高压储氢气瓶用4130X钢氢脆试验研究及裂纹容限评定

摘要

高压氢气的安全储存与输送是氢能及氢燃料电池汽车发展的基础。作为大容积钢制无缝储氢气瓶的常见用材，4130X钢在高压氢环境下的力学性能会因氢脆问题而严重下降。特别是在频繁加压、泄压的工作环境下，裂纹在高压氢中的扩展速度会急剧加快从而降低气瓶的使用寿命。本文针对现阶段中国4130X钢抗氢脆力学性能缺失、储氢气瓶裂纹敏感性增加等问题，开展了以下研究工作:
　　(1)提出高压氢环境原位测试方法中的相似性要求并完善高压氢脆原位测试方法。提出并系统分析了高压氢脆原位测试方法中的环境相似性、氢浓度场相似性、力学相似性等要求。建立了高压氢环境测试过程中横梁位移转换为拉伸试样延伸率的数学模型，采用ABAQUS软件对其进行了数值分析，并对计算结果进行了试验验证，结果表明该模型具有良好的有效性。
　　(2)开展4130X钢在高压氢气环境下的拉伸性能与疲劳裂纹扩展速率测试。利用所建立的高压氢环境材料耐久性试验装置测试了大容积钢制无缝气瓶用4130X钢在92MPa高压氢气环境下的拉伸力学性能与疲劳裂纹扩展速率，在世界范围内首次获得该材料在高于45MPa氢气环境中的氢脆数据，研究了压力、旋压工艺等对材料氢脆的影响。结果表明，材料在高压氢气环境中的抗拉强度与屈服强度受到氢气的影响较小，断面收缩率则会明显降低，疲劳裂纹扩展速率增加显著（提高约30～50倍）。
　　(3)建立了高压储氢气瓶基于裂纹容限的疲劳评定方法。基于断裂力学的方法建立了简体内表面椭圆形裂纹的裂纹容限计算算法，并分析了一定剩余疲劳寿命要求下储氢气瓶的裂纹容限。分析了表面裂纹深长比、气瓶直径和压力、热处理工艺等的影响。建立了基于裂纹容限的疲劳评定方法，探讨了高压储氢装置设计制造过程中的应力控制要求。
　　本文的研究成果可为高压氢气的储存输送装备的设计提供基础的数据支撑，为该类储氢气瓶的设计、管理、维护等提供指导与理论支持。

目录

声明

致谢

摘要

插图和附表清单

1．绪论

1．1．引言

1．1．1．氢能发展概述

1．1．2．高压储氢输氢装置发展现状

1．2．高压氢环境金属材料氢脆研究进展

1．2．1．高压氢脆

1．2．2．氢脆机理

1．2．3．高压氢脆试验研究

1．2．4．横梁位移与试样延伸率的关系

1．3．铬钼钢抗氢脆性能的研究进展

1．4．钢制高压储氢气瓶安全评定研究进展

1．5．目前研究存在的问题

1．6．研究内容与技术路线

1．6．1． 课题来源

1．6．2．研究内容

1．6．3． 技术路线

2．高压氢脆原位测试方法

2．1．原位测试的相似性

2．1．1． 环境相似性

2．1．2． 氢浓度场相似性

2．1．3． 力学相似性

2．2．横粱位移与延伸率的转换方法

2．2．1．理论分析

2．2．2．实验验证

2．2．3．误差的数值分析

2．3．本章小结

3．4130X钢的高压氢脆试验研究

3．1．试验方法

3．1．1．气瓶加工

3．1．2．取样方案

3．1．3．试验安排

3．2．慢应交速率拉伸试验

3．2．1．试验数据处理与分析

3．2．2．断口分析

3．3．疲劳裂纹扩展速率

3．3．2．疲劳裂纹扩展速率

3．3．3．C，m的计算

3．4．力学性能劣化规律

3．5．本章小结

4．裂纹容限评定

4．1．裂纹容限计算模型

4．1．1．基本假设

4．1．2．结构参数

4．1．3．计算方法

4．2．裂纹容限分析

4．2．1．剩余疲劳寿命

4．2．2．裂纹容限

4．3．讨论

4．3．1．压力与直径

4．3．2．表面裂纹深长比

4．3．3．检测周期

4．3．4．热处理工艺

4．3．5．应力控制策略

4．4．本章小结

5．结论与展望

5．1．结论

5．2．展望

参考文献

在读期间的科研成果