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大容积高压无缝氢气钢瓶的研制

文档作者：王红霞陈奇峰文档来源： 1．石家庄安瑞科气体机械有限公司 2．河北省锅炉压力容器监督检验院		点击数：	更新时间： 2025年10月21日
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第38卷 增刊
2O09年8月
石油化工设备
PETRO—CHEM ICAL EQUIPMENT
Vol_38 Supplement
Aug． 2O09
文章编号：100O一7466(2OO9)增刊一0O27一O3
大容积高压无缝氢气钢瓶的研制
王红霞 ，陈奇峰
(1．石家庄安瑞科气体机械有限公司，河北石家庄O5O061；
2．河北省锅炉压力容器监督检验院，河北石家庄o5oo61)
摘要：用对环境污染极小甚至无污染的氢能源代替常规能源，是未来的发展趋势。开发储运成本
低、运载效率高、储运压力在35～45 MPa甚至更高的高压氢气储运设备是利用氢能源的关键。而
高压氢气储运设备压力超出了《气瓶安全监察规程》的适用范围，没有相应的国家标准和行业标准
做依据。着重论述了高压无缝氢气钢瓶的研制方法、程序、重点、难点以及质量性能可靠性的保证
措施。
关键词：钢瓶；高压氢气；开发
中图分类号：TQ O51．5O1 文献标志码：B
DevelOpm ent 0f Large Capacity High Pressure Seam less Steel Gas Cylinders
wANG Hon xia ，cHEN Qi—fen
(1．Sh iazhuang ENR1C Gas Equipment Co．Ltd．，Shijiazhuang 050O61，China；
2．Hebei Supervision and Inspection of Bo订er and Pressure Vessel， Shijiazhuang O5OO61，China)
Abstract： W ith increasing of consumption of conventional energy sources and environmental po1—
1utions in some aspects，in worldwide energy source field，it w订1 be a trend to develop hydrogen，
an energy source having a little or even no environmental pol1ution， as replacement of present
conventional energy resources．In deve1oping hydrogen as an energy source，to find a low cost and
high efficiency transportation vessel with service pressure to be 35～ 45 M Pa or eVen higher wil1
be the key point．Above mentioned pressure is out of the scope 0f Safety Inspection Regulations
for Gas CyIinders，simultaneously there is no national or industrial standard as a reference．This
article will discourse high pressure seam1ess stee1 hydrogen cylinder’s research and deVel0pment
means， procedure， key process， emphasis， nodus and quality assurance measures．
Key w0rds： cylinder； high pressure hydrogen； development
随着我国国民经济的快速发展和能源的广泛利
用，常规能源将被大量消耗，同时伴随着程度不同的
环境污染。开发对环境污染极小甚至没有污染的、
能够替代现有常规能源的未来清洁能源是当务之
急。高压氢气是比较理想的清洁能源，而储运高压
氢气的设备— — 高压无缝氢气钢瓶则是研发的重
点。高压无缝氢气钢瓶的特点是压力高、壁厚较大，
旋压、热处理难度大，高压氢气环境下易产生氢脆，
属于疲劳容器，易产生疲劳破坏。为了降低高压气
体的储运成本，提高高压气体的运载效率，高压氢气
的储运压力正在不断提高，一般为35～45 MPa。
《气瓶安全监察规程》适用于正常环境温度
