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大容積高壓無縫氫氣鋼瓶的研制

文檔作者：王紅霞陳奇峰文檔來源： 1．石家莊安瑞科氣體機(jī)械有限公司 2．河北省鍋爐壓力容器監(jiān)督檢驗(yàn)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年10月21日
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第38卷 增刊
2O09年8月
石油化工設(shè)備
PETRO—CHEM ICAL EQUIPMENT
Vol_38 Supplement
Aug． 2O09
文章編號：100O一7466(2OO9)增刊一0O27一O3
大容積高壓無縫氫氣鋼瓶的研制
王紅霞 ，陳奇峰
(1．石家莊安瑞科氣體機(jī)械有限公司，河北石家莊O5O061；
2．河北省鍋爐壓力容器監(jiān)督檢驗(yàn)院，河北石家莊o5oo61)
摘要：用對環(huán)境污染極小甚至無污染的氫能源代替常規(guī)能源，是未來的發(fā)展趨勢。開發(fā)儲(chǔ)運(yùn)成本
低、運(yùn)載效率高、儲(chǔ)運(yùn)壓力在35～45 MPa甚至更高的高壓氫氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備是利用氫能源的關(guān)鍵。而
高壓氫氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備壓力超出了《氣瓶安全監(jiān)察規(guī)程》的適用范圍，沒有相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
做依據(jù)。著重論述了高壓無縫氫氣鋼瓶的研制方法、程序、重點(diǎn)、難點(diǎn)以及質(zhì)量性能可靠性的保證
措施。
關(guān)鍵詞：鋼瓶；高壓氫氣；開發(fā)
中圖分類號：TQ O51．5O1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B
DevelOpm ent 0f Large Capacity High Pressure Seam less Steel Gas Cylinders
wANG Hon xia ，cHEN Qi—fen
(1．Sh iazhuang ENR1C Gas Equipment Co．Ltd．，Shijiazhuang 050O61，China；
2．Hebei Supervision and Inspection of Bo訂er and Pressure Vessel， Shijiazhuang O5OO61，China)
Abstract： W ith increasing of consumption of conventional energy sources and environmental po1—
1utions in some aspects，in worldwide energy source field，it w訂1 be a trend to develop hydrogen，
an energy source having a little or even no environmental pol1ution， as replacement of present
conventional energy resources．In deve1oping hydrogen as an energy source，to find a low cost and
high efficiency transportation vessel with service pressure to be 35～ 45 M Pa or eVen higher wil1
be the key point．Above mentioned pressure is out of the scope 0f Safety Inspection Regulations
for Gas CyIinders，simultaneously there is no national or industrial standard as a reference．This
article will discourse high pressure seam1ess stee1 hydrogen cylinder’s research and deVel0pment
means， procedure， key process， emphasis， nodus and quality assurance measures．
Key w0rds： cylinder； high pressure hydrogen； development
隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和能源的廣泛利
用，常規(guī)能源將被大量消耗，同時(shí)伴隨著程度不同的
環(huán)境污染。開發(fā)對環(huán)境污染極小甚至沒有污染的、
能夠替代現(xiàn)有常規(guī)能源的未來清潔能源是當(dāng)務(wù)之
急。高壓氫氣是比較理想的清潔能源，而儲(chǔ)運(yùn)高壓
氫氣的設(shè)備— — 高壓無縫氫氣鋼瓶則是研發(fā)的重
點(diǎn)。高壓無縫氫氣鋼瓶的特點(diǎn)是壓力高、壁厚較大，
旋壓、熱處理難度大，高壓氫氣環(huán)境下易產(chǎn)生氫脆，
屬于疲勞容器，易產(chǎn)生疲勞破壞。為了降低高壓氣
體的儲(chǔ)運(yùn)成本，提高高壓氣體的運(yùn)載效率，高壓氫氣
的儲(chǔ)運(yùn)壓力正在不斷提高，一般為35～45 MPa。
