大容积全多层高压储氢容器及氢在金属中的富集特性研究

发布时间：2020-04-03 01:04

【摘要】：氢能以其来源丰富、无污染、燃烧效率高、可再生等优点成为新世纪最具发展前景的二次能源。氢能可储存和输送,是能量密度低、难储存、稳定性差的可再生能源利用的重要桥梁,是人类战略能源的发展方向。经济、安全、可靠的储氢是氢能规模化利用的关键之一。高压储氢具有设备结构简单、压缩氢气制备能耗低、充放速度快等优点,是目前占绝对主导地位的储氢方式。高压储氢容器是高压储氢系统的关键设备。随着高压氢系统从应用示范向工业应用转变进程的加快,对高压储氢的规模和安全性的要求将越来越高,与之相适应高压储氢容器将继续朝着大容积、高压力、高可靠性的方向发展,随之而来的大容积高压储氢容器结构强度优化设计和金属材料高压氢脆问题,也将越来越突出。在国家高技术研究发展计划(“863计划”)项目“高压容器储氢技术和装备”(项目编号：2006AA05Z143)和“70MPa高压氢气储存加注系统关键技术及装置研究”(项目编号：2009AA05Z118)的支持下,针对浙江大学发明的大容积全多层高压储氢容器结构,本文围绕容器筒体等强度优化设计、封头与筒体连接结构强度、容器安全性及氢在金属中的富集特性等关键问题开展研究,完成的主要工作有： (1)基于带宽方向有效正应力和切应力模型,推导出考虑钢带层间摩擦力的缠绕预应力及工作状态下应力分析方法,完善和发展了钢带错绕筒体弹性应力分析方法,在此基础上,建立了一种基于逆向递推思想的钢带缠绕预拉应力计算方法,开发了大容积全多层高压储氢容器优化设计软件(登记号为：2011SR060577),并以自主研制的75MPa、2.5m3大容积全多层高压储氢容器为例,将本文建立的钢带缠绕预拉应力确定方法与前人提出的低应力内筒法及未考虑摩擦力的等切应力缠绕法进行比较,本文建立的方法既实现了钢带层沿壁厚方向的等强度,又将内筒应力控制在较低的水平,具有显著的优点。 (2)以自主研制的75MPa、2.5m3高压储氢容器为对象,开展了大容积全多层高压储氢容器封头和筒体连接结构强度试验研究,获得了加强箍、封头及其连接部位应力随内压的变化情况。建立了精度较高的大容积全多层高压储氢容器封头和筒体连接结构弹塑性有限元分析模型。基于该模型,对封头和筒体连接结构在容器超压过程中的变形特征,及封头与加强箍配合面形成裂纹尖端在多次加载时的稳定性进行了分析,验证了加强箍结构经验设计方法的合理性。 (3)从介质、设备、环境、操作与管理等方面,对大容积全多层高压储氢容器可能面临的风险进行了辨识,并提出了相应的风险控制措施。结合大容积全多层高压储氢容器自身的结构特点,从设计要点、实践基础和标准制定等方面对保障容器安全性的措施进行了分析。利用大容积全多层高压储氢容器封头和筒体均为多层结构的特点及其“只漏不爆”的失效特性,开发了容器泄漏监控系统,实现了容器安全状态的远程实时监测。 (4)基于弹塑性断裂力学理论和广义扩散定律,建立了局部应力场作用下氢在金属中扩散行为的顺序耦合分析模型。基于该模型,揭示了裂纹尖端应力应变场、温度和材料界面等因素对氢的扩散行为与富集特性的影响规律,并在此基础上提出了防止氢在局部富集的措施。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TH49;TG111

【参考文献】