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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械有限公司 2．河北省鍋爐壓力容器監(jiān)督檢驗院		點擊數(shù)：	更新時間： 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)儲運成本
低、運載效率高、儲運壓力在35～45 MPa甚至更高的高壓氫氣儲運設備是利用氫能源的關鍵。而
高壓氫氣儲運設備壓力超出了《氣瓶安全監(jiān)察規(guī)程》的適用范圍，沒有相應的國家標準和行業(yè)標準
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、難點以及質量性能可靠性的保證
措施。
關鍵詞：鋼瓶；高壓氫氣；開發(fā)
中圖分類號：TQ O51．5O1 文獻標志碼：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務之
急。高壓氫氣是比較理想的清潔能源，而儲運高壓
氫氣的設備— — 高壓無縫氫氣鋼瓶則是研發(fā)的重
點。高壓無縫氫氣鋼瓶的特點是壓力高、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
體的儲運成本，提高高壓氣體的運載效率，高壓氫氣
的儲運壓力正在不斷提高，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，目前還沒有相應的國家標
準、行業(yè)標準以及國家主管部門頒布的安全技術規(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，學士，從事高、中壓容器(含氣瓶)的研發(fā)設計、制造工作。
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· 28 · 石油化工設備 2[)(]9年第38卷
范作為依據(jù)。
文獻[1]第4條規(guī)定，氣瓶產(chǎn)品應符合相應國家
標準的規(guī)定。標準中應包括產(chǎn)品型式試驗的內(nèi)容和
要求。暫時沒有國家標準的產(chǎn)品，制造企業(yè)采用或
參照國際標準或國外先進標準制訂企業(yè)標準。企業(yè)
標準需經(jīng)全國氣瓶標準化技術委員會評審備案。第
5條則規(guī)定，研制、開發(fā)氣瓶及其附件新產(chǎn)品，應在
試驗研究并取得成果的基礎上進行產(chǎn)品試制。試制
品應符合產(chǎn)品標準要求，并按文獻[1]附件3《氣瓶
型式試驗技術評定的內(nèi)容和要求》，由國家質檢總局
特種設備局授權的單位組織專家進行技術評定，經(jīng)
型式試驗、技術評定合格的氣瓶方可批量制造。
鑒于上述要求，在試驗、研究和實踐的基礎上，
石家莊安瑞科氣體機械有限公司對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)標準：① 產(chǎn)
品標準的起草、評審和備案。②產(chǎn)品設計、計算及產(chǎn)
品圖樣的審批和備案，設計圖樣報請大連市鍋爐壓
力容器檢驗所審批、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。⑤產(chǎn)品工藝
試驗、制造工藝的制定及產(chǎn)品試制。關鍵是旋壓工
藝和熱處理工藝的試驗和制定。⑥ 產(chǎn)品的型式試
驗，包括產(chǎn)品的外觀和各項力學性能檢驗、疲勞試驗
及爆破試驗等。⑦產(chǎn)品的技術評定。
l 產(chǎn)品標準起草
在全面研究現(xiàn)有標準、文獻[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的可重復使用
的無縫鋼制氣瓶的設計、結構和試驗》的基礎
上_2 ]，結合多年研發(fā)生產(chǎn)大體積鋼質無縫氣瓶的
經(jīng)驗和積累的數(shù)據(jù)，根據(jù)45 MPa氫氣瓶的特點、研
發(fā)難點、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)品特點的、滿足產(chǎn)品性能和質量要求
驗收的依據(jù)。該產(chǎn)品標準需經(jīng)全國氣瓶標準化技術
委員會評審并備案。
與文獻[1]適用范圍內(nèi)的無縫氣瓶標準相比，該
產(chǎn)品標準的主要特點和區(qū)別是：① 該產(chǎn)品標準的壓
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行氫脆試驗的
要求。③ 增加了按JB 4732—1995《鋼制壓力容
器—— 分析設計標準》的要求對鋼瓶進行疲勞設計
的要求 ]。④鋼瓶按相關標準的要求進行未爆先漏
(LBB)的設計計算。⑤ 金相試樣和沖擊試樣應靠近
試驗環(huán)的內(nèi)壁切取。
2 產(chǎn)品設計及圖樣要求
根據(jù)已經(jīng)報批和備案的產(chǎn)品標準，結合產(chǎn)品特
點，對產(chǎn)品進行圖樣設計并進行強度計算和疲勞分
析設計，以滿足產(chǎn)品性能要求。同時，應進行鋼瓶未
爆先漏的設計計算，以確保鋼瓶在任何情況下都不
會發(fā)生爆炸危險。
無縫氫氣瓶的產(chǎn)品圖樣設計應包括設計壓力、
設計溫度、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有明確的要求，而且應確保
工藝上能夠實現(xiàn)。產(chǎn)品圖樣上應對鋼瓶使用的材料
牌號、材料化學成分、材料調(diào)質熱處理后的力學性能
