新浪微博|騰訊微博|收藏本站|網(wǎng)站地圖歡迎光臨武漢紐瑞德特種氣體有限公司!

氦氣,氖氣,六氟化硫等特種氣體,紐瑞德專業(yè)!中國特種氣體供應(yīng)首選品牌
23年資深專家創(chuàng)辦  國家科研單位指定供應(yīng)商

全國服務(wù)熱線:4006277838
紐瑞德感謝客戶對(duì)其大力支持
當(dāng)前位置:首頁 » 紐瑞德資訊 » 氣體指南 » 在高壓氫氣環(huán)境中使用的金屬部件強(qiáng)度設(shè)計(jì)

在高壓氫氣環(huán)境中使用的金屬部件強(qiáng)度設(shè)計(jì)

文章出處:責(zé)任編輯:人氣:-發(fā)表時(shí)間:2016-08-19 09:07:00【

  燃料電池車(FCV)及加氫站使用的氫氣在壓力上最大達(dá)到80MPa以上。曝露于這一高壓氫氣環(huán)境下的金屬構(gòu)件(管道、閥門及儲(chǔ)壓器等)需要考慮因微量氫氣侵入材料而導(dǎo)致強(qiáng)度及延展性下降(氫脆化)的問題,實(shí)施相關(guān)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。下面就來介紹一下與高壓氫氣環(huán)境中使用的金屬部件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)思路及最新動(dòng)向。更多信息請(qǐng)點(diǎn)擊在線詢價(jià),或者撥打我們的熱線電話:400-6277-838

  可在高壓氫氣環(huán)境中使用的材料

  2000年前后日本國內(nèi)開發(fā)的35MPa加氫站只允許使用“不受氫影響的材料”。當(dāng)時(shí)在材料上有3項(xiàng)要求:(1)在氫氣中的慢應(yīng)變速率拉伸測試(SSRT 測試)中,拉伸強(qiáng)度、屈服應(yīng)力、延伸性及延展性與在大氣中為同等以上水平;(2)氫氣中的疲勞壽命特性與大氣中為同等程度;(3)氫中的疲勞裂紋擴(kuò)展速度與大氣中為同等程度。在這些要求下,可使用的材料有奧氏體不銹鋼“SUS316L”及鋁合金“A6061-T6”。而鉻鉬鋼“SCM435”雖然也在允許之列,但必須要用超聲波探傷儀確認(rèn)不存在有害缺陷,滿足這一條件后方可使用。

  2010年前后日本開始討論70MPa加氫站并在國內(nèi)各地推進(jìn)相關(guān)建設(shè),其材料使用范圍擴(kuò)大到了“受氫影響少的材料”。這一時(shí)期允許使用符合一定要求的奧氏體不銹鋼,具體來說就是在SSRT測試中受氫氣影響最大的“延展性”要滿足評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),并且氫氣中的疲勞測試結(jié)果(疲勞壽命特性)要與大氣中為同等程度。

  今后,要想兼顧相關(guān)部件的安全性和經(jīng)濟(jì)性,使用“受氫影響但價(jià)格便宜的材料”尤為重要。2013年6月日本內(nèi)閣會(huì)議通過了相關(guān)規(guī)定改革實(shí)施計(jì)劃,為了在日本國內(nèi)廣泛使用鉻鉬鋼等受氫影響的鋼材,加入了擴(kuò)大可用鋼材范圍的內(nèi)容。筆者等根據(jù)在高壓氫氣環(huán)境下獲得的、與“SCM435”相關(guān)的一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果,提出了使用鉻鉬鋼時(shí)的材料選擇標(biāo)準(zhǔn),以及使用“公式型設(shè)計(jì)”及“分析型設(shè)計(jì)”時(shí)的指南。

  在高壓氫氣環(huán)境中使用的部件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

  高壓氣體部件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)一般有基于疲勞限度設(shè)計(jì)(無限壽命設(shè)計(jì))的“公式型設(shè)計(jì)”,以及基于有限壽命設(shè)計(jì)的“分析型設(shè)計(jì)”。這里以受氫影響的“SCM435”為例,對(duì)高壓氫氣環(huán)境中使用的構(gòu)件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)做一概述。

  “公式型設(shè)計(jì)”以安全系數(shù)Fs為基礎(chǔ)使用無限壽命設(shè)計(jì)。已有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的Fs值為3.5~4.0。在無限壽命設(shè)計(jì)中,在氫氣環(huán)境中不下降的疲勞限度尤為重要。筆者等在“115MPa”氫氣中對(duì)“SCM435”實(shí)施了慢應(yīng)變速率測試,所獲得的應(yīng)力-位移曲線及疲勞壽命數(shù)據(jù)顯示,即使是受氫影響較大的 “SCM435”,在高壓氫氣中,作為安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的拉伸強(qiáng)度也未下降,并且作為無限壽命設(shè)計(jì)依據(jù)的疲勞限度也未下降。因此,這種材料有望使用基于安全系數(shù)(Fs=3.5~4.0)的疲勞限度設(shè)計(jì)。

