一种轻量化高压气瓶、运输系统和制备方法

技术领域

本申请涉及气体压力容器技术领域，适用于盛放氢气、天然气或甲烷等有致脆性、应力腐蚀倾向的气体，特别是一种可用于固定存放或移动运输的轻量化高压气瓶。

背景技术

氢能具有清洁、高效及可持续发展等优点，被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源之一，成为各国能源战略转移和研究的重点。加氢站作为氢能应用的重要保障，是氢燃料电池汽车实现商业化的关键基础设施。目前，加氢站的氢气源主要通过将氢气装入高压气瓶，再用长管拖车将高压气瓶运输至指定加氢站。

在运输过程中，采用减轻所有构件的重量和提高充装压力，来提高氢气运输效率，由此也包括要减轻高压气瓶的重量。为了降低高压气瓶的重量并保证充装压力，目前采用I型气瓶和II型气瓶，I型气瓶为单层金属气瓶，II型气瓶为缠绕气瓶，所谓缠绕气瓶包括：所谓的内胆和采用特殊工艺缠绕在内胆上的复合材料。其中，内胆可以是薄金属壁的气瓶，复合材料可以由玻璃纤维、碳纤维等作为增强纤维，热固性树脂作为基体复合而成。其中，碳纤维缠绕复合材料以重量轻、拉伸强度大成为先进复合材料发展最快的技术。但是，碳纤维缠绕复合材料制成的缠绕气瓶，因为纤维之间用通过热固性树脂结合成一体，树脂硬度低、且耐热性差，所以该碳纤维缠绕气瓶在运输中，如被刮蹭、磕碰、泄露起火或车辆起火，则碳纤维缠绕结构就存在失效风险，导致薄金属壁的内胆承受不住工作内压而爆炸。

碳纤维缠绕气瓶自重最轻，但存在失效的安全风险，且碳纤维每公斤上百元的成本极高，也为氢能源的应用带来现实难度。因此，如何提供一种自身重量轻、储气量大、安全可靠性强、成本可接受的轻量化高压气瓶，是本领域技术人员丞待解决的技术问题。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种轻量化高压气瓶。

第一方面，本申请提供了一种轻量化高压气瓶，包括：

气瓶本体，气瓶本体包括：第一钢层和第二钢层，其中，第一钢层为外壳，第二钢层为内衬；

第一钢层为高强度钢，用于承载充装于气瓶本体内气体的压力，其中，气体为具有致脆性和应力腐蚀倾向的气体；

第二钢层为耐气体致脆性和应力腐蚀倾向的钢，用于隔离气体与第一钢层的内壁；

其中，第一钢层和第二钢层通过复合挤压或复合轧制，使第一钢层和第二钢层的界面间的原子在温度和/或压力的作用下，相互扩散彼此渗透，得到冶金结合的连接状态使第一钢层和第二钢层相互结合。

