大容積全多層高壓儲(chǔ)氫容器及氫在金屬中的富集特性研究.pdf

1、氫能以其來(lái)源豐富、無(wú)污染、燃燒效率高、可再生等優(yōu)點(diǎn)成為新世紀(jì)最具發(fā)展前景的二次能源。氫能可儲(chǔ)存和輸送，是能量密度低、難儲(chǔ)存、穩(wěn)定性差的可再生能源利用的重要橋梁，是人類戰(zhàn)略能源的發(fā)展方向。
　　 經(jīng)濟(jì)、安全、可靠的儲(chǔ)氫是氫能規(guī)模化利用的關(guān)鍵之一。高壓儲(chǔ)氫具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壓縮氫氣制備能耗低、充放速度快等優(yōu)點(diǎn)，是目前占絕對(duì)主導(dǎo)地位的儲(chǔ)氫方式。高壓儲(chǔ)氫容器是高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。
　　 隨著高壓氫系統(tǒng)從應(yīng)用示范向工業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)變

2、進(jìn)程的加快，對(duì)高壓儲(chǔ)氫的規(guī)模和安全性的要求將越來(lái)越高，與之相適應(yīng)高壓儲(chǔ)氫容器將繼續(xù)朝著大容積、高壓力、高可靠性的方向發(fā)展，隨之而來(lái)的大容積高壓儲(chǔ)氫容器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)和金屬材料高壓氫脆問(wèn)題，也將越來(lái)越突出。
　　 在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863計(jì)劃”）項(xiàng)目“高壓容器儲(chǔ)氫技術(shù)和裝備”（項(xiàng)目編號(hào):2006AA05Z143）和“70MPa高壓氫氣儲(chǔ)存加注系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及裝置研究”（項(xiàng)目編號(hào):2009AA05Z118）的支持下，針對(duì)浙

3、江大學(xué)發(fā)明的大容積全多層高壓儲(chǔ)氫容器結(jié)構(gòu)，本文圍繞容器簡(jiǎn)體等強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)、封頭與簡(jiǎn)體連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、容器安全性及氫在金屬中的富集特性等關(guān)鍵問(wèn)題開(kāi)展研究，完成的主要工作有:
　　 (1)基于帶寬方向有效正應(yīng)力和切應(yīng)力模型，推導(dǎo)出考慮鋼帶層間摩擦力的纏繞預(yù)應(yīng)力及工作狀態(tài)下應(yīng)力分析方法，完善和發(fā)展了鋼帶錯(cuò)繞簡(jiǎn)體彈性應(yīng)力分析方法，在此基礎(chǔ)上，建立了一種基于逆向遞推思想的鋼帶纏繞預(yù)拉應(yīng)力計(jì)算方法，開(kāi)發(fā)了大容積全多層高壓儲(chǔ)氫容器優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件（

4、登記號(hào)為:2011SR060577），并以自主研制的75MPa、2.5m3大容積全多層高壓儲(chǔ)氫容器為例，將本文建立的鋼帶纏繞預(yù)拉應(yīng)力確定方法與前人提出的低應(yīng)力內(nèi)筒法及未考慮摩擦力的等切應(yīng)力纏繞法進(jìn)行比較，本文建立的方法既實(shí)現(xiàn)了鋼帶層沿壁厚方向的等強(qiáng)度，又將內(nèi)筒應(yīng)力控制在較低的水平，具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。
　　 (2)以自主研制的75MPa、2.5m3高壓儲(chǔ)氫容器為對(duì)象，開(kāi)展了大容積全多層高壓儲(chǔ)氫容器封頭和簡(jiǎn)體連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)研究，獲得

5、了加強(qiáng)箍、封頭及其連接部位應(yīng)力隨內(nèi)壓的變化情況。建立了精度較高的大容積全多層高壓儲(chǔ)氫容器封頭和筒體連接結(jié)構(gòu)彈塑性有限元分析模型。基于該模型，對(duì)封頭和簡(jiǎn)體連接結(jié)構(gòu)在容器超壓過(guò)程中的變形特征，及封頭與加強(qiáng)箍配合面形成裂紋尖端在多次加載時(shí)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了加強(qiáng)箍結(jié)構(gòu)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的合理性。
　　 (3)從介質(zhì)、設(shè)備、環(huán)境、操作與管理等方面，對(duì)大容積全多層高壓儲(chǔ)氫容器可能面臨的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了辨識(shí)，并提出了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施。結(jié)合大容積

6、全多層高壓儲(chǔ)氫容器自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從設(shè)計(jì)要點(diǎn)、實(shí)踐基礎(chǔ)和標(biāo)準(zhǔn)制定等方面對(duì)保障容器安全性的措施進(jìn)行了分析。利用大容積全多層高壓儲(chǔ)氫容器封頭和筒體均為多層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及其“只漏不爆”的失效特性，開(kāi)發(fā)了容器泄漏監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了容器安全狀態(tài)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
　　 (4)基于彈塑性斷裂力學(xué)理論和廣義擴(kuò)散定律，建立了局部應(yīng)力場(chǎng)作用下氫在金屬中擴(kuò)散行為的順序耦合分析模型?；谠撃Ｐ停沂玖肆鸭y尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)、溫度和材料界面等因素對(duì)氫的擴(kuò)散行為與