铬钼钢无缝储氢容器旋压工艺研究.pdf

研究设计 ：收稿日期：；修回日期：第一作者简介：魏立?（），男，内蒙古赤峰人，硕士研究生，主要研究方向为加氢站储氢容器设计制造。：铬钼钢无缝储氢容器旋压工艺研究魏立?，刘亚宇，马凯，顾超华，朱宁（浙江大学 能源工程学院，浙江 杭州 ）摘要：针对储氢用无缝容器由于设计压力较高和壁厚较大而导致旋压成型困难的问题，课题组采用 建立了无缝容器多道次热旋压数值计算模型，探讨了热旋压过程中应力应变演化规律以及厚度的影响。针对壁厚较厚的无缝储氢容器，分析了进给量、圆角半径和温度对旋压过程的影响规律，并提出了优化建议。研究表明：随着厚度增加，容器成型后等效塑性应变增加，成型难度加大；适当减少进给量、增加旋轮圆角半径或提高温度均有利于厚壁容器旋压成型。最终得到了 储氢容器的热旋压工艺参数，即进给量 ，旋轮圆角半径 ，温度 ，为实际生产提供了参考。关键词：无缝储氢容器；旋压工艺；热旋压成型；中图分类号：；文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；无缝容器具有结构简单、成本较低和可批量生产等优点，常用于压缩天然气加气站或长管拖车。近年来随着氢能及氢燃料电池汽车产业的快速发展，该类容器也被用于 加氢站的储氢容器 。然而，相比于天然气加气站中储气压力不高于 ，无缝容器在 加氢站中的储氢压力可达 ，壁厚达到 ，甚至更高，因此加氢站用无缝储氢容器的壁厚通常大于天然气加气站或长管拖车用无缝容器。然而，无缝容器通常采用 钢无缝钢管旋压成型，成型工艺对容器壁厚较为敏感，若工艺参数不合理，最终容器可能出现褶皱和裂纹等缺陷 。而 钢中的缺陷在高压氢环境下会因氢脆而快速扩展，易引发容器失效 ，因此有必要对大容积无缝储氢容器的旋压工艺进行研究。第 卷 第 期 年 月轻工机械 无缝容器的收口缩径旋压是普通旋压的一种，现有研究主要从热旋压成型过程、旋压工艺参数等方面开展研究。等通过调整旋轮运动路径，探讨了缩颈旋压的变形模式，得到了旋轮路径设计和产品质量控制的一般性原则 ；等模拟了多道次热旋压成型过程，给出了管材变形行为的综合解释 ；等在用试验验证数值模型准确性的基础上，讨论了摩擦因数、旋轮半径和平移速度对成型结果的影响 ；等分析了管材成型过程中几何形状和厚度变化，进一步分析了变形机理 。然而，现有研究主要针对壁厚较薄的容器，这些研究所用的管材厚度均未超过 ，而加氢站用无缝储氢容器厚度远大于 ，厚壁容器热旋压成型的研究相对较少。课题组建立了无缝储氢容器多道次热旋压过程的有限元模型，研究了厚度增加对容器旋压成型过程的影响，分析了进给量、旋轮圆角半径和温度等关键参数对旋压结果的影响规律，在此基础上给出了 壁厚容器的热旋压工艺参数选取的建议。研究方法 旋压模型旋压成型属于连续局部塑性变形，塑性变形区会随着旋轮运动而改变。管坯和旋轮接触部位因受到挤压而产生塑性变形，非接触区域受到接触区域的影响会产生弹性或者塑性变形。旋压过程中可能会出现大位移和大变形，使得几何方程变为非线性，因此采用弹塑性有限元法分析，使用更新拉格朗日法描述 。如图 所示，旋压共分 个道次，管坯转速 ，旋轮轴向进给量为 。为便于后续讨论，将旋压成型后的容器分为 个部分：未参与旋压成型部分、容器封头、封头与瓶口平直段过渡部位和瓶口平直段。此外，在这种大塑性变形模拟中，随着变形量的增加，单元会发生严重变形，采用自适应网格技术来减少单元的变形，加快收敛速度。由于材料各向异性对成型影响较小，因此做出如下假设：不考虑材料各向异性的影响，忽略重力和惯性的影响，热边界条件简化为初始条件中恒定的温度条件 。数值模型在 中建立多道次热旋压模拟三维动态图 成型效果 显示有限元模型，几何模型由管坯和旋轮组成，如图 所示。有限元模型采用 单元，具有 节点的六面体线性减缩积分单元（）可以离散处于非稳态变形状态的管坯 。