在其中一个实施例中，第一钢层为铬钼钢；第二钢层为奥氏体不锈钢。

在其中一个实施例中，第二钢层的厚度小于等于第一钢层的厚度。

在其中一个实施例中，一种轻量化高压气瓶，还包括：至少一个瓶口，瓶口设于气瓶本体的端部，瓶口与气瓶本体为一体结构，瓶口与气瓶本体之间设有过渡段。

在其中一个实施例中，瓶口外壁设有与法兰连接的凸缘。

在其中一个实施例中，还包括与一个瓶口对应的瓶底。

在其中一个实施例中，瓶底为凸型底、凹型底、H型底或热装底座。

第二方面，本申请还提供了一种运输系统，包括：

上述实施例任一项的一种轻量化高压气瓶；

高压气瓶支架，用于支撑轻量化高压气瓶；

集装箱，用于承装高压气瓶支架和轻量化高压气瓶。

第三方面，本申请还提供了一种轻量化高压气瓶制造方法，方法包括：

获取第一钢层待加工坯和第二钢层待加工坯；

根据第一钢层待加工坯和第二钢层待加工坯，得到复合待加工坯；

对复合待加工坯进行挤压或轧制得到带衬管坯；

对带衬管坯进行变形和机械加工，得到瓶口和瓶口上的凸缘，最后得到轻量化高压气瓶。

在其中一个实施例中，根据第一钢层待加工坯和第二钢层待加工坯，得到复合待加工坯，包括：

将第一钢层待加工坯焊接于第二钢层待加工坯外表面。

上述一种轻量化高压气瓶、运输系统和制备方法，包括：气瓶本体，气瓶本体包括：第一钢层和第二钢层，其中，第一钢层为外壳，第二钢层为内衬；第一钢层为高强度钢，用于承载充装于气瓶本体内气体的压力，其中，气体为具有致脆性和应力腐蚀倾向的气体；第二钢层为耐气体致脆性和应力腐蚀倾向的钢，用于隔离气体与第一钢层的内壁；其中，第一钢层和第二钢层通过复合挤压或复合轧制，使第一钢层和第二钢层的界面间的原子在温度和/或压力的作用下，相互扩散彼此渗透，得到冶金结合的连接状态使第一钢层和第二钢层相互结合。本申请通过具有耐气体致脆性和应力腐蚀倾向的第二钢层对第一钢层和气体进行隔离，使第一钢层抗拉强度提高至1060MPa,瓶体壁许用应力达到624MPa，使第一钢层厚度减小，从而减轻气瓶本体自身重量，增大充装容积，进而提高运输效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一个实施例中一种轻量化高压气瓶的双瓶口结构示意图；

图2为一个实施例中一种轻量化高压气瓶的凸型底结构示意图；

图3为一个实施例中一种轻量化高压气瓶的凹型底结构示意图；

图4为一个实施例中一种轻量化高压气瓶的H型底结构示意图；

图5为一个实施例中一种轻量化高压气瓶的热装底座结构示意图；

图6为一个实施例中一种轻量化高压气瓶的制造流程示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的耦合。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。

本申请实施例，提供的一种轻量化高压气瓶，适用于盛放氢气、天然气或甲烷等有致脆性、应力腐蚀倾向的气体。相关标准规定，用于盛装氢气、天然气或甲烷等有致脆性、应力腐蚀倾向气体的高压气瓶应为无缝钢瓶，瓶壁应力不得大于482MPa，热处理后抗拉强度不应大于880MPa。以目前长管拖车、管束式集装箱用的20MPa工作压力高压气瓶为例，GB/T18248-2021标准材料牌号为4130X、外径715mm的，壁厚应在21.12mm以上，如此，长度11米的高压气瓶自身重量高达4850Kg以上。由于车辆的载重限制，要提高运输效率，则需要降低气瓶自重，增加单位容积充装质量。本申请通过外壳承载充装于气瓶本体的内压，采用内衬层隔离氢气与外壳的方式，可使外壳金属抗拉强度至1060MPa、壁许用应力至624MPa，使第一钢层厚度减小，从而减轻气瓶本体自身重量，增大容积和充装压力，进而提高运输效率，并且安全可靠性强、成本低。

实施例一、

如图1所示，在本实施例中，提供了一种轻量化高压气瓶，包括：气瓶本体1，气瓶本体1包括：第一钢层101和第二钢层102，其中，第一钢层101为外壳，第二钢层102为内衬；第一钢层101为高强度钢，用于承载充装于气瓶本体1内气体的压力，其中，气体为具有致脆性和应力腐蚀倾向的气体；第二钢层102为耐气体致脆性和应力腐蚀倾向的钢，用于隔离气体与第一钢层101的内壁；其中，第一钢层101和第二钢层102通过复合挤压或复合轧制，使第一钢层101和第二钢层102的界面间的原子在温度和/或压力的作用下，相互扩散彼此渗透，得到冶金结合的连接状态使第一钢层101和第二钢层102相互结合。

具体地，一种轻量化高压气瓶的气瓶本体1为双层钢结构，第一钢层101为外壳，第二钢层102为内衬。第一钢层101采用高强度钢，高强度钢的外壳可以承载充装于气瓶本体1内气体的压力。由于气体为具有致脆性和应力腐蚀的气体，包括：氢气、天然气和甲烷等。在第一钢层101的内壁设有耐气体致脆性和应力腐蚀倾向的第二钢层102，用于隔离气体与第一钢层101的内壁，由于第二钢层102的设置，使第一钢层101抗拉强度提高至1060MPa,允许应力达到624MPa。如此，降低了第一钢层101的厚度，进而降低了高压气瓶的自身重量，提高了储氢效率。

具体地，在该实施例中对于715mm外径、11米长的的现有I型气瓶产品，充装压力20MPa下，瓶体最小壁厚从21.12mm降低至17.3mm、水容积从3750L提升至3952L；气瓶自重降低了32.49%、质量储氢密度（即单位质量的瓶体物质储存的氢气重量）提升了56.10%，同时制造成本的增加仅由内衬的原材料成本引入。在符合车辆载重相关标准的条件下，一辆5轴长管拖车可以荷载7只20MPaI型气瓶，或10只20MPa本申请实施例提供的高压气瓶，整车储运氢气重量从389kg提升至603.4kg；可荷载10只同样外径的20MPa目前自重最轻的碳纤维缠绕II型气瓶，整车储运氢气重量628.41kg。尽管本申请提供的高压气瓶从整车储运量方面仍较碳纤维缠绕II型瓶低3.98%，但本申请提供的高压气瓶原材料成本大大降低，仅为碳纤维缠绕II型瓶的14%左右，同时安全性、可靠性、可维护性、易于检维修等方面都有显著提高。轻量化高压气瓶的第一钢层101和第二钢层102通过复合挤压或复合轧制，使第一钢层101和第二钢层102的界面间的原子在温度和/或压力的作用下，相互扩散彼此渗透，得到冶金结合的连接状态使第一钢层101和第二钢层102相互结合。

