扁平钢带交错缠绕式高压储氢容器的安全可靠性分析

沈海仁 郑传祥 朱国辉

(中国石化集团宁波工程有限公司) (浙江大学)

扁平钢带交错缠绕式高压储氢容器的安全可靠性分析

沈海仁＊郑传祥 朱国辉

(中国石化集团宁波工程有限公司) (浙江大学)

氢能是近年来研究较多的清洁新能源之一。在氢能利用上,氢的安全储运是整个氢能利用的关键技术之一,而氢的储运目前仍然以高压储氢为主,高压储氢容器是氢的储运关键核心设备。扁平钢带交错缠绕式高压容器以其制造成本低、可靠性高、易于实现在线监控、失效具有抑爆等特点而有利于应用在高压储氢。从该类容器的环向强度、轴向强度、钢带预应力控制、疲劳强度、抑爆性能和在线监控等方面用实例加以分析。

扁平钢带 缠绕 储氢 高压

0 前言

氢气是来源丰富、清洁的能源,原料来源是水,储量丰富,用之不竭;燃烧产物也是水,洁净无污染;具有广泛的应用开发潜在价值。氢能在宇航研究中具有广阔的应用前景,如火箭发动机、氢内燃机等;在民用工业领域,燃料电池 (FC)近年来发展迅速,氢能汽车已经在多个城市进行示范。氢能的开发和利用首先要解决的是廉价的氢源,其次是氢能的储运,最后是氢能的应用,其中氢安全储运是氢能产业化的关键技术之一。常见的储氢方法有高压储氢、液化储氢、金属氢化物储氢、吸附储氢等等,高压储氢由于方便、成本低、产业化基础好,是目前使用最广泛的一种储氢方式。传统的钢制压力容器设计制造成熟、成本低、灌装速度快、能耗低,主要用在大型储罐存储、加氢站,而扁平钢带交错缠绕式高压容器以其低成本、高可靠性、易于在线监控、抑爆等特点而有利于应用在高压储氢容器[1,2]。

1 扁平钢带错绕式高压容器技术进展

新型薄内筒钢带交错缠绕式高压容器自 1965年工业化产品制造试验获得成功并在我国工业生产中开始成功推广应用以来,据 1994年的不完全统计,已在我国初步成功推广应用于内径达 1 m、长度达 28 m、绕层达 28层、设计内压达 35 MPa的氨合成塔、甲醇合成塔、氢气高压贮罐、水压机蓄能器、各种高压气体或液体贮罐等 7000多台。经对扁平钢带交错缠绕式压力容器多年来所做的多次工程规模实物容器的环向与轴向及其刚度和热应力等应力应变测试、环向轴向超压 “抗爆”破坏与极限强度爆破试验、4万多次反复升降液压疲劳强度试验、薄内筒多层钢带交错缠绕壳壁大比例开孔接管试验,在线安全状态计算机自动报警监控试验,均表明该新型薄内筒钢带交错缠绕压力容器设备在强度、刚度、疲劳强度、热应力及可监控特性等诸多方面均获得了优良结果,在制造经济性和工程使用安全可靠性及可靠的在线安全可监控等方面具有良好的发展前景[3,4,5]。