  而“分析型設(shè)計(jì)”使用的安全系數(shù)為Fs=2.4~3.0。從美國工程師學(xué)會(huì)(ASME)在Section VIII Div.3標(biāo)準(zhǔn)中注明的設(shè)計(jì)流程圖來看,在設(shè)想有限壽命時(shí),除了實(shí)施公式型設(shè)計(jì)所需要的材料選擇及壁厚計(jì)算之外,還必須要實(shí)施破前漏(Leak Before Break、LBB)判定及疲勞裂紋擴(kuò)展等破壞力學(xué)分析。破前漏是指疲勞裂紋貫穿壁厚使內(nèi)壓釋放時(shí)裂紋停留、不產(chǎn)生非穩(wěn)定性破壞的破壞模式。要想防止伴隨疲勞破壞的重大事故,實(shí)現(xiàn)相關(guān)分析尤其重要。

  筆者等在“115MPa”氫氣環(huán)境下獲得的“SCM435”的疲勞裂縫擴(kuò)展特性顯示,在高壓氫氣環(huán)境中,疲勞裂縫擴(kuò)展速度大幅加快。但有時(shí)疲勞裂縫擴(kuò)展速度的加速在各氫氣壓力下也存在上限值。這在使用有氫影響的材料實(shí)施“分析型設(shè)計(jì)”時(shí),成為在安全上合理決定疲勞裂縫擴(kuò)展壽命的關(guān)鍵。

  綜上所述,即使是有氫影響的“SCM435”,只要限定強(qiáng)度水平,便有望使用氫氣中的疲勞裂縫擴(kuò)展特性和大氣中的破壞韌性值,實(shí)施基于安全系數(shù)(Fs=2.4~3.0)的“分析型設(shè)計(jì)”。而有些低合金鋼及高強(qiáng)度鋼在氫影響下,疲勞裂縫擴(kuò)展有時(shí)會(huì)出現(xiàn)顯著加快,不存在加速上限值。這些材料由于沒有設(shè)計(jì)依據(jù),因此不能實(shí)施“分析型設(shè)計(jì)”,不過,只要將來開發(fā)出在疲勞裂縫擴(kuò)展上擁有加速上限值的材料,就有望在儲(chǔ)壓器上使用更高強(qiáng)度的材料。

  海外及國際統(tǒng)一的動(dòng)向

  與高壓氫氣設(shè)備相關(guān)的海外標(biāo)準(zhǔn)有ASME BPVC Section VIII、Div.3、Article KD-10以及最近由加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(Canadian Standards Association,CSA)發(fā)布的ANSI/CSA CHMC 1-2014。Article KD-10根據(jù)大氣中的平面應(yīng)變斷裂韌性測試數(shù)據(jù),以及氫氣中的對(duì)氫致疲勞破裂的極限應(yīng)力擴(kuò)大系數(shù),從中選擇較小的一個(gè)來要求極限裂紋深度。并且還根據(jù)氫氣中的疲勞裂紋擴(kuò)展特性來預(yù)測構(gòu)件的疲勞壽命,其極限應(yīng)力擴(kuò)大系數(shù)通過定負(fù)荷或定位移測試來決定。

  CHMC 1-2014提出了安全系數(shù)倍數(shù)法,將用于大氣環(huán)境的安全系數(shù)Fs乘以“安全系數(shù)倍數(shù)SFM(Safety Factor Multiplier)”得出的數(shù)值作為氫氣中的安全系數(shù)來使用。SFM值通過在氫氣中和大氣中對(duì)切口試樣實(shí)施SSRT測試和疲勞壽命測試來求得。也就是說,對(duì)大氣中和氫氣中的拉伸強(qiáng)度比(SF0),以及103、104、105次循環(huán)中的大氣中和氫氣中的時(shí)間強(qiáng)度比做比較,從中選擇最大的一個(gè)定義為 SFM。

  在汽車用壓縮氫容器方面,日本2014年度在國內(nèi)法規(guī)中啟用全球統(tǒng)一的GTR(Global Technical Regulation,全球性技術(shù)法規(guī))Phase I標(biāo)準(zhǔn)。不過,GTR-Phase I在材料的氫適合性測試方法上尚未實(shí)現(xiàn)全球統(tǒng)一。今后,相關(guān)方法有必要在GTR-Phase II中實(shí)施統(tǒng)一,目前國際上正以CHMC 1-2014及SAE-J2579為基礎(chǔ)展開討論。

  在高壓氫設(shè)備方面,要想兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性,就必須進(jìn)一步擴(kuò)大可使用的材料,研究相關(guān)設(shè)計(jì)方法并在國際上達(dá)成統(tǒng)一。為了使日本成為該領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊,在全球的氫社會(huì)構(gòu)建中搶得先機(jī),日本各相關(guān)人士將協(xié)起手來,舉日本全國之力繼續(xù)展開相關(guān)活動(dòng)。

 
此文關(guān)鍵字:特種氣體知識(shí) 氣體知識(shí)