《氣瓶安全監(jiān)察規(guī)程》適用于正常環(huán)境溫度
(一40～60℃)、公稱工作壓力為1．O～3O MPa、公
稱體積0．4～ 3 O0O L的氣瓶口]。對于研制開發(fā)
45 MPa無縫氫氣鋼瓶，目前還沒有相應(yīng)的國家標(biāo)
準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及國家主管部門頒布的安全技術(shù)規(guī)
收稿日期：2。09一O5—18
作者簡介：王紅霞(1966一)，女，河北冀州人，教授級高級工程師，學(xué)士，從事高、中壓容器(含氣瓶)的研發(fā)設(shè)計(jì)、制造工作。
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· 28 · 石油化工設(shè)備 2[)(]9年第38卷
范作為依據(jù)。
文獻(xiàn)[1]第4條規(guī)定，氣瓶產(chǎn)品應(yīng)符合相應(yīng)國家
標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)包括產(chǎn)品型式試驗(yàn)的內(nèi)容和
要求。暫時(shí)沒有國家標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，制造企業(yè)采用或
參照國際標(biāo)準(zhǔn)或國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)制訂企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。企業(yè)
標(biāo)準(zhǔn)需經(jīng)全國氣瓶標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)評審備案。第
5條則規(guī)定，研制、開發(fā)氣瓶及其附件新產(chǎn)品，應(yīng)在
試驗(yàn)研究并取得成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品試制。試制
品應(yīng)符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求，并按文獻(xiàn)[1]附件3《氣瓶
型式試驗(yàn)技術(shù)評定的內(nèi)容和要求》，由國家質(zhì)檢總局
特種設(shè)備局授權(quán)的單位組織專家進(jìn)行技術(shù)評定，經(jīng)
型式試驗(yàn)、技術(shù)評定合格的氣瓶方可批量制造。
鑒于上述要求，在試驗(yàn)、研究和實(shí)踐的基礎(chǔ)上，
石家莊安瑞科氣體機(jī)械有限公司對3O MPa以上的
高壓無縫氫氣鋼瓶按以下程序進(jìn)行了研制，制定了
滿足45 MPa氫氣鋼瓶研制開發(fā)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：① 產(chǎn)
品標(biāo)準(zhǔn)的起草、評審和備案。②產(chǎn)品設(shè)計(jì)、計(jì)算及產(chǎn)
品圖樣的審批和備案，設(shè)計(jì)圖樣報(bào)請大連市鍋爐壓
力容器檢驗(yàn)所審批、備案。③ 鋼瓶材料的研究。④
鋼瓶瓶體材料和端塞材料的氫脆試驗(yàn)。⑤產(chǎn)品工藝
試驗(yàn)、制造工藝的制定及產(chǎn)品試制。關(guān)鍵是旋壓工
藝和熱處理工藝的試驗(yàn)和制定。⑥ 產(chǎn)品的型式試
驗(yàn)，包括產(chǎn)品的外觀和各項(xiàng)力學(xué)性能檢驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)
及爆破試驗(yàn)等。⑦產(chǎn)品的技術(shù)評定。
l 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)起草
在全面研究現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)、文獻(xiàn)[1]、DOT 49CFR
§178．35《規(guī)范氣瓶的通用要求》、DOT 49CFR
§178．37《3AA 和3AAX無縫鋼瓶規(guī)范》及ISO
11120《氣瓶一水容積150L～3 O00 L的可重復(fù)使用
的無縫鋼制氣瓶的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)》的基礎(chǔ)
上_2 ]，結(jié)合多年研發(fā)生產(chǎn)大體積鋼質(zhì)無縫氣瓶的
經(jīng)驗(yàn)和積累的數(shù)據(jù)，根據(jù)45 MPa氫氣瓶的特點(diǎn)、研
發(fā)難點(diǎn)、易出現(xiàn)的問題及需要要著重解決的問題，起
草了適合該產(chǎn)品特點(diǎn)的、滿足產(chǎn)品性能和質(zhì)量要求
驗(yàn)收的依據(jù)。該產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)需經(jīng)全國氣瓶標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)
委員會(huì)評審并備案。
與文獻(xiàn)[1]適用范圍內(nèi)的無縫氣瓶標(biāo)準(zhǔn)相比，該
產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的主要特點(diǎn)和區(qū)別是：① 該產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的壓