2 新型扁平绕带式高压储氢容器的安全特性

2.1 扁平绕带式容器內压环向强度有保障

该薄内筒钢带交错缠绕式压力容器曾做过内直径各不相同的一系列内压环向极限强度爆破破坏试验,以求证其破坏强度的可靠性。试验容器的内直径有:49、147.3、200、450、500、1000 mm等等,而所采用的钢带缠绕倾角则曾在 10°～30°之间视试验需要而变化。其中,还有一台该绕带式试验容器 ,其内径为500mm、薄内筒厚度为16mm、钢带厚度为 4 mm,在三段筒体上分别各缠绕了 10～14层钢带、最低设计内压为30 MPa、三段绕带筒体上带有多个开孔接管,其中在 10层绕带筒体上最大开孔接管孔径达 140 mm。所有这些绕带式试验容器的环向极限强度爆破内压按文献[2]中的式 (III-8)计算分别为 50～210 MPa之间,结果所有该绕带式试验容器的极限强度爆破内压均略高于相应的设计强度,其安全系数均大于按规范要求的设计内压的 3倍,并均不低于材质相同而设计筒壁厚度或重量也基本相同的单层或多层式容器的环向极限爆破破坏内压强度 (因材质相同,薄钢带的强度最高,钢带交错缠绕筒体的综合强度均高于材质相同,壳壁厚度也相同的单层大厚度或多层的综合强度),而且所有该绕带式试验容器的极限爆破破坏方式都是绕带筒体的环向,从未发生绕带筒体端部斜面焊缝脱裂爆破或内筒轴向整体断裂和如单层结构容器那种筒体爆破裂片抛飞的现象。即使对内径 1000 mm的该类大型试验容器 (设计内压为30 MPa)和内径 500 mm带 d=140 mm大开孔接管的试验容器 (设计内压为 32 MPa),结果都相同。其极限强度爆破内压分别为 91.2 MPa和 111.7 MPa,设计安全系数都达N≥3的规范要求,且破坏方式均为环向,爆破裂缝在钢带绕层部位或离开大开孔接管与绕带筒壳相联的焊缝部位[6]。

2.2 扁平绕带容器轴向强度略强于环向强度

该薄内筒绕带压力容器的内压轴向强度更是其结构强度技术突破的一个关键。德国的薄内筒复杂型槽钢带单向扣合缠绕高压容器就因为绕层对内筒有一种必然的扭力作用,内压越高、这种扭力作用就越大,因而其层间轴向就可能发生脱扣,单靠内筒强度显然不足以对抗内压升高后强大的轴向作用力而终将导致容器内筒发生轴向断裂爆破的危险。

为此,曾专门针对这一问题作了试验研究。所做的三台材质相同的试验绕带容器:容器内径147.3 mm,由三段组焊而成的内筒壳壁厚度 2.5 mm,外面缠绕的 4层厚度为 3.5 mm的扁平钢带绕层共 14 mm,所以其内筒所占容器总壁厚的比例均只为相当小,仅约 15%。三台试验容器钢带缠绕倾角都相当小,分别为 10°、15°、20°。对三台绕带容器所作的爆破试验结果,爆破压力分别为 51、58.8、60.3 MPa,钢带倾角越大,爆破内压越高。三台试验容器爆破破坏的方式,钢带倾角为 15°和20°的明显为绕层部位内筒环向破裂,尤其钢带倾角为 20°的容器虽经过严酷的爆破破坏试验,然其容器筒体却仍基本保持原状,显示出钢带绕层对内筒有极强的抑爆保护作用,特别是三台试验容器两端封头斜面焊缝部位都还保持完好无损。只有钢带倾角为 10°的容器略近端部处内筒发生了内筒轴向断裂方式,但其钢带绕层均仍保持相连状态,并未发生像德国的那种复杂型槽钢带容器内筒爆破断裂成两段抛飞的现象。试验充分表明,该新型绕带容器,即便其内筒很薄 (壁厚仅占容器总壁厚度的15%),钢带交错缠绕的倾角相当小 (分别仅为10°、15°、20°),其轴向强度也足够。

