储氢气瓶（三型和四型）液压和气压循环寿命测试结果总结

气瓶设计的小攻城狮

6月前浏览1307

本文来源：HYDRAULIC AND PNEUMATIC PRESSURE CYCLE LIFE TEST RESULTS ONCOMPOSITE REINFORCED TANKS FOR HYDROGEN STORAGE

这篇文章写的很好，重点我都给标注了，可以拿起笔记本记了。

本文聚焦于复合增强储氢罐的性能研究，通过对3型（金属内衬）和4型（高密度聚合物内衬）储氢罐进行液压与氢气压力循环寿命测试，深入探究不同循环测试对罐体性能的影响，为优化储罐设计、评估其使用寿命及制定相关标准提供科学依据。

表1：3型和4型储罐的特性

一. 研究背景

1. 燃料电池电动汽车发展与储氢需求：

燃料电池电动汽车（FCEV）以氢为动力，其燃料电池效率高，能减少温室气体排放、噪音污染，有望变革交通运输系统。为在有限空间储存大量氢气，氢气需高压压缩存储，FCEV的高压储氢容器多由含气内衬和提供结构完整性的外层组成，如3型罐内衬为轻质金属，4型罐内衬为高密度聚乙烯或聚酰胺，外层均为碳纤维 - 环氧树脂复合材料。

2. 现有标准的局限性与研究目的:

现行储氢系统设计、鉴定和检测标准中，循环测试相关安全系数保守，导致储罐尺寸过大、成本高昂，且标准要求多借鉴金属气缸标准，不适用于评估复合材料降解过程。本研究旨在通过实验为复合储罐缠绕性能提供数据，为法规标准提供科学支撑。同时，为更精确界定储罐失效条件、确定合理使用寿命，需深入理解循环载荷对罐体结构影响，因为不同类型储罐在循环载荷下失效模式不同，3型罐可能因复合缠绕层变化影响金属内衬，4型罐可能因复合层或内衬降解失效，且温度变化会影响储罐一致性和失效模式，气动疲劳测试对容器潜在损害比液压测试大，因此开展本研究意义重大。

图1：GasTeF设施方案

二. 实验设计

1. 实验对象

3型罐：为HYCOMP项目特制，由Faber制造，复合外壳采用14层T 700碳纤维，置于Huntsman LY564 H917 A960环氧树脂基质中，内衬为不锈钢（SS），端盖也是SS材质。其工作温度范围为 - 40°C至 + 85°C，标称工作压力（NWP）在15°C时为35MPa，耐压试验压力为52.5MPa，爆破压力为82.3MPa，罐体质量8kg，存储容积9L，储氢量0.22kg，内衬拉伸强度950MPa，长度630mm，内径152mm，外径未提及，复合缠绕层厚度3.58mm，内衬厚度2mm。

4型罐：由Hexagon - Lincoln提供，复合层使用T 700碳纤维，嵌入与3型罐不同的环氧树脂中，内衬为高密度聚乙烯（HDPE），端盖为铝合金（AA）。工作温度范围 - 40°C至 + 85°C，NWP在15°C时为70MPa，耐压试验压力105MPa，爆破压力157.5MPa，罐体质量18.3kg，存储容积19L，储氢量0.76kg，内衬拉伸强度20.7MPa，长度904.2mm，内径228.1mm，外径未提及，复合缠绕层厚度17.4mm，内衬厚度3.8mm。

图2：所测试的4型和3型储罐中的温度测量仪表

2. 实验过程

循环测试

氢气循环测试：在欧洲委员会联合研究中心的高压气体测试设施（GasTeF）进行。该设施为欧盟参考实验室，用于对氢或天然气高压储罐及其他高压部件进行性能验证测试，测试区域置于半埋式混凝土掩体中，测试时除存储区外无氧气。测试罐置于套筒内，套筒置于安全容器中，测试时氮气以350Nml/min流量通过380L套筒，用于检测氢气渗透，氢气浓度由两个探测器测量。3型罐4个，测试压力从2MPa到42MPa，频率1.5次/小时；4型罐3个，测试压力从3MPa到84MPa，频率1.2次/小时，均循环1000次。测试过程中，通过安装在罐内不同位置的热电偶（TC）和电阻温度探测器（RTD）监测温度，3型罐用2个TC和2个RTD，TC置于罐内不同长度处，RTD分别附在罐盖和罐顶外壁；4型罐用8个TC和2个RTD，TC通过特殊树形阵列从罐后部引入，一个RTD附在前端盖，另一个在罐顶外壁温度最高处。压力通过置于罐入口的压力传感器测量，TC为K型，可测 - 200°C至1250°C温度，不确定度2.2°C，RTD在0°C时标称电阻100欧姆，可测100°C至550°C温度，最大偏差1.25°C，3型罐用4.7mm直径气体注射器，4型罐用3mm直径注射器以确保充气时温度均匀变化，压力传感器校准后，低压测量不确定度5%，70MPa时为0.64%。

液压循环测试：在BAM设施进行，使用1200bar液压循环极端温度测试设施，基于两个液压回路，一个35MPa闭环油回路和一个水 - 乙二醇测试介质开放回路，由两个压力放大器组合，可提供11升流体，最大压力120MPa，温度控制在 - 55°C至90°C。3型罐两组各5个，分别在环境温度（约20 - 25°C）和85°C下，从2MPa到42MPa，频率10次/分钟，循环1000次；4型罐两组各5个，在相同温度条件下，从2MPa到84MPa，频率10次/分钟，循环1000次。

