，且在服役中难以进行调控。故对内层筒体材质提出更高要求，需使用抗氢脆性能好、但价格更贵的奥氏体不锈钢。另外，目前常用的高压缠绕储氢容器制造工艺需要用到复杂的制造设备，在工厂中加工成型的大容量存储容器又会带来长途运输难度大、运输成本高的问题。

3、因此，有必要提出新的技术以解决上述技术问题。

技术实现思路

1、为了解决技术问题，克服现有技术存在的不足，本发明提供了一种避免应力松弛的钢丝缠绕型储氢容器及制造方法。

2、为解决技术问题，本发明的解决方案是：

3、提供一种能够避免应力松弛的钢丝缠绕型储氢容器，该储氢容器的主体结构包括内筒筒体和位于两端的封头，内筒筒体与封头之间以焊接方式连接；两个封头的相对开口端分别套装一个齿形加强箍，并以焊接方式固定；在内筒筒体的外部以多层螺旋缠绕方式布置环向缠绕钢丝，环向缠绕钢丝之间、环向缠绕钢丝与内筒筒体之间以树脂实现粘合；

4、所述齿形加强箍是锻压成型的一体式结构，包括由内至外的加强箍内环、加强环板和多个加强箍齿；加强箍内环呈碗环形，具有与封头开口端相匹配的形状以使两者之间紧密相接；加强环板位于加强箍内环的较大开口端，多个加强箍齿等间距布置在加强环板上；两个齿形加强箍对称布置，其加强箍齿一一对应构成多个组合；每组加强箍齿的连线都与内筒筒体的轴向平行，在各组加强箍齿之间以往复缠绕的方式布置轴向缠绕钢丝，在各组轴向缠绕钢丝的中部设有花篮螺栓；通过环向缠绕钢丝和轴向缠绕钢丝对内筒筒体施加预紧力实现容器加强，利用花篮螺栓调节轴向缠绕钢丝的张紧力避免应力松弛。

5、作为本发明的优选方案，所述内筒筒体是由一段或多段筒节组成；单段筒节由钢板通过螺旋焊工艺成型，多个筒节之间通过环焊方式拼接，无轴向长焊缝；单段筒节长度为5-15m。

6、作为本发明的优选方案，所述封头由钢板冲压成型，其形式为凸形封头，截面形状呈椭圆形、半球形或碟形；封头中心处开孔，用于连接外部管线。

7、作为本发明的优选方案，所述齿形加强箍上的加强箍齿的数量为偶数，加强箍齿的截面呈外端大底端小的梯形；齿形加强箍外端高于最外层环向缠绕钢丝层，并确保轴向缠绕钢丝缠绕所需的空间。

8、作为本发明的优选方案，所述用于调节轴向缠绕钢丝张紧力的花篮螺栓，以内筒筒体的轴向为中心对称布置。

9、作为本发明的优选方案，所述内筒筒体和封头采用钢材制造，其屈服强度范围为600-800mpa；用于制造齿形加强箍的钢材屈服强度不小于325mpa；所述环向缠绕钢丝或轴向缠绕钢丝的直径为毫米级，具有1000gpa以上抗拉强度。

10、作为本发明的优选方案，所述加强箍内环包覆于封头的开口端外侧，加强箍内环的厚度不小于封头厚度，且包覆角度α的范围为30 -70°。

11、本发明进一步提供了前述钢丝缠绕型储氢容器的制备方法，包括：

12、（1）在工厂采用螺旋焊工艺制造内筒筒体的筒节，以锻压工艺制造齿形加强箍，以冲压方式制造封头；

13、（2）将筒节、齿形加强箍、缠绕钢丝运输到储氢容器的安装现场，通过现场焊接的方式连接各筒节形成内筒筒体后，在筒体两端焊接封头，焊缝形式统一为环焊缝；

14、（3）将两个齿形加强箍对称套在容器两侧封头上，调整加强箍位置和角度，确保各加强箍齿在空间位置上一一对应，然后以焊接工艺将齿形加强箍与封头紧密连接；

15、（4）先进行环向钢丝缠绕，缠绕钢丝之间以及钢丝与筒体之间通过树脂进行粘合，直到筒体结构被缠绕钢丝完全包覆且达到设计缠绕层数；然后以两侧加强箍对应位置的加强箍齿组为单位，进行轴向钢丝缠绕；每完成一组缠绕后，改至对向缠绕另一组加强箍齿，以确保缠绕过程中齿形加强箍受力均匀，直至所有齿对缠绕完成；

16、（5）将花篮螺栓两端的环扣分别安装在单组加强箍齿之间的两束轴向缠绕钢丝上，安装位置处于各组轴向缠绕钢丝的正中部，从而完成钢丝缠绕型储氢容器的现场制造。

17、在储氢容器的运行过程中，可以根据缠绕钢丝受力状态适时调整花篮螺栓，对轴向缠绕钢丝实现张紧力调节以避免储氢容器发生应力松弛。

18、作为本发明的优选方案，所述用于粘合的树脂是在常温常压条件下固化的树脂。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