为充分验证薄内筒钢带交错缠绕式容器轴向强度,曾专门做过一次工程规模的新型绕带容器轴向强度破坏试验。试验容器为一台经工程使用 8年多因定期检查发现存在严重超标原始焊接缺陷而报废的氨合成塔,内径 450 mm,内筒厚度 14 mm,容器筒体长度约 6.5 m,外交错缠绕 4层厚度 3.5 mm、宽 80 mm的扁平钢带,缠绕倾角α=18°,设计内压为 15 MPa,设计极限爆破内压为 48 MPa。利用搪孔机床从容器内部将其内筒离最端部环焊缝约800 mm处搪切挖出一条深 12 mm、宽 20 mm的内环槽,以使内筒严重削弱到仅剩余 2 mm壁厚 (实际最薄处仅剩约 1.65 mm),以仅起试验时对内部水压的密封作用。此时忽略绕带层间的摩擦力加强作用,该容器的轴向极限爆破强度按内筒环槽剩余壁厚和钢带绕层横截面材料极限强度轴向分量之和计算仅约 15 MPa。然当试验内压升至该容器原设计内压或搪切内环槽后的轴向极限爆破内压 15 MPa时,该容器除径向尤其轴向伸长变形略显加大之外,观察其容器外形与压力表显示等都看不出有什么变化。但当再次升压直达设计内压的 1.25倍即 18.75MPa时容器却突然在开挖了内部环槽的外部带层缝间发生了气势很小、降压缓慢的喷射泄漏,压力试验就此终止。这时该容器除显示其轴向有较大的伸长残余变形之外,容器整体和钢带外形与外层钢带层间状态均看不出有多大肉眼可见的变化,直至打开试验容器封头才发现在内筒内部开挖的环槽底部最薄处有一条长约 25 mm最大宽度约0.4 mm的环向裂纹,压力为 18.75 MPa的试压水就是通过这条不大的裂纹再经 4层绕带层间的曲折通道向外喷射缓慢泄压的。

以上这些试验充分表明,只要绕带缠绕倾角设计得当,即使内筒相当薄 (如内筒环槽处仅有 2 mm),这种绕带容器的轴向强度也完全充足可靠。在通常工程设计制造中,实际应用的内筒壁厚比均大于或等于 20%,钢带绕层缠绕平均倾角通常均约为或大于 23.5°。在此情况下,其轴向强度必然完全充足可靠。即使内筒轴向严重开裂泄漏,其外部多层绕带对较薄内筒也必然会有充分可靠的“抑爆保护”作用[7]。

2.3 钢带缠绕预应力控制效果测试

新型绕带容器的制造是在室温环境下,通过简易钢带缠绕装置及其所附小型钢带拉紧矫形工具的合理设置对钢带实施适当的冷态预应力贴合缠绕的。这不仅极大地简化了各种大型高压厚壁容器的制造,而且还将通过预应力缠绕对厚筒筒壁带来应力状态的优化合理改善。为证验钢带预应力缠绕的效果,曾对一台工程应用绕带容器作过实际测试。该容器内径 500 mm,筒体长度 1.6 m,内筒壁厚 18 mm,外绕 12层厚 4 mm钢带共厚 48 mm。按新型绕带容器优化设计理论,对该容器从内层到外层实施从 200MPa到 100MPa适当合理变化的预应力缠绕。该容器经 1.25倍设计内压的超压试验后,结果仍发现 500 mm的内径仍有约超 0.5 mm的平均缩小值,1.6 m的筒体长度仍有约超 1.6 mm的平均缩短值,其变形率均约达 0.1%(通过制造过程的最终超压试验以后层间贴合程度会有某些调整,其预压缩效果将有某些“损耗”,此值通常仅约为0.01%左右)。显然,这是对内筒环向和轴向一个相当可观的预压缩应变,对改善容器的受力状态和抗疲劳特性都十分有利。实践也已表明,容器直径越大,筒体长度越长,因绕带层间更易贴紧,钢带缠绕预压缩效果也会更好。当然,合理的钢带缠绕预应力大小应通过这种绕带压力容器的优化设计来确定。对较大型容器的钢带缠绕通常应采用相对较小的预应力。由于钢带缠绕对内筒所产生的“机械外压”和通常“流体外压”的作用效果完全不同,通常较薄的内筒不会因按适当的钢带预应力缠绕而发生压瘪失稳[1]。