(一40～60℃)、公称工作压力为1．O～3O MPa、公
称体积0．4～ 3 O0O L的气瓶口]。对于研制开发
45 MPa无缝氢气钢瓶，目前还没有相应的国家标
准、行业标准以及国家主管部门颁布的安全技术规
收稿日期：2。09一O5—18
作者简介：王红霞(1966一)，女，河北冀州人，教授级高级工程师，学士，从事高、中压容器(含气瓶)的研发设计、制造工作。
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· 28 · 石油化工设备 2[)(]9年第38卷
范作为依据。
文献[1]第4条规定，气瓶产品应符合相应国家
标准的规定。标准中应包括产品型式试验的内容和
要求。暂时没有国家标准的产品，制造企业采用或
参照国际标准或国外先进标准制订企业标准。企业
标准需经全国气瓶标准化技术委员会评审备案。第
5条则规定，研制、开发气瓶及其附件新产品，应在
试验研究并取得成果的基础上进行产品试制。试制
品应符合产品标准要求，并按文献[1]附件3《气瓶
型式试验技术评定的内容和要求》，由国家质检总局
特种设备局授权的单位组织专家进行技术评定，经
型式试验、技术评定合格的气瓶方可批量制造。
鉴于上述要求，在试验、研究和实践的基础上，
石家庄安瑞科气体机械有限公司对3O MPa以上的
高压无缝氢气钢瓶按以下程序进行了研制，制定了
满足45 MPa氢气钢瓶研制开发的企业标准：① 产
品标准的起草、评审和备案。②产品设计、计算及产
品图样的审批和备案，设计图样报请大连市锅炉压
力容器检验所审批、备案。③ 钢瓶材料的研究。④
钢瓶瓶体材料和端塞材料的氢脆试验。⑤产品工艺
试验、制造工艺的制定及产品试制。关键是旋压工
艺和热处理工艺的试验和制定。⑥ 产品的型式试
验，包括产品的外观和各项力学性能检验、疲劳试验
及爆破试验等。⑦产品的技术评定。
l 产品标准起草
在全面研究现有标准、文献[1]、DOT 49CFR
§178．35《规范气瓶的通用要求》、DOT 49CFR
§178．37《3AA 和3AAX无缝钢瓶规范》及ISO
11120《气瓶一水容积150L～3 O00 L的可重复使用
的无缝钢制气瓶的设计、结构和试验》的基础
上_2 ]，结合多年研发生产大体积钢质无缝气瓶的
经验和积累的数据，根据45 MPa氢气瓶的特点、研
发难点、易出现的问题及需要要着重解决的问题，起
草了适合该产品特点的、满足产品性能和质量要求
验收的依据。该产品标准需经全国气瓶标准化技术
委员会评审并备案。
与文献[1]适用范围内的无缝气瓶标准相比，该
产品标准的主要特点和区别是：① 该产品标准的压
力适用范围为大于30 MPa且小于等于45 MPa。
②增加了钢瓶瓶体材料和端塞材料进行氢脆试验的
要求。③ 增加了按JB 4732—1995《钢制压力容
器—— 分析设计标准》的要求对钢瓶进行疲劳设计
的要求 ]。④钢瓶按相关标准的要求进行未爆先漏
(LBB)的设计计算。⑤ 金相试样和冲击试样应靠近
试验环的内壁切取。
2 产品设计及图样要求
根据已经报批和备案的产品标准，结合产品特
点，对产品进行图样设计并进行强度计算和疲劳分
析设计，以满足产品性能要求。同时，应进行钢瓶未
爆先漏的设计计算，以确保钢瓶在任何情况下都不
会发生爆炸危险。
无缝氢气瓶的产品图样设计应包括设计压力、
设计温度、钢瓶体积、钢瓶长度、钢瓶直径和壁厚，特
别是钢瓶瓶肩、过度段及端部成型尺寸和要求、瓶端
螺纹形式和尺寸等都应有明确的要求，而且应确保
工艺上能够实现。产品图样上应对钢瓶使用的材料
牌号、材料化学成分、材料调质热处理后的力学性能
要求做出明确规定，还应对钢瓶的热处理方式，无损
检测方法、比例和合格指标，水压试验方法和试验压
力，内外壁处理方式、合格标准和级别以及钢瓶热处
理后的硬度指标做出规定。
3 钢瓶材料研制
钢瓶在高压氢气环境使用，材料易产生氢脆，所
以对氢气钢瓶的材料有特殊要求。应控制材料的含
碳量和硫、磷质量分数，含碳量高易产生致脆敏感
性，硫、磷质量分数高易产生氢脆。此外，还应保证
适量的si、Mn、Cr、Mo质量分数。盛装氢气的无缝
的产品企业标准，作为氢气钢瓶设计、试制、检验和 钢瓶材料4130x、3OcrMoE的化学成分见表1。
表l 盛装氢气的无缝钢瓶材料化学成分
4 氢脆试验
压缩氢气和一些含氢的气体可以使金属材料特
别是钢材产生脆变。这种脆化影响导致了氢气瓶失
效。高压氢气环境下钢瓶的氢致开裂形式有多种，
如硫化物应力开裂(SSC)、氢致开裂(HIC)、应力导
向氢致开裂(SOHIC)和氢加速开裂(HAC)等。
高压无缝氢气钢瓶研制的关键是钢的氢脆研
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增刊 王红霞，等：大容积高压无缝氢气钢瓶的研制
究。目前世界同行业对于高压氢气钢瓶氢脆试验的
