大容積全多層高壓儲氫容器及氫在金屬中的富集特性研究.pdf

1、氫能以其來源豐富、無污染、燃燒效率高、可再生等優(yōu)點成為新世紀最具發(fā)展前景的二次能源。氫能可儲存和輸送，是能量密度低、難儲存、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、安全、可靠的儲氫是氫能規(guī)?；玫年P鍵之一。高壓儲氫具有設備結構簡單、壓縮氫氣制備能耗低、充放速度快等優(yōu)點，是目前占絕對主導地位的儲氫方式。高壓儲氫容器是高壓儲氫系統(tǒng)的關鍵設備。
　　 隨著高壓氫系統(tǒng)從應用示范向工業(yè)應用轉變

2、進程的加快，對高壓儲氫的規(guī)模和安全性的要求將越來越高，與之相適應高壓儲氫容器將繼續(xù)朝著大容積、高壓力、高可靠性的方向發(fā)展，隨之而來的大容積高壓儲氫容器結構強度優(yōu)化設計和金屬材料高壓氫脆問題，也將越來越突出。
　　 在國家高技術研究發(fā)展計劃（“863計劃”）項目“高壓容器儲氫技術和裝備”（項目編號:2006AA05Z143）和“70MPa高壓氫氣儲存加注系統(tǒng)關鍵技術及裝置研究”（項目編號:2009AA05Z118）的支持下，針對浙

3、江大學發(fā)明的大容積全多層高壓儲氫容器結構，本文圍繞容器簡體等強度優(yōu)化設計、封頭與簡體連接結構強度、容器安全性及氫在金屬中的富集特性等關鍵問題開展研究，完成的主要工作有:
　　 (1)基于帶寬方向有效正應力和切應力模型，推導出考慮鋼帶層間摩擦力的纏繞預應力及工作狀態(tài)下應力分析方法，完善和發(fā)展了鋼帶錯繞簡體彈性應力分析方法，在此基礎上，建立了一種基于逆向遞推思想的鋼帶纏繞預拉應力計算方法，開發(fā)了大容積全多層高壓儲氫容器優(yōu)化設計軟件（

4、登記號為:2011SR060577），并以自主研制的75MPa、2.5m3大容積全多層高壓儲氫容器為例，將本文建立的鋼帶纏繞預拉應力確定方法與前人提出的低應力內(nèi)筒法及未考慮摩擦力的等切應力纏繞法進行比較，本文建立的方法既實現(xiàn)了鋼帶層沿壁厚方向的等強度，又將內(nèi)筒應力控制在較低的水平，具有顯著的優(yōu)點。
　　 (2)以自主研制的75MPa、2.5m3高壓儲氫容器為對象，開展了大容積全多層高壓儲氫容器封頭和簡體連接結構強度試驗研究，獲得

5、了加強箍、封頭及其連接部位應力隨內(nèi)壓的變化情況。建立了精度較高的大容積全多層高壓儲氫容器封頭和筒體連接結構彈塑性有限元分析模型。基于該模型，對封頭和簡體連接結構在容器超壓過程中的變形特征，及封頭與加強箍配合面形成裂紋尖端在多次加載時的穩(wěn)定性進行了分析，驗證了加強箍結構經(jīng)驗設計方法的合理性。
　　 (3)從介質、設備、環(huán)境、操作與管理等方面，對大容積全多層高壓儲氫容器可能面臨的風險進行了辨識，并提出了相應的風險控制措施。結合大容積

6、全多層高壓儲氫容器自身的結構特點，從設計要點、實踐基礎和標準制定等方面對保障容器安全性的措施進行了分析。利用大容積全多層高壓儲氫容器封頭和筒體均為多層結構的特點及其“只漏不爆”的失效特性，開發(fā)了容器泄漏監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了容器安全狀態(tài)的遠程實時監(jiān)測。
　　 (4)基于彈塑性斷裂力學理論和廣義擴散定律，建立了局部應力場作用下氫在金屬中擴散行為的順序耦合分析模型?；谠撃Ｐ?，揭示了裂紋尖端應力應變場、溫度和材料界面等因素對氫的擴散行為與