力適用范圍為大于30 MPa且小于等于45 MPa。
②增加了鋼瓶瓶體材料和端塞材料進(jìn)行氫脆試驗(yàn)的
要求。③ 增加了按JB 4732—1995《鋼制壓力容
器—— 分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求對鋼瓶進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)
的要求 ]。④鋼瓶按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行未爆先漏
(LBB)的設(shè)計(jì)計(jì)算。⑤ 金相試樣和沖擊試樣應(yīng)靠近
試驗(yàn)環(huán)的內(nèi)壁切取。
2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)及圖樣要求
根據(jù)已經(jīng)報(bào)批和備案的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合產(chǎn)品特
點(diǎn)，對產(chǎn)品進(jìn)行圖樣設(shè)計(jì)并進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和疲勞分
析設(shè)計(jì)，以滿足產(chǎn)品性能要求。同時(shí)，應(yīng)進(jìn)行鋼瓶未
爆先漏的設(shè)計(jì)計(jì)算，以確保鋼瓶在任何情況下都不
會(huì)發(fā)生爆炸危險(xiǎn)。
無縫氫氣瓶的產(chǎn)品圖樣設(shè)計(jì)應(yīng)包括設(shè)計(jì)壓力、
設(shè)計(jì)溫度、鋼瓶體積、鋼瓶長度、鋼瓶直徑和壁厚，特
別是鋼瓶瓶肩、過度段及端部成型尺寸和要求、瓶端
螺紋形式和尺寸等都應(yīng)有明確的要求，而且應(yīng)確保
工藝上能夠?qū)崿F(xiàn)。產(chǎn)品圖樣上應(yīng)對鋼瓶使用的材料
牌號、材料化學(xué)成分、材料調(diào)質(zhì)熱處理后的力學(xué)性能
要求做出明確規(guī)定，還應(yīng)對鋼瓶的熱處理方式，無損
檢測方法、比例和合格指標(biāo)，水壓試驗(yàn)方法和試驗(yàn)壓
力，內(nèi)外壁處理方式、合格標(biāo)準(zhǔn)和級別以及鋼瓶熱處
理后的硬度指標(biāo)做出規(guī)定。
3 鋼瓶材料研制
鋼瓶在高壓氫氣環(huán)境使用，材料易產(chǎn)生氫脆，所
以對氫氣鋼瓶的材料有特殊要求。應(yīng)控制材料的含
碳量和硫、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)，含碳量高易產(chǎn)生致脆敏感
性，硫、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)高易產(chǎn)生氫脆。此外，還應(yīng)保證
適量的si、Mn、Cr、Mo質(zhì)量分?jǐn)?shù)。盛裝氫氣的無縫
的產(chǎn)品企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，作為氫氣鋼瓶設(shè)計(jì)、試制、檢驗(yàn)和 鋼瓶材料4130x、3OcrMoE的化學(xué)成分見表1。
表l 盛裝氫氣的無縫鋼瓶材料化學(xué)成分
4 氫脆試驗(yàn)
壓縮氫氣和一些含氫的氣體可以使金屬材料特
別是鋼材產(chǎn)生脆變。這種脆化影響導(dǎo)致了氫氣瓶失
效。高壓氫氣環(huán)境下鋼瓶的氫致開裂形式有多種，
如硫化物應(yīng)力開裂(SSC)、氫致開裂(HIC)、應(yīng)力導(dǎo)
向氫致開裂(SOHIC)和氫加速開裂(HAC)等。
高壓無縫氫氣鋼瓶研制的關(guān)鍵是鋼的氫脆研
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增刊 王紅霞，等：大容積高壓無縫氫氣鋼瓶的研制
究。目前世界同行業(yè)對于高壓氫氣鋼瓶氫脆試驗(yàn)的
研究均是依據(jù)1977年之前國外的試驗(yàn)結(jié)果，其試驗(yàn)
條件中給出的氫氣壓力為19．6 MPa。目前還沒有
檢索到在氫氣壓力45 MPa及以上條件下進(jìn)行鋼氫
脆試驗(yàn)的資料。為了取得材料在各種環(huán)境條件下的
氫脆試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為高壓氫氣瓶的研究創(chuàng)造條件，對無
縫氫氣瓶用鋼氫損傷敏感性進(jìn)行了試驗(yàn)評價(jià)。
4．1 試驗(yàn)依據(jù)及內(nèi)容
45 MPa氫氣鋼瓶的瓶體材料和螺塞材料均應(yīng)
按ISO lll14—4：2O05(E)《移動(dòng)氣瓶—— 氣瓶和瓶
閥材料與盛裝氣體的相容性—— 第4部分：選擇抗
氫脆金屬材料的試驗(yàn)方法》的要求進(jìn)行氫脆試驗(yàn)[6]，
也可按照GB／T 1597O．5—1998《金屬和合金的腐
蝕應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)第5部分：C型環(huán)試樣的制備和應(yīng)
用》、GB／T 1597O．6——1998《金屬和合金的腐蝕應(yīng)
力腐蝕試驗(yàn)第6部分：預(yù)裂紋試樣的制備和應(yīng)用》
或IsO 7539：2O03《金屬和合金的腐蝕應(yīng)力腐蝕試
驗(yàn)》等標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求進(jìn)行氫脆試驗(yàn)_7 '9_，氫脆試