2.4 扁平绕带容器抗疲劳性能好

为验证扁平绕带压力容器的抗疲劳强度,曾专门对一台经工程实际使用 8年多因定期检查发现存在严重超标原始焊接缺陷而报废的氨合成塔进行了工程规模内压反复升、降抗疲劳强度试验。该试验容器内径 450 mm,内筒厚度 14 mm,容器筒体长度约 6.5 m,外面交错缠绕 4层厚度 3.5 mm、宽 80 mm的扁平钢带,缠绕倾角α=18°,设计内压为 15 MPa,设计极限爆破内压为 48 MPa。经检测在内筒纵向和环向焊缝上发现有如最长达 45 mm、宽约 4 mm的原始焊接超标深埋裂纹等缺陷,并在外层钢带上和内筒内壁上作了若干直径 8 mm、深达 4 mm的人工钻孔,以模拟严重腐蚀削弱内筒内壁。对这台已经使用 8年多之久的绕带容器按 0～15～0 MPa的内压进行了长达近一个月的 40700次反复升、降液压疲劳试验后,经再次的应力应变检测和上述缺陷部位检测,其应力应变状态和深埋裂纹与钻孔等部位,包括筒体两端端部绕层斜面分散联接焊缝部位,都未发现有任何肉眼可见的变化。试验与分析研究和长期工程实际应用表明,这种绕带容器的多层交错绕带筒体及其两端端部绕层斜面分散联接焊缝部位的抗疲劳强度,非常优异可靠。在中国有超过 200台内径 500 mm、内部长度约 8 m、设计内压为 20～30 MPa的薄内筒扁平绕带式压力容器作为油压或水压机的蓄能器,应用于多种机械制造厂家的产品制造中。这些绕带式高压蓄能器是处于一种循环反复升降液压状态下工作的,属于疲劳工作状态的容器设备。也有一些类似规模的绕带高压容器被用作石油开采工程中由高压空气推动的水、气高压贮罐,以利在石油开采过程中向地下钻井反复注水采油。在过去的 40年期间,这些绕带式蓄能器及高压水、气贮罐都成功安全地经受住了长期疲劳循环工作状态的严峻考验。这些实际工程实践也充分表明,这种绕带式高压容器具有优良的抗疲劳特性[8,9]。

2.5 扁平绕带容器具有抑爆抗爆特性

薄内筒钢带交错缠绕式压力容器的确具有优异的“抑爆抗爆”安全特性,除不少小型试验容器的事例外,工程规模容器的破坏试验或应用过程中也表现出来“抑爆抗爆”特性。一台用作爆破试验用绕带容器,内径 450 mm,设计内压 15MPa,内筒厚度 14 mm,内筒外壁交错缠绕 3.5 mm钢带仅 4层,缠绕倾角为 18°,外面未包扎焊接外保护薄壳,以便作容器内外壁及钢带层间的应力应变试验测量。其设计计算爆破内压为 48 MPa。当试验水压升至 51.3 MPa时,发现其最外层钢带缝间发生试压水不大的喷射泄漏而卸压,容器外观已有明显“鼓肚”变化。打开封头检查内部发现,内筒第二筒节纵向焊缝上出现了一条肉眼可见长约 150 mm的穿透裂纹扩展。作开挖补焊并做检查合格后再行升压试验,直至内压达 51.8 MPa时容器发生爆破,内筒纵向原补焊处开裂,破口并不太大,钢带绕层也发生正常断裂破坏。先后两次爆破的试验压力均达容器极限强度设计要求,相差仅 0.5 MPa,绕层也仅仅 4层而已,但爆破破坏后果却完全不同。前一次只泄漏而未爆,后一次内压仅升高了 0.5 MPa就发生纵向爆破。这充分说明,当外部钢带绕层(或即外一壳层)直至达到其极限强度仍然保有某一强度之前,内筒就会受到一种意义重大的“保护作用”而达 “抑爆抗爆”效果,“只漏不爆”。

