【摘要】：氫能以其來源豐富、無污染、燃燒效率高、可再生等優(yōu)點成為新世紀最具發(fā)展前景的二次能源。氫能可儲存和輸送,是能量密度低、難儲存、穩(wěn)定性差的可再生能源利用的重要橋梁,是人類戰(zhàn)略能源的發(fā)展方向。 經(jīng)濟、安全、可靠的儲氫是氫能規(guī)�；玫年P(guān)鍵之一。高壓儲氫具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、壓縮氫氣制備能耗低、充放速度快等優(yōu)點,是目前占絕對主導(dǎo)地位的儲氫方式。高壓儲氫容器是高壓儲氫系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。 隨著高壓氫系統(tǒng)從應(yīng)用示范向工業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)變進程的加快,對高壓儲氫的規(guī)模和安全性的要求將越來越高,與之相適應(yīng)高壓儲氫容器將繼續(xù)朝著大容積、高壓力、高可靠性的方向發(fā)展,隨之而來的大容積高壓儲氫容器結(jié)構(gòu)強度優(yōu)化設(shè)計和金屬材料高壓氫脆問題,也將越來越突出。 在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(“863計劃”)項目“高壓容器儲氫技術(shù)和裝備”(項目編號：2006AA05Z143)和“70MPa高壓氫氣儲存加注系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及裝置研究”(項目編號：2009AA05Z118)的支持下,針對浙江大學(xué)發(fā)明的大容積全多層高壓儲氫容器結(jié)構(gòu),本文圍繞容器筒體等強度優(yōu)化設(shè)計、封頭與筒體連接結(jié)構(gòu)強度、容器安全性及氫在金屬中的富集特性等關(guān)鍵問題開展研究,完成的主要工作有： (1)基于帶寬方向有效正應(yīng)力和切應(yīng)力模型,推導(dǎo)出考慮鋼帶層間摩擦力的纏繞預(yù)應(yīng)力及工作狀態(tài)下應(yīng)力分析方法,完善和發(fā)展了鋼帶錯繞筒體彈性應(yīng)力分析方法,在此基礎(chǔ)上,建立了一種基于逆向遞推思想的鋼帶纏繞預(yù)拉應(yīng)力計算方法,開發(fā)了大容積全多層高壓儲氫容器優(yōu)化設(shè)計軟件(登記號為：2011SR060577),并以自主研制的75MPa、2.5m3大容積全多層高壓儲氫容器為例,將本文建立的鋼帶纏繞預(yù)拉應(yīng)力確定方法與前人提出的低應(yīng)力內(nèi)筒法及未考慮摩擦力的等切應(yīng)力纏繞法進行比較,本文建立的方法既實現(xiàn)了鋼帶層沿壁厚方向的等強度,又將內(nèi)筒應(yīng)力控制在較低的水平,具有顯著的優(yōu)點。 (2)以自主研制的75MPa、2.5m3高壓儲氫容器為對象,開展了大容積全多層高壓儲氫容器封頭和筒體連接結(jié)構(gòu)強度試驗研究,獲得了加強箍、封頭及其連接部位應(yīng)力隨內(nèi)壓的變化情況。建立了精度較高的大容積全多層高壓儲氫容器封頭和筒體連接結(jié)構(gòu)彈塑性有限元分析模型�；谠撃Ｐ�,對封頭和筒體連接結(jié)構(gòu)在容器超壓過程中的變形特征,及封頭與加強箍配合面形成裂紋尖端在多次加載時的穩(wěn)定性進行了分析,驗證了加強箍結(jié)構(gòu)經(jīng)驗設(shè)計方法的合理性。 (3)從介質(zhì)、設(shè)備、環(huán)境、操作與管理等方面,對大容積全多層高壓儲氫容器可能面臨的風(fēng)險進行了辨識,并提出了相應(yīng)的風(fēng)險控制措施。結(jié)合大容積全多層高壓儲氫容器自身的結(jié)構(gòu)特點,從設(shè)計要點、實踐基礎(chǔ)和標(biāo)準(zhǔn)制定等方面對保障容器安全性的措施進行了分析。利用大容積全多層高壓儲氫容器封頭和筒體均為多層結(jié)構(gòu)的特點及其“只漏不爆”的失效特性,開發(fā)了容器泄漏監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)了容器安全狀態(tài)的遠程實時監(jiān)測。 (4)基于彈塑性斷裂力學(xué)理論和廣義擴散定律,建立了局部應(yīng)力場作用下氫在金屬中擴散行為的順序耦合分析模型。基于該模型,揭示了裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場、溫度和材料界面等因素對氫的擴散行為與富集特性的影響規(guī)律,并在此基礎(chǔ)上提出了防止氫在局部富集的措施。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TH49;TG111

【參考文獻】

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