高壓儲氫容器失穩分析與研制

鄭傳祥 魏宗新 王 亮 李 蓉 魏 雙

(浙江大學化工過程機械研究所)

高強度碳纖維復合材料高壓容器因其輕質、高強度、便于移動而被大量應用于航空航天及導彈等飛行器。在石油資源緊缺與城市環境污染日益嚴重的雙重因素作用下，隨著以氫氣、天然氣等清潔能源為動力的氫動汽車、天然氣汽車的發展，復合材料高壓容器已經逐漸地走向了民用汽車。豐田公司的氫動三號、通用公司的氫動汽車和寶馬公司研制的氫動汽車均已比較成熟，其性能和續航能力均已達到普通汽車的性能，關鍵制約因素之一是氫的儲運技術還未達到產業化要求。

儲氫技術主要有低溫液化、合金儲氫、高壓儲氫及有機物儲氫等。高壓儲氫因其操作簡單、技術成熟、產業化基礎比較完善，最接近產業化，因此在車用儲氫方面，目前開發的氫動汽車以高壓儲氫為主導，為提高儲氫密度，國際上普遍采用70MPa以上復合材料高壓儲氫容器。我國氫動汽車則以35MPa以下的天然氣瓶替代，更高壓力的儲氫容器還處于試驗研究階段。較低壓力的儲氫容器需要頻繁充放氫，其結果會導致系統的疲勞壽命和效率降低[1～5]。

1 70MPa復合材料高壓儲氫容器的失穩分析

為了提高單位重量的儲氫量，增加高壓儲氫的安全性，采用碳纖維預應力纏繞復合材料筒體，這種技術在鋼制繞帶式壓力容器[6]和復合材料高壓儲氫容器中已被提及[7]，并證明是有效的。本儲氫容器同樣采用預應力纏繞技術，以降低內襯應力，避免了內襯受到高應力和介質腐蝕的雙重作用。但碳纖維預應力纏繞下，內襯是否會發生失穩是十分關鍵的問題，根據以往的試驗研究經驗，一旦內襯發生失穩、產生皺褶，容器的抗疲勞性能基本喪失，一般會在100次以內的反復拉伸與壓縮后完全失效。

碳纖維纏繞內襯復合材料高壓氣瓶如圖1所示[8]，纖維層螺旋正負交替纏繞，纏繞角為53.73°，每層厚度0.42mm，總共25層。容器操作壓力為70MPa，內襯彈性模量為80GPa，碳纖維強度為2 768.8MPa，纖維長度方向的彈性模量為181GPa，纖維寬度方向彈性模量為10.3GPa，纖維剪切模量為7.17GPa，泊松比為0.28。內襯內半徑為100mm。

圖1 碳纖維纏繞內襯容器結構

為了使儲氫容器的儲氫密度達到5%及以上，內襯應該越薄越好，為此內襯壁厚取1.2、1.5、2.0mm，由于屈曲失穩分析比較復雜，借助有限元方法加以計算。分析軟件采用ANSYS，采用SOLSH190單元，共3 312個單元，6 486個節點。分別取兩種載荷形式：在筒體圓柱段作用均布壓力；在兩端封頭處作用均布壓力。分析其一階失穩的臨界壓力，高階分析也可以做，但一旦失穩以后再分析高階意義不大，計算結果見表1、2，而失穩模態與形狀如圖2～7所示。

表1 筒體圓柱段作用壓力時內膽不同壁厚的前十階屈曲荷載

表2 兩端封頭處作用壓力時內膽不同壁厚時的前十階屈曲荷載

圖2 筒體圓柱段作用壓力時內膽第一階屈曲模態(壁厚1.2mm)

圖3 封頭上作用壓力時內膽第一階屈曲模態(壁厚1.2mm)

圖4 筒體圓柱段作用壓力時內膽第一階屈曲模態(壁厚1.5mm)

圖5 封頭上作用壓力時內膽第一階屈曲模態(壁厚1.5mm)

