浅谈储氢材料的应用及储氢罐结构设计.pdf

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1、科技技术应用

2、TECHNOLOGYAPPLICATION浅谈储氢材料的应用及储氢罐结构设计中国石油兰州石化公司污水处理厂　徐　波摘要：氢能源作为未来新能源之一，在能量领域中，占据着极其重要的地位。氢的储存方式是多种多样的，但是传统的氢储存方式将不再能满足大量储存氢的要求，安全、经济、高效率的金属合金储氢方式很好的解决了这一问题。通过对金属储氢合金的研究，找到了金属氢化物的储存原理和储存原始条件等，根据储氢合金的工艺条件可以为金属氢化物储氢罐进行专门设计。通过对对储氢罐体的研究，从选材、材料腐蚀、罐体的计算、焊接材料等入手，设计出了一个具有安全、经济、高效的储氢罐

3、。关键词：氢能源；储氢材料；氢腐蚀；选材；封头一、储氢罐的特点和应用Fe3C十2H2→3Fe+CH4Fe3C→3Fe+CC+4H→CH4储氢罐由储氢材料，容器，导热机构，导气机构和阀门五随着反应的不断进行．钢中渗碳体不断脱碳变成铁素体，部分组成。储氢罐的储氢材料经过几次活化处理后就可以用来并不断生成甲烷，而甲烷在钢内扩散困难，积聚在晶界原有的正常地储存氢气。储氢罐既可以用来收集储存氢气，也可以为微观空隙内、随着反应的不断进行而愈聚愈多，产生很大的内需要氢气的装置提供氢气，储氢罐供氢方式具有以下特点：储压力，形成局部高压、造成应力集中，使细微的空隙开口、扩大、氢容

4、量大；从体积角度看，它的储氢量比固态和液态氢都要高；传播、引起钢材中出现大量细小的晶界裂纹和气泡，这就使钢安全性好；氢气纯度高。的强度和韧性大为降低(不可逆的)，甚至开裂，导致设备破坏。二、储氢材料的应用产生氢腐蚀的钢材，出于裂纹很小而数目很多、从外观上又很1.储氢合金难凭肉眼直接观察到明显的痕迹，往往设备突然出现破裂，所“储氢合金”的材料具有可逆的吸放大量氢气的特性。氢以氢腐蚀是一种很危险的腐蚀。能与许多金属合金或金属间化合物反应生成金属氢化物，并释3.储氢罐的选材放出热量；金属氢化物受热时释放出氢气，用反应式可以表示储氢罐属于特殊压力容器，选材方面将考虑使用

5、条件（如为：2/nM+H2＝2/nMHn+ΔH(热)设计温度、设计压力、介质特性、操作特点等）、材料的焊接2.储氢合金热力学知识性能、容器的制造工艺以及经济的合理性。实际温度大于20℃与氢气环境接触的容器用钢是根据设计温度和氢分压按纳尔逊曲线来选择材料。如设计储氢罐的设计压力为6.4Mpa，容积为公称容积为5.0L，外径为120mm，属于中压容器。此次选材内筒主要考虑抗氢蚀的材料。通过比对国产主要抗氢钢及其化学成分，选择15CrMo钢管作为设计的里层筒体材料（封头和底端选择15CrMo钢材）。保温层和外层选用目前国内压力容器使用最广泛的钢板16MnR（它是氢在金

6、属中的吸收和释放，取决于金属和氢的相平衡关屈服点为340MPa的压力容器专用钢板）。系，影响相平衡的因素为温度压力和组成。大于A点后，氢4.直筒壁厚的设计化反应开始，此时金属中氢浓度显著增加，而氢压几乎保持不里层筒体的最小壁厚计算变，反应生成金属氢化物，称为β相，至B点氢化反应结束。AB段α、β两相共存后，压力恒定，等温线上出现一个平台阶。S===2.33mm其对应的压力为氢的平衡压力，氢浓度为金属氢化物在相应温度时的有效氢容量。显然，高温生成的氢化物具有较高的平衡其中σe为材料热处理后的屈服应力保证值为295MPa压力，同时有效氢容量减小。从A到B，α相逐渐转

7、化为β相，Do为钢瓶筒体外径=120mm超过B点，形成β相固溶体。B点以后可能出现新相γ相和Pk为水压实验压力=9.6MPa新的台阶。F为设计应力系数a.对正火或正火后回火处理的钢瓶设00压力与温度间的关系可以描述为:LnPH2=△H/RT-△S/计，F取0.82Rb.对淬火后回后处理的钢瓶设计，F取0.7700其中：△H和△S分别为吸氢反应的热焓和熵，R为气同时满足下面公式且不得小于1.5mm体常数，T为绝对温度。在很大的温度范围内，二者呈严格的S≧=1.48mm00直线关系；据此图可以求出△H和△S的值。5.焊材的选择三、储氢罐的结构设计由于储氢罐的主体选择

8、的是Cr-Mo钢，应选择为铬钼耐1.设计的特点热钢电焊条。具体型号为E5515-B2牌号为R307的焊条作为储氢罐是特殊压力容器，必须具有一般压力容器不具有里层焊条，型号为E5503型号为J506的焊条作为保温层和外的，如高密度储氢、存放氢气方便自由等特点。采用三层包裹层的焊条。式设计，最里层（简称里层）用来存放金属合金；中间层是保6.绝热材料的选择温层，是为里层提供热能源服务的（温水）；最外层（简称外根据绝热材料的温度、热导率、强度、不燃性、容量密度、层）是保护层，用来抗外界腐蚀和保护保温材料。下图为本次吸水率、腐蚀性等方面综合考量，选择超细玻璃棉毡为的保温设

9、计的截面图。材料，由于水