研究均是依据1977年之前国外的试验结果，其试验
条件中给出的氢气压力为19．6 MPa。目前还没有
检索到在氢气压力45 MPa及以上条件下进行钢氢
脆试验的资料。为了取得材料在各种环境条件下的
氢脆试验数据，为高压氢气瓶的研究创造条件，对无
缝氢气瓶用钢氢损伤敏感性进行了试验评价。
4．1 试验依据及内容
45 MPa氢气钢瓶的瓶体材料和螺塞材料均应
按ISO lll14—4：2O05(E)《移动气瓶—— 气瓶和瓶
阀材料与盛装气体的相容性—— 第4部分：选择抗
氢脆金属材料的试验方法》的要求进行氢脆试验[6]，
也可按照GB／T 1597O．5—1998《金属和合金的腐
蚀应力腐蚀试验第5部分：C型环试样的制备和应
用》、GB／T 1597O．6——1998《金属和合金的腐蚀应
力腐蚀试验第6部分：预裂纹试样的制备和应用》
或IsO 7539：2O03《金属和合金的腐蚀应力腐蚀试
验》等标准的相关要求进行氢脆试验_7 '9_，氢脆试
验的结果应能满足产品设计和安全使用要求。
采用文献[6]中的测试方法C对多种规格、多
个强度级别的413OX钢在9O℃ 、45 MPa氢气环境
中可能产生的氢损伤进行测试。在外加载荷条件
下，进行含裂纹缺陷试样的裂纹扩展速率估算、裂纹
扩展应力临界应力值估算及断口特征描述。
4．2 试验方法及评价原理
用恒载荷或恒位移方法将预制疲劳裂纹试样加
载到应力强度K。 为某一规定值。试样在9O℃加
压氢气中加载保持一规定的时间，经过持续试验时
间(最少1 OO0 h)后，检查试样以评定预制疲劳裂纹
是否扩展。如果试样数据小于或等于规定的裂纹扩
展值，那么这种材料具有抗气瓶氢脆的性能。
石家庄安瑞科气体机械有限公司与中国特种设
备检测研究院合作进行了钢瓶抗氢脆开裂的试验，
试验结果表明4130x钢在90℃ 、45 MPa氢气环境
中具有良好的抗氢脆性能。
5 制造工艺
高压氢气钢瓶壁厚较大，旋压成型有一定的难
度。调质热处理时如何保证钢瓶瓶体的淬透性、钢
瓶内外壁淬火的均匀性、钢瓶材料淬火后为回火索
氏体以及热处理后钢瓶力学性能满足设计要求是制
造的关键。
经过大量试验和反复摸索，制定了可行的旋压
工艺，主要包括钢管加热时间、始旋温度、终旋温度、
旋压温度控制、旋压成型所需钢管长度、旋压成型形
状和尺寸、旋压增厚情况及旋轮的直径大小等。
进行大量的热处理工艺试验后制定了热处理工
艺，包括淬火工艺参数的制定、淬火介质的选用和淬
火介质浓度的配比等。淬火液的淬透性与钢材的化
学成分、含碳量的高低，各种微量元素的含量、钢材
的厚度、钢材的轧制质量等均有很大关系。
6 型式试验和技术评定
高压氢气钢瓶试制完毕后，应按照《气瓶安全监
察规定》和文献[1]的要求进行各项型式试验。型式
试验内容至少包括原材料的进厂检验和复验，钢瓶
尺寸和外观检验，钢瓶的无损检测，钢瓶调质热处理
后的力学性能、冲击韧性、硬度检验，钢瓶压力试验、
致密性试验、疲劳试验和爆破试验等。型式试验结
果应满足标准、设计图样和工艺文件的要求，确保产
品的设计安全和使用安全。
根据文献[1]第5条规定，开发研制气瓶新产
品，应按照《气瓶型式试验技术评定的内容和要求》，
由国家质检总局特种设备安全监察局授权的单位组
织专家进行技术评定。
对已取得无缝钢质气瓶制造资格的企业，经型
式试验、技术评定合格的气瓶，可进行批量生产。
7 结语
文中介绍的35～45 MPa及以上压力的大体积
高压钢质储氢气瓶研发情况，为氢能源利用所必须
的储运设备的研制奠定了基础，具有重要意义。
参考文献：
[1] 质技监局锅发[20OO]25O号，气瓶安全监察规程[S]．
[2] D0T 49cFR§178．35，规范气瓶的通用要求[s]．
[3] DoT 49cFR§178．37，3AA和3AAx无缝钢瓶规范[s]．
[4] Is0 n12O，气瓶——水容积l5O L～3 OOO L的可重复使用的
无缝钢制气瓶的设计、结构和试验[s]．
[5] JB 4732 1995，钢制压力容器—— 分析设计标准[s]．
[6] Iso l1114—4：2oo5(E)，移动气瓶— — 气瓶和瓶阀材料与盛
装气体的相容性—— 第4部分：选择抗氢脆金属材料的试验方
法[S]．
[7] GB／T 1597O．5—1998，金属和合金的腐蚀．应力腐蚀试验．第
5部分：c型环试样的制备和应用[S]．
[8] GB／T 1597O．6—1998，金属和合金的腐蚀．应力腐蚀试验．第
6部分：预裂纹试样的制备和应用[s]．
[9] IsO 7539：2∞ 3，金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验[s]．
(张编)

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