在该实施例中，提供了一种轻量化高压气瓶包括：气瓶本体1，气瓶本体1包括：第一钢层101和第二钢层102，其中，第一钢层101为外壳，第二钢层102为内衬；第一钢层101为高强度钢，用于承载充装于气瓶本体1内气体的压力，其中，气体为具有致脆性和应力腐蚀倾向的气体；第二钢层102为耐气体致脆性和应力腐蚀倾向的钢，用于隔离气体与第一钢层101的内壁；其中，第一钢层101和第二钢层102通过复合挤压或复合轧制，使第一钢层101和第二钢层102的界面间的原子在温度和/或压力的作用下，相互扩散彼此渗透，得到冶金结合的连接状态使第一钢层101和第二钢层102相互结合。本申请通过具有耐气体致脆性和应力腐蚀倾向的第二钢层102对第一钢层101和气体进行隔离，使第一钢层101抗拉强度提高至1060MPa,瓶体壁许用应力达到624MPa，使第一钢层101厚度减小，从而减轻气瓶本体1自身重量，增大容积和充装压力，进而提高运输效率，并且安全可靠性强、成本低。

实施例二、

在本实施例中，一种轻量化高压气瓶的第一钢层101为铬钼钢；第二钢层102为奥氏体不锈钢。第二钢层102的厚度小于等于第一钢层101的厚度。

具体地，一种轻量化高压气瓶的第一钢层101为铬钼钢。因铬钼钢具有热加工性能好、淬透性好、冲击吸收性能好、强度高等特点，外壳选用铬钼钢材料，通过热处理等工艺手段，将抗拉强度调制至1060MPa。

具体地，一种轻量化高压气瓶的第二钢层102为奥氏体不锈钢。奥氏体不锈钢不仅耐气体腐蚀能力更强，也更容易满足抗拉强度（≤880MPa）、屈强比（≤0.86）等临腐蚀性气体力学性能要求，因此第二钢层102内衬选用奥氏体不锈钢。

具体地，在内衬材料的选择过程中，内衬材料还可以是非金属材料，非金属材料与第一钢层101铬钼钢相结合是通过粘接、吸附、沉积、静电、涂覆等方式，这些方式都使非金属材料与铬钼钢的结合强度过低。在结合强度低且非金属内衬与第一层铬钼钢力学性能差异非常大的情况下，在循环充放气使用条件下，由于非金属容易与第一层铬钼钢脱开，因此放弃采用非金属材料的方案。

具体地，采用金属作为内衬的方案中，耐气体腐蚀的金属可以通过电镀或化学镀与第一钢层101结合，但是，内衬厚度过薄，难以提供足够的张力变形量，充装气体后，容易开裂，因此放弃采用金属材料表面镀膜技术。

具体地，采用金属作为内衬的方案中，铝合金也具有良好的耐气体致脆性和应力腐蚀倾向性能，但是，采用铝合金做内衬，需要将铝合金套进外壳后粘上，之后外壳和内衬一起收口。首先，铝合金内衬与铬钼钢外壳的力学性能差异大，对于收口来说，难以找到对二者都是最佳的工艺窗口，因此导致封头的质量劣化。其次，铝合金内衬和铬钼钢外壳的两个界面的结合状态与非金属与金属结合界面一样，结合强度过低，容易脱开。采用铝合金做内衬，也可以在外壳收口后，将铝合金热熔后灌注到外壳内，再通过离心方式使其均匀覆盖外壳内壁，在铬钼钢外壳的内表面沉积凝固后形成铝合金内衬。该方法将熔融铝合金再凝固，如此材料中会形成陶瓷相结构导致铝合金变脆，不适合变形，因此不适合循环高压充放气使用。因此，放弃铝合金做内衬的方案。

具体地，一种轻量化高压气瓶的第一钢层101为铬钼钢，第二钢层102为奥氏体不锈钢，且第二钢层102的厚度小于等于第一钢层101的厚度。因为第二钢层102为内衬，不需要承载充装气体后的内压，同时也为了降低气瓶本体1的自身重量，需要将第二钢层102的厚度做薄。

