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在高压氢气环境中使用的金属部件强度设计

文章出处:责任编辑:作者:人气:-发表时间:2016-08-19 09:07:00【

  燃料电池车(FCV)及加氢站使用的氢气在压力上最大达到80MPa以上。曝露于这一高压氢气环境下的金属构件(管道、阀门及储压器等)需要考虑因微量氢气侵入材料而导致强度及延展性下降(氢脆化)的问题,实施相关的强度设计。下面就来介绍一下与高压氢气环境中使用的金属部件的强度设计思路及最新动向。更多信息请点击在线询价,或者拨打我们的热线电话:400-6277-838

  可在高压氢气环境中使用的材料

  2000年前后日本国内开发的35MPa加氢站只允许使用“不受氢影响的材料”。当时在材料上有3项要求:(1)在氢气中的慢应变速率拉伸测试(SSRT 测试)中,拉伸强度、屈服应力、延伸性及延展性与在大气中为同等以上水平;(2)氢气中的疲劳寿命特性与大气中为同等程度;(3)氢中的疲劳裂纹扩展速度与大气中为同等程度。在这些要求下,可使用的材料有奥氏体不锈钢“SUS316L”及铝合金“A6061-T6”。而铬钼钢“SCM435”虽然也在允许之列,但必须要用超声波探伤仪确认不存在有害缺陷,满足这一条件后方可使用。

  2010年前后日本开始讨论70MPa加氢站并在国内各地推进相关建设,其材料使用范围扩大到了“受氢影响少的材料”。这一时期允许使用符合一定要求的奥氏体不锈钢,具体来说就是在SSRT测试中受氢气影响最大的“延展性”要满足评判标准,并且氢气中的疲劳测试结果(疲劳寿命特性)要与大气中为同等程度。

  今后,要想兼顾相关部件的安全性和经济性,使用“受氢影响但价格便宜的材料”尤为重要。2013年6月日本内阁会议通过了相关规定改革实施计划,为了在日本国内广泛使用铬钼钢等受氢影响的钢材,加入了扩大可用钢材范围的内容。笔者等根据在高压氢气环境下获得的、与“SCM435”相关的一系列实验结果,提出了使用铬钼钢时的材料选择标准,以及使用“公式型设计”及“分析型设计”时的指南。

  在高压氢气环境中使用的部件的强度设计

  高压气体部件的强度设计一般有基于疲劳限度设计(无限寿命设计)的“公式型设计”,以及基于有限寿命设计的“分析型设计”。这里以受氢影响的“SCM435”为例,对高压氢气环境中使用的构件的强度设计做一概述。

  “公式型设计”以安全系数Fs为基础使用无限寿命设计。已有设计标准规定的Fs值为3.5~4.0。在无限寿命设计中,在氢气环境中不下降的疲劳限度尤为重要。笔者等在“115MPa”氢气中对“SCM435”实施了慢应变速率测试,所获得的应力-位移曲线及疲劳寿命数据显示,即使是受氢影响较大的 “SCM435”,在高压氢气中,作为安全系数标准的拉伸强度也未下降,并且作为无限寿命设计依据的疲劳限度也未下降。因此,这种材料有望使用基于安全系数(Fs=3.5~4.0)的疲劳限度设计。

  而“分析型设计”使用的安全系数为Fs=2.4~3.0。从美国工程师学会(ASME)在Section VIII Div.3标准中注明的设计流程图来看,在设想有限寿命时,除了实施公式型设计所需要的材料选择及壁厚计算之外,还必须要实施破前漏(Leak Before Break、LBB)判定及疲劳裂纹扩展等破坏力学分析。破前漏是指疲劳裂纹贯穿壁厚使内压释放时裂纹停留、不产生非稳定性破坏的破坏模式。要想防止伴随疲劳破坏的重大事故,实现相关分析尤其重要。

  笔者等在“115MPa”氢气环境下获得的“SCM435”的疲劳裂缝扩展特性显示,在高压氢气环境中,疲劳裂缝扩展速度大幅加快。但有时疲劳裂缝扩展速度的加速在各氢气压力下也存在上限值。这在使用有氢影响的材料实施“分析型设计”时,成为在安全上合理决定疲劳裂缝扩展寿命的关键。

  综上所述,即使是有氢影响的“SCM435”,只要限定强度水平,便有望使用氢气中的疲劳裂缝扩展特性和大气中的破坏韧性值,实施基于安全系数(Fs=2.4~3.0)的“分析型设计”。而有些低合金钢及高强度钢在氢影响下,疲劳裂缝扩展有时会出现显著加快,不存在加速上限值。这些材料由于没有设计依据,因此不能实施“分析型设计”,不过,只要将来开发出在疲劳裂缝扩展上拥有加速上限值的材料,就有望在储压器上使用更高强度的材料。

  海外及国际统一的动向

  与高压氢气设备相关的海外标准有ASME BPVC Section VIII、Div.3、Article KD-10以及最近由加拿大标准协会(Canadian Standards Association,CSA)发布的ANSI/CSA CHMC 1-2014。Article KD-10根据大气中的平面应变断裂韧性测试数据,以及氢气中的对氢致疲劳破裂的极限应力扩大系数,从中选择较小的一个来要求极限裂纹深度。并且还根据氢气中的疲劳裂纹扩展特性来预测构件的疲劳寿命,其极限应力扩大系数通过定负荷或定位移测试来决定。

  CHMC 1-2014提出了安全系数倍数法,将用于大气环境的安全系数Fs乘以“安全系数倍数SFM(Safety Factor Multiplier)”得出的数值作为氢气中的安全系数来使用。SFM值通过在氢气中和大气中对切口试样实施SSRT测试和疲劳寿命测试来求得。也就是说,对大气中和氢气中的拉伸强度比(SF0),以及103、104、105次循环中的大气中和氢气中的时间强度比做比较,从中选择最大的一个定义为 SFM。

  在汽车用压缩氢容器方面,日本2014年度在国内法规中启用全球统一的GTR(Global Technical Regulation,全球性技术法规)Phase I标准。不过,GTR-Phase I在材料的氢适合性测试方法上尚未实现全球统一。今后,相关方法有必要在GTR-Phase II中实施统一,目前国际上正以CHMC 1-2014及SAE-J2579为基础展开讨论。

  在高压氢设备方面,要想兼顾安全性和经济性,就必须进一步扩大可使用的材料,研究相关设计方法并在国际上达成统一。为了使日本成为该领域的领头羊,在全球的氢社会构建中抢得先机,日本各相关人士将协起手来,举日本全国之力继续展开相关活动。

 
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