又一台试验绕带容器,内径 1000 mm,设计内压 30 MPa,内筒厚度 20 mm,内筒外壁交错缠绕 4 mm厚钢带 20层,外面也未包扎焊接外保护薄壳,以便作容器内外壁及钢带层间的应力应变测量。其设计计算爆破内压为 90 MPa。当试验水压先后两次升至约 50MPa和 70MPa时,发现其一端与法兰相焊的环焊缝部位最外层钢带缝间发生试压水相当严重的喷射泄漏而卸压,容器外观变化并不很明显。切割打开该端封头检查内部发现内筒与端部法兰相联的环向焊缝发生了严重裂纹扩展而几乎断裂。究其原因是因为该端部封头锻件材料挑用失误,碳含量超标,焊接时预热温度不够,焊后便有焊接裂纹产生,故在两次较高试验内压时便发生环向开裂。决定只从内筒内部开挖和提高封头预热温度焊补并做检查合格后再行升压试验,直至内压达到略超 3倍设计内压的 91.2 MPa时容器发生爆破,内筒纵向开裂,破口较大,钢带绕层也发生正常的拉伸断裂。这更充分说明,在实际内压略超 1.25倍设计内压即 37.5 MPa设计内压时,当外部钢带绕层直至达到其极限强度仍然保有某一强度之前,内筒与容器端部封头的斜面焊接联接部位即便先后发生两次内筒环向焊缝的严重断裂,其斜面焊缝依然完好,和内筒相联的端部封头仍会被钢带绕层强力拉住,起到了一种意义更为重大的保护作用,即:内筒环缝轴向开裂,绕层也仍有“抑爆抗爆”效果[10]。

2.6 绕带容器在线安全状态自动监控报警试验

一种新型特殊的压力容器在线安全自动监控报警和泄漏介质自动收集与导引处理装置,于 1984年在钢带交错缠绕高压容器上成功进行了工程规模的试验研究。该试验容器内径 500 mm,设计内压32MPa,内筒厚度 16 mm,内筒外壁交错缠绕 4 mm厚的钢带 12层,且在其内筒内壁制作了一条长约150 mm、宽约 0.8 mm的相当宽大的人工纵向贯穿裂纹 (用适当薄片加以填盖以使容器内部升压时起密封和试验内压下的承压作用),而在绕层之外再覆盖包扎焊接了一层外保护薄壳,其上带有一个开孔内径 25 mm的接管上装有一套简易感受内部介质泄漏的“感压”元件的在线安全状态自动监控报警与卸压导引处理装置。在实验室成功做了高压空气介质的上述试验之后,再移至一合成氨工厂现场成功做了灌注生产实际所用的高压氮氢混合气的试验。当试验容器内压升高至 28 MPa时,人工裂纹密封薄片突然爆破,高压氮氢混合气从内筒如此宽大的人工裂纹中冲出,但通过 12层交错缠绕的钢带之间的曲折缝隙后,其内压降低显得有些缓慢,同时发出报警并将可燃易爆的氮氢混合气自动卸压排放到了高空,直至内部介质排放完毕,试验容器和周围环境安然无恙。试验获得了完全成功。类似的一套在线安全状态自动报警监控与介质泄漏导引处理装置还被成功安装使用在一大型化工生产企业的一台内径 1000 mm、内高约 20 m、设计内压 13.4MPa的绕带式甲醇合成塔上。该装置通过某种适当的简单可靠的 “感压”或化学成分 “超标报警”等感受元件,来感受通过内筒裂纹渗漏或泄漏出来的内部介质,自然非常简单经济可靠。容器在“抑爆抗爆”的前提条件下即使内筒发生裂纹扩展,通常都有一个因工作循环而使内筒壳壁裂纹不断扩展而出现内部介质发生微量渗漏的一定时间过程。因而就可通过在线安全状态自动监控装置中感受某一压力或某种化学成份变化的元件发出“超标”报警[2]。

3 结论

通过近 40年扁平钢带交错缠绕式高压容器的长期安全应用和几十台不同大小的绕带容器多方面结构强度破坏试验研究表明,该容器应用于新能源氢的储运方面具有许多优势。

由于扁平钢带对容器环向和轴向均有加强作用,容器焊缝得到大大减少,制造得到简化,成本得到降低,钢带的预应力优化控制使筒壁的应力水平得以优化;容器壳壁具有抑爆抗爆的安全性,在操作或设计内压作用条件下容器内筒发生任何裂纹严重扩展的最坏情况就是内筒只会泄漏,容器不会整体爆破;容器可实现经济可靠的在线安全状态自动监控,并可实现大量储氢容器的计算机集中自动安全监控。故该类容器符合高压储氢容器制造简易、成本降低、使用安全的发展方向。

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＊沈海仁,男,1966年 10月生,高级工程师。宁波市,315103。

2010-01-08)