圖6 筒體圓柱段作用壓力時內膽第一階屈曲模態(壁厚2.0mm)

圖7 封頭上作用壓力時內膽第一階屈曲模態(壁厚2.0mm)

可見，這類容器的失穩主要是環向失穩。根據計算，在設定預應力下，內襯2mm以上不會失穩，考慮到一定的安全裕度，本容器采用4mm壁厚。此時，在設定預應力下，計算出的內襯環向平均應力和軸向平均應力都低于內襯許用應力，從強度方面也能達到要求。確定了容器的各參數以后，根據設定的預應力和工藝制造的容器如圖8所示。

圖8 復合材料高壓儲氫容器

2 70MPa快速充放氫系統

目前為止，我國高壓儲氫容器的試驗均是以液壓試驗代替氫介質進行的，但由于氫介質具有極強的滲透性和一定的腐蝕性[9]，會對試驗結果造成偏差。為了解決這一問題，北京航天試驗技術研究所建立了一套70MPa的快速充、放氫系統，該系統的原理如下：來自壓縮機的高壓氫氣(一般是80MPa)通過氣動球閥和孔板流量計充入車載高壓儲氫氣瓶，到達既定的工作壓力后，停止充氫氣，然后打開該氣瓶的泄壓閥，氫氣泄排放到低壓緩沖罐內，待車載氣瓶的壓力降到1MPa以下后，來自緩沖罐內的低壓氫氣就由高壓壓縮機再充入到80MPa的高壓儲氫罐內，完成一個循環，接著開始下一個疲勞循環周期。工作原理如圖9所示。

3 強度及疲勞試驗

根據高壓儲氫容器的使用特點和要求，這類容器具有移動式、反復充氣要求，并且氫氣具有很強的滲透性和一定的腐蝕性，這類容器直接裝于車上，與人身安全密切相關，故必須絕對保證其安全性。為此，需要對這類容器進行各種強度試驗：耐壓試驗、耐沖擊試驗、疲勞試驗和爆破試驗。通過各種試驗的嚴格考核，才能確保容器的安全性。合肥通用機械研究所壓力容器檢驗站和浙江省特種設備檢驗院分別對此復合材料高壓容器進行了檢測，均符合要求。疲勞試驗是在液壓狀態下進行的，對該復合材料氣瓶進行了6 000次疲勞試驗，而后又進行了水壓試驗，經過1h保壓仍然沒有泄漏，驗證了容器的疲勞試驗安全可靠，相比較國家對這類容器的疲勞試驗要求在5 000次以上的要求，性能提高了15%以上。最后對疲勞試驗后的容器進行了爆破試驗，爆破壓力達142MPa，抗沖擊性能由于試驗條件所限沒有進行實測。

在氫環境下的各種試驗是最接近真實工況的，目前70MPa強度試驗已經完成，疲勞試驗進行了500次[10]，運行情況正常，隨后進行的爆破試驗，壓力達到139MPa。

4 結束語

通過對碳纖維復合材料高壓儲氫容器內襯屈曲失穩的研究，通過有限元分析，借助ANSYS軟件計算得到當內襯厚度大于2mm時即可不發生失穩，考慮安全裕度，最終選取4mm厚度，這樣容器內襯在工作壓力下既不發生失穩失效，也不發生強度失效，可充分利用碳纖維纏繞內襯儲氫容器外纏繞纖維層應力可調和優化的優點，基本達到等強度應力分布的合理應力分布狀態，有利于提高容器的安全性能。

圖9 快速充放氫系統工作原理示意圖

通過北京航天試驗技術研究所70MPa高壓儲氫容器快速充放氫系統進行該高壓儲氫容器的氫環境疲勞試驗，并在合肥通用機械研究所壓力容器檢驗站和浙江省特種設備檢驗院分別對此復合材料高壓容器進行了耐壓試驗、耐沖擊試驗和爆破試驗，都得到了安全驗證。

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