采用平面旋轮，并视为解析刚体。旋轮与管件外表面之间接触类型定义为罚函数，由于二者间运动是滚动的，它们之间的摩擦可以不做考虑 。旋轮运动轨迹由位移边界条件定义。图 有限元模型 管坯材料为 ，其具有良好的强度、淬透性和 研究设计魏立?，等：铬钼钢无缝储氢容器旋压工艺研究抗高温回火脆性能力，综合性能良好，被广泛用于加氢站储氢容器的制造 。材料基本属性定义如表 所示。管材在高温下（）的真实应力应变数据从 等的研究中提取，他们对 进行了一系列不同应变速率的热压缩试验 ，试验结果表明温度越高，软化程度越高，塑性越好。高温下材料性能对应变率敏感，课题组采用了应变速率 时的结果。表 管材材料属性 弹性模量 泊松比 密度 （）旋压分析 旋压过程课题组采用外直径 ，厚度为 的无缝钢管分析无缝容器的旋压成型过程，温度为 。当旋轮与管坯接触后开始产生塑性变形，变形区内，材料受到旋轮沿厚度方向的直接压力、切向压力 和前方材料给予的阻碍压力。在 向压力作用下，旋轮前方管坯材料产生轴向压应变，使金属向前流动；后方材料仅受到轴向拉力产生伸长变形，如图 所示。随着旋轮摆动，其与管坯接触面积增加，正旋结束后，沿着管坯轴向进给，反方向摆动相同幅度后再次轴向进给，一道次成型结束。图 所示为容器热旋压等效塑性应变（，）场，随着旋压道次的增加，塑性应变逐渐累加，最大值开始在瓶口，逐渐转移至过渡部位。成型结束后，管坯材料整体处于拉伸状态，封头和平直段厚度增加，过渡部位的最大等效塑性应变达到了 ，这在室温下很难完成该成型过程。壁厚影响为了研究厚度的影响，采用管坯外直径 ，壁厚分别为 ，和 的钢管进行旋压，种厚度分别对应压力为 ，和 的容器 ，加工温度为 。图 和图 为壁厚 和 容器最终成型结果。模拟结果显示：壁厚容器可正常成型，而 壁厚容器在第 道次正旋时过渡部位因出现裂纹导致计算结果图 材料变形行为分析 图 容器壁厚为 时的旋压成型过程 图 容器壁厚为 时的旋压成型结果 不收敛。对于无缝储氢容器来说，裂纹和起皱等缺陷会影响容器质量，减少寿命，因此在旋压过程中要避免这类缺陷出现 。网格无关性验证了网格数量对模轻工机械 年第期拟结果的影响，另外 种网格数量下同样因出现缺陷而成型终止。图 容器壁厚为 时的旋压成型结果 图 不同壁厚容器最大等效塑性应变 图 中最大等效塑性应变均在封头与瓶口平直段过渡部位，选取该处的变化来绘制旋压成型过程中应变应力曲线。图 为 种壁厚容器最大等效塑性应变随时间变化曲线。由图 可知：种容器的等效塑性应变均随着旋压道次的增加而呈现阶梯状上升，在成型过程中厚壁容器应变始终大于薄壁容器；成型结束后，壁厚容器等效塑性应变最大值为 ，壁厚容器应变最大值为 ，而 壁厚容器在缺陷处的最大应变值为 ，已经大于前 种容器。以上结果说明壁厚增加会使容器在成型过程中和成型后应变增加。图 为 种壁厚容器应力随时间变化曲线。由图 可知：种容器应力均呈现周期性变化，当旋轮与管坯接触后应力开始增加，脱离接触后应力下降，成型结束旋轮退出后，留有残余应力；而 壁厚容器的应力仍保持较大值是因为在成型结束时旋轮尚未脱离所致。图 不同壁厚容器应力变化 由以上计算结果分析可知：压力增高使容器壁厚增加，相同截面内流动金属增加，在相同工艺参数下，随着旋压道次的增加，厚壁容器在过渡部位容易产生缺陷，最终生成不合格的产品。也就是说薄壁容器的旋压参数不再适用于厚壁容器，需要进一步优化。工艺参数影响及建议旋压成型结果受多种因素影响，合理选择工艺参数是保证旋压成功的重要条件，如选择不当，旋压过程中可能出现诸如断裂、褶皱和内裂等缺陷。旋压过程中主要工艺参数有进给量、主轴转速、温度和旋轮圆角半径等。对于缩颈旋压，有些参数影响有限，如主轴转速虽然可以改善零件表面粗糙度提高生产率，但是对旋压过程影响并不大 。