20、1、本发明通过高强度环向和轴向缠绕钢丝对容器内筒施加预紧力，从而减小内筒壁厚及缠绕层钢材用量，进而实现容器轻量化。通过改变环向和轴向缠绕钢丝的缠绕层数，能够灵活调控内筒受力。同时，轴向缠绕钢丝通过齿形加强箍作用到封头的力，可以有效减小连接封头与筒体的环向焊缝所受的轴向应力，起到保护各段筒节之间、以及筒节与封头之间环焊缝的作用。

21、2、本发明容器内筒材料可以选用常规的高强度钢代替传统的304奥氏体不锈钢，可以减薄内筒设计厚度并减小容器总重量，且经济性更好。

22、3、本发明利用螺旋焊工艺制成的多段筒节，可以在储氢容器安装现场以环焊方式制成容器筒体，从根本上避免了在筒体引入轴向长焊缝。与传统高压储氢容器结构和制造方法相比，具有筒体制造周期短、制造工艺简单、焊缝安全性高等优点。此外，现场加工的方式也解决了大型成品容器出厂后的长途运输困难、成本高昂的问题。

23、4、本发明可以在容器长周期运行后，适时通过花篮螺栓调节轴向缠绕钢丝张紧力，防止容器工作过程中频繁充放的疲劳载荷引起的轴向缠绕钢丝应力松弛。根据受力平衡以及三角形相似原理，容量越大、容器越长，则调节花篮螺栓对轴向缠绕钢丝产生的张紧力越大，用较小的螺栓调节力即可实现轴向缠绕钢丝的张紧。这一运行期间调整应力的功能，是传统钢带缠绕容器无法实现的。

技术特征：

1.一种能够避免应力松弛的钢丝缠绕型储氢容器，其特征在于，该储氢容器的主体结构包括内筒筒体和位于两端的封头，内筒筒体与封头之间以焊接方式连接；两个封头的相对开口端分别套装一个齿形加强箍，并以焊接方式固定；在内筒筒体的外部以多层螺旋缠绕方式布置环向缠绕钢丝，环向缠绕钢丝之间、环向缠绕钢丝与内筒筒体之间以树脂实现粘合；

2.根据权利要求1所述的储氢容器，其特征在于，所述内筒筒体是由一段或多段筒节组成；单段筒节由钢板通过螺旋焊工艺成型，多个筒节之间通过环焊方式拼接，无轴向长焊缝；单段筒节长度为5-15m。

3.根据权利要求1所述的储氢容器，其特征在于，所述封头由钢板冲压成型，其形式为凸形封头，截面形状呈椭圆形、半球形或碟形；封头中心处开孔，用于连接外部管线。

4.根据权利要求1所述的储氢容器，其特征在于，所述齿形加强箍上的加强箍齿的数量为偶数，加强箍齿的截面呈外端大底端小的梯形；齿形加强箍外端高于最外层环向缠绕钢丝层，并确保轴向缠绕钢丝缠绕所需的空间。

5.根据权利要求1所述的储氢容器，其特征在于，所述用于调节轴向缠绕钢丝张紧力的花篮螺栓，以内筒筒体的轴向为中心对称布置。

6.根据权利要求1所述的储氢容器，其特征在于，所述内筒筒体和封头采用钢材制造，其屈服强度范围为600-800mpa；用于制造齿形加强箍的钢材屈服强度不小于325mpa；所述环向缠绕钢丝或轴向缠绕钢丝的直径为毫米级，具有1000gpa以上抗拉强度。

7.根据权利要求1所述的储氢容器，其特征在于，所述加强箍内环包覆于封头的开口端外侧，加强箍内环的厚度不小于封头厚度，且包覆角度α的范围为30 -70°。

8.权利要求1所述能够避免应力松弛的钢丝缠绕型储氢容器的制备方法，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述用于粘合的树脂是在常温常压条件下固化的树脂。

技术总结
本发明涉及储氢容器技术，旨在提供一种能够避免应力松弛的钢丝缠绕型储氢容器及制造方法。该储氢容器的内筒筒体的外部以多层螺旋缠绕方式布置环向缠绕钢丝且以树脂实现粘合；齿形加强箍包括由内至外的加强箍内环、加强环板和多个加强箍齿；加强箍内环呈碗环形且套装在封头外侧，多个加强箍齿等间距布置在加强环板上，在各组加强箍齿之间以往复缠绕的方式布置轴向缠绕钢丝且设有花篮螺栓。本发明的储氢容器通过环向缠绕钢丝和轴向缠绕钢丝对内筒筒体施加预紧力实现容器加强，利用花篮螺栓调节轴向缠绕钢丝的张紧力避免应力松弛；从而减小内筒壁厚及缠绕层钢材用量，进而实现容器轻量化；能够灵活调控内筒受力，有效减小环向焊缝所受的轴向应力。

技术研发人员：花争立,杨超,高睿晢,顾超华,李克明,邢百汇,郑津洋
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2025/1/23