[发明专利]大直径无缝钢质内胆环向缠绕气瓶及制造方法

说明书

本发明公开了一种大直径无缝钢质内胆环向缠绕气瓶及制造方法，采用高强度的碳纤维增强无缝钢质内胆的承压能力，采用正交缠绕与交叉缠绕的组合缠绕工艺，使碳纤维既承受径向应力又兼顾承受轴向应力，强化合理分配缠绕中各层碳纤维之间的受力，加强关联性和相互补偿的一致性的结构特征，使内胆在反复充、放高压气体的过程中所产生的弹性形变严格控制在理论规范值之内。

技术领域

本发明涉及移动式压力容器领域，特别涉及一种大直径无缝钢质内胆环向缠绕气瓶及制造方法。

背景技术

发展天然气及氢燃料电池汽车成为世界各国改善环境和可持续发展的最佳选择，随着 CNG、LNG及氢燃料电池汽车的日益发展，天然气、氢气的需求也日益旺盛，运输成为天然气、氢能发展的重要一环。

目前，天然气的运输装备主要有LNG汽车罐车、LNG罐箱、CNG长管拖车及CNG管束式集装箱，氢气的运输装备主要有长管拖车及管束式集装箱。长管拖车及管束式集装箱的公称工作压力为20MPa，由6～106个气瓶大容积钢质无缝气瓶，厚度达到16.5mm～ 21.2mm以上，因此气瓶自重较重，重容比也较大，一般在1.23～1.58kg/L之间。

目前大多采用大容积钢质无缝气瓶组装成管束箱，这种方式往往导致管束箱自重太重，容积太小，装载量太小，运输成本较高，不利于节能减排。国内外运输天然气、氢气等压缩气体、高压液化气体一般采用外径为559、671、719的钢质气瓶，其缺点就是重容比大(气瓶重量与容积之比)，装载的介质少，例如，20MPa的无缝钢质气瓶，其重容比一般在1.23～1.58kg/L之间。在国内外道路运输限重的前提下，如何减轻气瓶自重，增加气瓶容积，增加气体的装载量成为必须要解决的关键问题。缠绕气瓶与钢质气瓶相比具有自重轻，容积大，装载量大，有效降低了单位运输成本，符合“节能减排”的国家政策。市场上采用钢制内胆环向缠绕气瓶一般用于车载系统，公称容积小，为30～450L,远不能满足天然气、氢气等压缩气体的运输需求。铝内胆碳纤维缠绕气瓶，受铝合金材料的刚度、成型工序等因素制约，国内外的Ⅲ型气瓶容积未能超过450L，且成本昂贵；市场上采用的铝内胆和塑料内胆加玻璃纤维“茧式”缠绕的复合材料气瓶，气瓶价格高，其成本约为钢制内胆缠绕气瓶的7倍，工序复杂，所使用的设备昂贵，而且使用密封的聚合物材料易于老化并逐渐失去弹性及密封性，从而降低气瓶的使用性能。

发明内容

为了克服现有技术中存在的钢质气瓶自重大、容积小、装载量小、单位运输成本高，铝内胆和塑料内胆缠绕复合气瓶工序复杂、使用的设备昂贵的技术缺陷，本发明提出本发明目的是要提供一种2000～4300升大容积、671～719mm大直径，8.8～16mm厚度，公称工作压力为20～30MPa储运压缩气体、高压液化气体的缠绕气瓶结构。使该气瓶具有与充装气体的相容性好、承压能力高、水容积大、防渗漏性能好、耐疲劳性能高、而重量相对较轻且安全可靠的特性。

为了实现上述发明的目的，本发明公开了一种大直径无缝钢质内胆环向缠绕气瓶的制造方法，包括：

将大直径无缝钢管两端热旋压成球形封头，其后进行调质热处理、螺纹加工等工序制成能与端塞螺纹连接的无缝钢质内胆；

将所述无缝钢质内胆采用淬火、回火的热处理工艺处理，以使所述无缝钢质内胆的金相组织转变为回火索氏体；

配制胶液，所述胶液为环氧树脂胶液；

采用纤维材料与所述胶液在所述无缝钢质内胆表面缠绕固化形成承压层；

采用玻璃纤维与环氧树脂在所述承压层表面缠绕固化形成保护层；

转移至固化炉中烘干、固化，得到大直径无缝钢质内胆环向缠绕气瓶。

在另一优选例中，所述纤维材料选自碳纤维、玻璃纤维、聚丙烯腈预氧化纤维、石墨纤维或其他复合材料。