驗(yàn)的結(jié)果應(yīng)能滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)和安全使用要求。
采用文獻(xiàn)[6]中的測試方法C對多種規(guī)格、多
個(gè)強(qiáng)度級別的413OX鋼在9O℃ 、45 MPa氫氣環(huán)境
中可能產(chǎn)生的氫損傷進(jìn)行測試。在外加載荷條件
下，進(jìn)行含裂紋缺陷試樣的裂紋擴(kuò)展速率估算、裂紋
擴(kuò)展應(yīng)力臨界應(yīng)力值估算及斷口特征描述。
4．2 試驗(yàn)方法及評價(jià)原理
用恒載荷或恒位移方法將預(yù)制疲勞裂紋試樣加
載到應(yīng)力強(qiáng)度K。 為某一規(guī)定值。試樣在9O℃加
壓氫氣中加載保持一規(guī)定的時(shí)間，經(jīng)過持續(xù)試驗(yàn)時(shí)
間(最少1 OO0 h)后，檢查試樣以評定預(yù)制疲勞裂紋
是否擴(kuò)展。如果試樣數(shù)據(jù)小于或等于規(guī)定的裂紋擴(kuò)
展值，那么這種材料具有抗氣瓶氫脆的性能。
石家莊安瑞科氣體機(jī)械有限公司與中國特種設(shè)
備檢測研究院合作進(jìn)行了鋼瓶抗氫脆開裂的試驗(yàn)，
試驗(yàn)結(jié)果表明4130x鋼在90℃ 、45 MPa氫氣環(huán)境
中具有良好的抗氫脆性能。
5 制造工藝
高壓氫氣鋼瓶壁厚較大，旋壓成型有一定的難
度。調(diào)質(zhì)熱處理時(shí)如何保證鋼瓶瓶體的淬透性、鋼
瓶內(nèi)外壁淬火的均勻性、鋼瓶材料淬火后為回火索
氏體以及熱處理后鋼瓶力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)要求是制
造的關(guān)鍵。
經(jīng)過大量試驗(yàn)和反復(fù)摸索，制定了可行的旋壓
工藝，主要包括鋼管加熱時(shí)間、始旋溫度、終旋溫度、
旋壓溫度控制、旋壓成型所需鋼管長度、旋壓成型形
狀和尺寸、旋壓增厚情況及旋輪的直徑大小等。
進(jìn)行大量的熱處理工藝試驗(yàn)后制定了熱處理工
藝，包括淬火工藝參數(shù)的制定、淬火介質(zhì)的選用和淬
火介質(zhì)濃度的配比等。淬火液的淬透性與鋼材的化
學(xué)成分、含碳量的高低，各種微量元素的含量、鋼材
的厚度、鋼材的軋制質(zhì)量等均有很大關(guān)系。
6 型式試驗(yàn)和技術(shù)評定
高壓氫氣鋼瓶試制完畢后，應(yīng)按照《氣瓶安全監(jiān)
察規(guī)定》和文獻(xiàn)[1]的要求進(jìn)行各項(xiàng)型式試驗(yàn)。型式
試驗(yàn)內(nèi)容至少包括原材料的進(jìn)廠檢驗(yàn)和復(fù)驗(yàn)，鋼瓶
尺寸和外觀檢驗(yàn)，鋼瓶的無損檢測，鋼瓶調(diào)質(zhì)熱處理
后的力學(xué)性能、沖擊韌性、硬度檢驗(yàn)，鋼瓶壓力試驗(yàn)、
致密性試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)和爆破試驗(yàn)等。型式試驗(yàn)結(jié)
果應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)圖樣和工藝文件的要求，確保產(chǎn)
品的設(shè)計(jì)安全和使用安全。
根據(jù)文獻(xiàn)[1]第5條規(guī)定，開發(fā)研制氣瓶新產(chǎn)
品，應(yīng)按照《氣瓶型式試驗(yàn)技術(shù)評定的內(nèi)容和要求》，
由國家質(zhì)檢總局特種設(shè)備安全監(jiān)察局授權(quán)的單位組
織專家進(jìn)行技術(shù)評定。
對已取得無縫鋼質(zhì)氣瓶制造資格的企業(yè)，經(jīng)型
式試驗(yàn)、技術(shù)評定合格的氣瓶，可進(jìn)行批量生產(chǎn)。
7 結(jié)語
文中介紹的35～45 MPa及以上壓力的大體積
高壓鋼質(zhì)儲(chǔ)氫氣瓶研發(fā)情況，為氫能源利用所必須
的儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的研制奠定了基礎(chǔ)，具有重要意義。
參考文獻(xiàn)：
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無縫鋼制氣瓶的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)[s]．
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[6] Iso l1114—4：2oo5(E)，移動(dòng)氣瓶— — 氣瓶和瓶閥材料與盛
裝氣體的相容性—— 第4部分：選擇抗氫脆金屬材料的試驗(yàn)方
法[S]．
[7] GB／T 1597O．5—1998，金屬和合金的腐蝕．應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)．第
5部分：c型環(huán)試樣的制備和應(yīng)用[S]．
[8] GB／T 1597O．6—1998，金屬和合金的腐蝕．應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)．第
6部分：預(yù)裂紋試樣的制備和應(yīng)用[s]．
[9] IsO 7539：2∞ 3，金屬和合金的腐蝕應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)[s]．
(張編)

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