要求做出明確規(guī)定，還應對鋼瓶的熱處理方式，無損
檢測方法、比例和合格指標，水壓試驗方法和試驗壓
力，內(nèi)外壁處理方式、合格標準和級別以及鋼瓶熱處
理后的硬度指標做出規(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。應控制材料的含
碳量和硫、磷質量分數(shù)，含碳量高易產(chǎn)生致脆敏感
性，硫、磷質量分數(shù)高易產(chǎn)生氫脆。此外，還應保證
適量的si、Mn、Cr、Mo質量分數(shù)。盛裝氫氣的無縫
的產(chǎn)品企業(yè)標準，作為氫氣鋼瓶設計、試制、檢驗和 鋼瓶材料4130x、3OcrMoE的化學成分見表1。
表l 盛裝氫氣的無縫鋼瓶材料化學成分
4 氫脆試驗
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，
如硫化物應力開裂(SSC)、氫致開裂(HIC)、應力導
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的
研究均是依據(jù)1977年之前國外的試驗結果，其試驗
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及以上條件下進行鋼氫
脆試驗的資料。為了取得材料在各種環(huán)境條件下的
氫脆試驗數(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行了試驗評價。
4．1 試驗依據(jù)及內(nèi)容
45 MPa氫氣鋼瓶的瓶體材料和螺塞材料均應
按ISO lll14—4：2O05(E)《移動氣瓶—— 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方法》的要求進行氫脆試驗[6]，
也可按照GB／T 1597O．5—1998《金屬和合金的腐
蝕應力腐蝕試驗第5部分：C型環(huán)試樣的制備和應
用》、GB／T 1597O．6——1998《金屬和合金的腐蝕應
力腐蝕試驗第6部分：預裂紋試樣的制備和應用》
或IsO 7539：2O03《金屬和合金的腐蝕應力腐蝕試
驗》等標準的相關要求進行氫脆試驗_7 '9_，氫脆試
驗的結果應能滿足產(chǎn)品設計和安全使用要求。
采用文獻[6]中的測試方法C對多種規(guī)格、多
個強度級別的413OX鋼在9O℃ 、45 MPa氫氣環(huán)境
中可能產(chǎn)生的氫損傷進行測試。在外加載荷條件
下，進行含裂紋缺陷試樣的裂紋擴展速率估算、裂紋
擴展應力臨界應力值估算及斷口特征描述。
4．2 試驗方法及評價原理
用恒載荷或恒位移方法將預制疲勞裂紋試樣加
載到應力強度K。 為某一規(guī)定值。試樣在9O℃加
壓氫氣中加載保持一規(guī)定的時間，經(jīng)過持續(xù)試驗時
間(最少1 OO0 h)后，檢查試樣以評定預制疲勞裂紋
是否擴展。如果試樣數(shù)據(jù)小于或等于規(guī)定的裂紋擴
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械有限公司與中國特種設
備檢測研究院合作進行了鋼瓶抗氫脆開裂的試驗，
試驗結果表明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)質熱處理時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性能滿足設計要求是制
造的關鍵。
經(jīng)過大量試驗和反復摸索，制定了可行的旋壓
工藝，主要包括鋼管加熱時間、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。
進行大量的熱處理工藝試驗后制定了熱處理工
藝，包括淬火工藝參數(shù)的制定、淬火介質的選用和淬
火介質濃度的配比等。淬火液的淬透性與鋼材的化
學成分、含碳量的高低，各種微量元素的含量、鋼材
的厚度、鋼材的軋制質量等均有很大關系。
6 型式試驗和技術評定
高壓氫氣鋼瓶試制完畢后，應按照《氣瓶安全監(jiān)
察規(guī)定》和文獻[1]的要求進行各項型式試驗。型式
試驗內(nèi)容至少包括原材料的進廠檢驗和復驗，鋼瓶
尺寸和外觀檢驗，鋼瓶的無損檢測，鋼瓶調(diào)質熱處理
后的力學性能、沖擊韌性、硬度檢驗，鋼瓶壓力試驗、
致密性試驗、疲勞試驗和爆破試驗等。型式試驗結
果應滿足標準、設計圖樣和工藝文件的要求，確保產(chǎn)
品的設計安全和使用安全。
根據(jù)文獻[1]第5條規(guī)定，開發(fā)研制氣瓶新產(chǎn)
品，應按照《氣瓶型式試驗技術評定的內(nèi)容和要求》，
由國家質檢總局特種設備安全監(jiān)察局授權的單位組
織專家進行技術評定。
對已取得無縫鋼質氣瓶制造資格的企業(yè)，經(jīng)型
式試驗、技術評定合格的氣瓶，可進行批量生產(chǎn)。
7 結語
文中介紹的35～45 MPa及以上壓力的大體積
高壓鋼質儲氫氣瓶研發(fā)情況，為氫能源利用所必須
的儲運設備的研制奠定了基礎，具有重要意義。
參考文獻：
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裝氣體的相容性—— 第4部分：選擇抗氫脆金屬材料的試驗方
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5部分：c型環(huán)試樣的制備和應用[S]．
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(張編)

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