残余强度测试：人工老化（液压或气动循环）后在BAM进行。残余强度评估基于样本测试数据的统计评估，根据循环疲劳敏感性决定测试方法，3型罐设计对循环疲劳敏感，采用循环至失效的方法测试残余强度，从2MPa到52.5MPa（1.5NWP），频率10次/分钟；4型罐设计对循环疲劳不敏感，采用慢爆测试（SBT），使用高精度测试设备，压力以0.1 - 150bar/小时的速率线性增加。

图3：前面带有螺旋齿轮泵的慢爆试验设备框架和SBT中增压速率的例子

三. 实验结果

1. 氢气测试结果

温度变化：

在氢气循环测试中，由于罐内气体压缩和膨胀，温度发生变化。充气时气体升温，因充气时间短，罐内温度近乎均匀；保持阶段气体冷却降压；排气时气体膨胀冷却，因浮力效应罐内出现温度分层，影响罐体材料温度。4型罐因测试压力高，温度变化更显著，充气结束时气体达70°C，排气结束时降至 - 15°C；

3型罐因金属内衬导热性高且复合缠绕层薄，壁温更接近气温。

图4：3型和4型罐测试期间温度变化

氢气渗透（4型罐）：3型罐测试中未发现泄漏，4型罐氢气释放量在某些情况下接近欧盟406/2010规定的稳态渗透限值（6Ncm³H₂/h·L₍Cont₎）。氢气渗透可能是由于测试中断后重新加压时，衬里与复合层间积聚的氢气释放，导致泄漏率在某些时刻超过标准限值。

图5：在整个循环过程中，从4型储罐中释放出的氢气的演变

3型罐循环后评估：循环后3型罐复合外壳出现树脂脱落，部分纤维外露，树脂中有微裂纹，这可能是加压和循环热应力导致的疲劳结果。罐体长度增加约4.2mm（0.7%），平均直径增加0.8mm（0.5%）。

图6：循环3型模型罐复合外表面的两张图片

4型罐循环后评估：4型罐循环后外部组件目视检查无损坏，罐体尺寸无变化，但用内窥镜检查内部时，一个罐的衬里有褶皱（屈曲了），另一个衬里内侧有小气泡，褶皱在最后一次减压后恢复原状，这与氢气通过衬里渗透及聚乙烯塑料特性有关。X射线检测显示复合层侧与初始状态无差异，但在穹顶与端盖接触区域有大气泡，可能与气体通过聚合物衬里渗透有关，此前McDougall等人也有类似观察。

图7：人工老化和壁泡后的4型储罐图

2. 残余强度测试结果

4型罐慢爆测试：不同循环老化方式后4型罐慢爆测试结果显示，室温液压循环老化后的残余强度最高，高温液压循环老化后的残余强度最低，气态循环老化后的平均爆破强度最高，但离散度大，这意味着其失效概率高于室温液压循环老化的样本。通过对测试数据的统计评估，在样本性能图表中，不同老化方式的样本以不同标记表示，清晰显示了各自的残余强度特征，其中高温液压循环测试（红色点）的样本平均强度最低，而气态循环测试（绿色点）的样本虽平均强度高但离散度大。

表2：4型储罐慢速爆试验结果

3型罐循环测试：3型罐经不同循环老化后，通过循环至失效测试残余强度，结果表明气态循环和高温液压循环的平均残余强度相近，但气态循环的离散度更高，约比室温液压循环高20%，85°C液压循环的离散度比室温液压循环高5%。

表3：3型储罐的残余强度试验结果

对比分析：对比3型和4型罐，3型金属内衬复合罐气态循环老化对强度影响最大，是最关键的老化因素；4型罐则对高温液压循环更敏感。这种差异源于气态循环和液压循环在负载时间上的不同，气态循环负载时间长，使复合材料有更多时间产生蠕变效应，导致应力在复合缠绕层重新分布（小工程解释：就是内力使得外层纤维分布以及空隙更加均匀提升），3型罐内衬预应力损失，残余强度降低，4型罐因塑料内衬高弹性，预应力损失无影响，但应力重新分布起初可提高爆破压力，随着测试进行，复合材料粘弹性变化导致强度下降，最终影响残余强度。

图8：液压和氢循环人工老化对4型气缸慢爆试验结果的影响

图9：水力和氢循环人工老化对4型罐样平均破裂压力的影响

图10：水力和氢气循环人工老化对3型罐样行为的影响，表示平均残载循环泄漏

图11：水力和氢循环的人工老化对样品行为的影响，包括3型罐的泄漏强度和4型罐的负荷循环强度和慢爆破强度

四. 研究结论

1. 液压和气态循环测试对复合储罐强度损失影响不同，产生不同程度的降解。

2. 对于4型罐，氢气循环测试显示最高残余平均破裂强度，但高温液压循环导致最低残余平均强度，且氢气循环存在氢气渗透问题，影响其使用安全性。

3. 3型罐氢气循环造成的降解最明显，老化测试后罐体即可见明显损伤，其降解主要与强度离散度增加有关；4型罐慢爆测试结果表明其对平均强度影响更大。

4. 3型和4型罐在循环测试中的不同强度行为由蠕变效应引起，该效应使应力在复合缠绕层重新分布，进而影响3型罐内衬预应力，而4型罐因塑料内衬特性，应力重新分布的影响方式与3型罐不同。

5. 不同类型的储罐设计需要不同类型的测试方法来准确评估其性能，当前基于有限样本量的研究结果虽有一定意义，但要建立更具普遍性的结论，确定哪种负载循环老化过程最严重，还需要更大的样本量进行可靠的显著性检验。

来源：气瓶设计的小工程师

做了一个简支梁受力计算

做了一个简支梁受力计算来源：气瓶设计的小工程师

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一. 研究背景

二. 实验设计

三. 实验结果

四. 研究结论

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