1.一种提高站用储氢气瓶疲劳寿命的方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)设计储氢气瓶自增强处理系统;
2)通过储氢气瓶自增强处理系统,对储氢气瓶进行加压—卸压—加压的自增强工艺处理;
3)通过数值模拟和理论分析,得到不同径比情况下的自增强压力—弹塑性分界面直径曲线:数值模拟用于确定气瓶可承受的自增强压力范围,具体指标为卸载后沿气瓶壁厚方向上的残余应变≤2%;理论分析通过计算不同径比情况下气瓶的爆破压力从而确定不同径比情况下的自增强压力范围;将数值模拟和理论分析的结果进行对比得到不同径比不同自增强压力情况下的弹塑性分界面直径DP;
4)将自增强技术与断裂力学理论结合,假设气瓶内壁存在初始缺陷,结合步骤3)得到的弹塑性分界面直径DP数据计算自增强处理后气瓶壁厚方向上的环向残余应力分布σtRA,拟合氢气瓶壁厚方向上的应力分布得到应力分布系数Ai,计算应力强度因子K和裂纹扩展速率da/dN,得到裂纹扩展到裂纹尺寸时对应的循环次数NP和Nc,最终确定许用循环次数N;
具体公式如下:
自增强压力卸载后,计算环向残余应力:
当Di≤D≤DP时:
当DP≤D≤D0时:
D0表示气瓶外径,RP0.2表示材料的屈服强度,Fb表示修正系数,Di表示气瓶内径;
拟合上述环向残余应力分布,计算得到残余应力强度因子KIres:
Ai'是通过拟合环向残余应力分布得到的四个拟合系数,Gi是计算应力强度因子时的四个表面修正系数,通过线限插值得到,是一个动态值,随裂纹深度的变化而变化;a是裂纹深度,l是裂纹长度,Q是裂纹形状系数;
计算疲劳裂纹裂纹扩展速率:
C是疲劳裂纹扩展速率系数,Rk表示最小应力强度因子与最大应力强度因子的比值,ΔK表示应力强度因子范围;
5)通过步骤3)和4),针对不同径比情况下的储氢气瓶,通过自增强压力—径比曲线得到针对不同径比提出不同自增强压力工况,拟合得到最佳自增强压力设计的经验公式;
6)对最佳自增强压力—径比曲线进行对比验证。
2.根据权利要求1所述的一种提高站用储氢气瓶疲劳寿命的方法,其特征在于,所述步骤2)具体步骤如下:
2.1)对储氢气瓶通入增强压力进行加压,使气瓶内壁发生局部屈服;
2.2)对储氢气瓶进行卸压,屈服区域因无法恢复原状受到弹性区域挤压产生残余压应力,相对应地,弹性区域产生残余拉应力;
2.3)对储氢气瓶通入工作压力进行加压,工作压力产生的残余拉应力与屈服区域的残余压应力相互抵消,与弹性区域的残余拉应力相互叠加,使气瓶整体应力水平平均,降低应力强度因子水平,从而降低裂纹扩展速率,提高气瓶的许用循环次数即疲劳寿命。
3.根据权利要求1所述的一种提高站用储氢气瓶疲劳寿命的方法,其特征在于,所述步骤1)中储氢气瓶自增强处理系统包括氢气源储存容器A(1)、氢气源储存容器B(101)、氢气源储存容器C(102)、气体压缩机(4)、三通阀A(14)、三通阀B(9)及试验高压无缝储氢气瓶(10),所述氢气源储存容器A(1)与气体压缩机(4)之间通过连接管道(6)相连,所述气体压缩机(4)通过三通阀A(14)分别与氢气源储存容器B(101)及试验高压无缝储氢气瓶(10)通过连接管道(6)相连,所述三通阀A(14)与试验高压无缝储氢气瓶(10)之间的连接管道(6)上设置三通阀B(9),并通过三通阀B(9)分别与试验高压无缝储氢气瓶(10)及氢气源储存容器C(102)通过连接管道(6)相连。
4.根据权利要求3所述的一种提高站用储氢气瓶疲劳寿命的方法,其特征在于,所述氢气源储存容器A(1)中设置温度控制器(2),确保温度恒定且为常温;所述氢气源储存容器A(1)与气体压缩机(4)之间的连接管道(6)上设有流量调节阀(3)。
5.根据权利要求3所述的一种提高站用储氢气瓶疲劳寿命的方法,其特征在于,所述试验高压无缝储氢气瓶(10)放置在爆破坑(12)中,防止气瓶因压力过高而发生破裂。
6.根据权利要求3所述的一种提高站用储氢气瓶疲劳寿命的方法,其特征在于,所述三通阀B与试验高压无缝储氢气瓶(10)连接管道之间设置压力变送器(8)。
7.根据权利要求3所述的一种提高站用储氢气瓶疲劳寿命的方法,其特征在于,所述气体压缩机(4)上设有压力表(5)。
8.根据权利要求3所述的一种提高站用储氢气瓶疲劳寿命的方法,其特征在于,所述试验高压无缝储氢气瓶(10)包括瓶体及连接瓶体上端的瓶口阀(13),所述瓶口阀(13)左、右两端分别连接精密压力表(7)、压力计数器(11),精密压力表(7)与瓶口阀(13)之间设置有流量调节阀(3)。
9.根据权利要求8所述的一种提高站用储氢气瓶疲劳寿命的方法,其特征在于,所述瓶口阀主要包括阀体(1301)、旋塞(1302)、塞杆(1303)、螺套(1304)、扳手(1305)及螺帽(1306);旋塞(1302)置于阀体(1301)内部,且在阀体(1301)同一位置开孔,形成装置连接孔A(1307)、装置连接孔B(1308),所述旋塞(1302)与塞杆(1303)连接固定,并通过螺套(1304)与阀体(1301)连接,扳手(1305)通过螺套(1304)与螺帽(1306)固定在塞杆(1303)上,通过转动扳手(1305)控制旋塞(1302)旋转从而控制气体进出。
10.根据权利要求1‑9任一所述的一种提高站用储氢气瓶疲劳寿命的方法,其特征在于,所述储氢气瓶自增强处理系统的试验流程如下:通过氢气源储存容器A(1)与气体压缩机(4)之间的流量调节阀(3)将氢气源储存容器A(1)中的氢气输送到气体压缩机(4)进行加压,当系统压力超过规定值时,打开三通阀A(14)及三通阀B(9),将溢出气体输送回氢气源储存容器B(101),气体被压缩后通入试验高压无缝储氢气瓶(10),通过精密压力表(7)观察瓶内压力,通过三通阀B(9)与试验高压无缝储氢气瓶(10)之间的连接管道(6)上的压力变送器(8),将压力转变为电动信号传送给压力计数器(11)进行记录和测量,试验完成后将瓶内气体排入氢气源储存容器C(102)。