在该实施例中，一种轻量化高压气瓶的第一钢层101为铬钼钢，第二钢层102为奥氏体不锈钢，两种材料力学性能相似，除了适用于循环充卸压的使用条件，还能够保障带衬管坯的变形收口质量。

实施例三、

在该实施例中，提供了一种轻量化高压气瓶，还包括：至少一个瓶口3，瓶口3设于气瓶本体1的端部，瓶口3与气瓶本体1为一体结构，瓶口3与气瓶本体1之间设有过渡段2。瓶口3外壁设有与法兰连接的凸缘4。

具体地，一种轻量化高压气瓶可以是两端均设有瓶口3，也可以是第一端为瓶口3，第二端为瓶底5。瓶口3和气瓶本体1为一体结构，瓶口3与气瓶本体1之间设有过渡段2。

具体地，瓶口3外壁设有与法兰连接的凸缘4。高压气瓶的瓶口3密封标准上采用内螺纹加端塞形式。但是由于本申请的第二钢层102采用奥氏体不锈钢，其强度较低，因此将瓶口3改为与法兰连接的密封形式。

实施例四、

如图2至图5所示，在该实施例中，提供了一种轻量化高压气瓶，还包括与一个瓶口3对应的瓶底5，瓶底5为凸型底如图2所示、凹型底如图3所示、H型底如图4所示或热装底座如图5所示。

具体地，提供了一种轻量化高压气瓶，气瓶本体1可以是两端均设有瓶口3，也可以是第一端为瓶口3，第二端为瓶底5。瓶口3和气瓶本体1为一体结构，瓶口3与气瓶本体1之间设有过渡段2。瓶底5可以为凸型底、凹型底、H型底或热装底座。

实施例五、

在该实施例中，提供了一种运输系统，包括：上述实施例中任一项的一种轻量化高压气瓶；高压气瓶支架，用于支撑轻量化高压气瓶；集装箱，用于承装高压气瓶支架和轻量化高压气瓶。

实施例六、

如图6所示，在该实施例中，还提供了一种轻量化高压气瓶制造方法，包括：

S101：获取第一钢层101待加工坯和第二钢层102待加工坯。

其中，第一钢层101待加工坯可以是第一钢层101挤压坯或轧制坯；第二钢层102待加工坯可以是第二钢层102挤压坯或轧制坯。

具体地，采用挤压加工工艺时，选用第一钢层101挤压坯和第二钢层102挤压坯；采用轧制工艺加工时，选用第一钢层101轧制坯和第二钢层102轧制坯。对第一钢层101待加工坯和第二钢层102待加工坯进行表面处理，如去除表面缺陷，保证表面清洁和适合制坯的粗糙度。

S102：根据第一钢层101待加工坯和第二钢层102待加工坯，得到复合待加工坯。

具体地，对第一钢层101待加工坯和第二钢层102待加工坯进行表面处理后，将处理后的第一钢层101待加工坯和第二钢层102待加工坯进行制坯，得到复合待加工坯。

S103：对复合待加工坯进行挤压或轧制得到带衬管坯。

具体地，将处理后的第一钢层101待加工坯和第二钢层102待加工坯进行制坯，得到复合待加工坯。对复合待加工坯进行挤压或轧制得到带衬管坯。

S104：对带衬管坯进行变形收口和机械加工，得到瓶口3和瓶口3上的凸缘4，最后得到轻量化高压气瓶。

具体地，对复合待加工坯进行挤压得到带衬管坯，或者对复合待加工坯进行轧制得到带衬管坯。对带衬管坯进行旋压变形收口得到瓶口3，在对瓶口3进行机械加工，加工出位于瓶口3处的凸缘4，最后得到轻量化高压气瓶。旋压是一项成熟工艺，变形比覆盖范围大、变形精度高，旋压相比于热压、热锻等变形方式还具有无需开模、节省成本的优势。

在该实施例中，还提供了S102：根据第一钢层101待加工坯和第二钢层102待加工坯，得到复合待加工坯的具体方法，包括：将第一钢层101待加工坯焊接于第二钢层102待加工坯外表面。

具体地，将第一钢层101铬钼钢待加工坯焊接于第二钢层102奥氏体不锈钢待加工坯外表面，进行复合挤压，铬钼钢和奥氏体不锈钢存在复合挤压的工艺窗口。相较于堆焊、爆炸、锻压等其他金属冶金结合方式，复合挤压结合强度高，工艺流程短，内外层组织均匀致密、晶粒细小，力学性能高，且性能均匀性、连续性、批次质量一致性可控。

应该理解的是，虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上所述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

本公开中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

本公开的保护范围不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本公开进行各种改动和变形而不脱离本公开的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本公开权利要求及其等同技术的范围，则本公开的意图也包含这些改动和变形在内。