笔者主要讨论进给量、圆角半径和温度对旋压过程的影响。进给量针对外径 、壁厚为 容器，在 下，计算了旋轮每道次轴向进给量分别为 ，和 的情况。前 种条件下，在容器过渡处外表面均出现起皱现象，导致成型失败。进给量减少至 时，旋压过程可以完成，其成型结果如图（）所示。研究设计魏立?，等：铬钼钢无缝储氢容器旋压工艺研究图 不同进给量的计算结果 以上分析表明进给量是旋压成功与否的关键参数。过大的进给量使旋轮前部材料隆起或堆积严重，增大了缺陷出现的可能性。相比于薄壁容器，厚壁容器需要更小的进给量，因此，对于 容器，进给量推荐采用 。旋轮圆角半径在之前的模拟中，使用了圆角半径 的旋轮即平面旋轮；考虑到旋轮圆角半径 对容器瓶口与过渡处成型影响较大，针对 外径、壁厚容器，在进给量 、温度 的条件下，选取 为 进行计算，结果如图 所示。图 壁厚与圆角半径之间关系 图 为不同圆角半径下容器旋压成型后不同部位的壁厚值。由图 可知：当平面旋轮改为圆角旋轮后，在半径 区间内，随圆角半径的增加，过图 应力、应变与圆角半径之间关系 ，渡处最大和最小壁厚增加明显；当圆角半径大于 时，过渡处最小壁厚逐渐大于 ，表明该部位相比于原始管材开始增厚。整体来说，旋轮圆角半径增加后，容器过渡处最大与最小壁厚差值减小，薄厚不均现象减缓，起旋处壁厚略有减少（图 中和交接处），这是由于该部位材料仅受到单向拉力。图 为不同圆角半径容器旋压成型后容器应力应变场。由图 可知：最大应力应变随圆角半径增加呈现下降趋势；最小应力应变变化不明显。以上分析表明：圆角半径太小，在完成一次成型之前，旋轮的局部阻力会增加，使得过渡部位减薄；随着圆角半径的增加，壁厚减薄现象有所改善，这是由于接触区与未变形金属过渡较为平缓，有利于材料流动并及时补充；圆角半径过大，与管坯的接触面积会增加，压力也会增加，瓶口不稳定，最终容易起皱。因此，建轻工机械 年第期化工大学，：孙明文 一维恒压压榨脱水理论在过滤机中应用 机械设计与制造，（）：邱爱红，龚曙光，谢桂兰，等 变径变螺距螺旋轴参数化模型及性能仿真 机械工程学报，（）：李鑫 基于挤出理论的螺旋挤压脱水机机理研究 北京：北京化工大学，：朱德文，赵维松，宗文明，等 断齿式挤压脱水流道内流场数值模拟 农业机械学报，（）：冯硕，王延刚，王信锟，等 基于离散元方法的餐厨垃圾螺旋挤压装置性能研究 食品与机械，（）：李冰青，朱宁，叶小梅，等 奶牛粪颗粒粒径分布及养分含量特征 江苏农业学报，（）：李鹏峰，隋克俭，李家驹，等 破碎厨余垃圾进入市政污水管网的若干问题 中国给水排水，（）：吴远远，塞贡，郑明霞，等 基于破碎处理的家庭厨余垃圾减量及其对下水的影响 环境工程学报，（）：侯秀宁，王玉龙，刘思瑶，等 拖拉机驾驶室内非常规污染物排放的 模拟与试验 农业工程学报，（）：丁小兵 深海采矿两级离心泵固液两相流数值模拟研究 机械科学与技术，（）：，（）：，（）：，：，：，：，（）：檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭 （上接第 页）程凯 旋压成型车载 气瓶表面缺陷分析 邯郸：河北工程大学，：顾超华，姚彦辰，赵益明，等 在 氢环境下的断裂力学性能试验研究 轻工机械，（）：，（）：，：，（）：，（）：夏琴香 特种旋压成形技术 北京：科学出版社，：邓春锋，邵飞，梅鹏程 大容积高压气瓶旋压成型工艺研究 锻压装备与制造技术，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：全国气瓶标准化技术委员会 大容积钢质无缝气瓶：北京：中国标准出版社，郭淑芬，岳也，刘长林，等 国内外站用钢质无缝储氢容器标准规范研究 低温与特气，（）：，：张涛 旋压成型技术 北京：化学工业出版社，：研究设计徐稳，等：畜禽垃圾螺旋挤压脱水过程数值模拟研究