Водородные баки и испытательные стенды

Транспортные средства
Разработка и создание водородного транспортного бака и испытательных стендов Автор проекта: генеральный директор ООО НТЦ «ТАТА» Александр Леонидович Гусев
ООО Научно-технический центр «ТАТА»
ООО НТЦ «ТАТА», ул. Московская д. 29, офис 306, а/я 687, г. Саров, Нижегородская
область, 607183, Россия
Тел/факс: +7-(83130) 90708; 63107
E-mail: gusev@hydrogen.ru
Проект Имеется большой задел по созданию конструкции и технологии изготовления экономичного и безопасного бака (баллона) (Рис.1) для хранения водорода под высоким давлением GH2 [700 ÷ 1000 атм.] на борту автомобильного транспорта, который предполагается реализовать в этом проекте. Рисунок 1. Водородный транспортный газовый бак. Устройство. Основные компоненты. Направление работ по созданию водородного транспортного бака и его испытаниям. Решение задачи намечается в создании баллона, который состоит из внутреннего лейнера и оболочки из композитного материала. Варианты исполнения лейнера: - из алюминия и алюминиевых сплавов. - из титана и титановых сплавов. - из стали и стальных сплавов. - из композитных материалов. Лейнер изготавливается из нержавеющей стали со специально подобранным химическим составом. После прокатки листовой заготовки она имеет низкую прочность, порядка 600 МПа; после ротационной вытяжки частей лейнера прочность стали повышается до 1500‐1600 МПа. Соединение частей лейнера и обеспечение герметичности производится путем электронно‐
лучевой сварки. Кроме того, для предотвращения деградации свойств материала при взаимодействии с водородом, на внутреннюю поверхность лейнера наносится барьерное (антиводородное) комбинированное покрытие, обладающее весьма высокой адгезией со сталью и плотностью. В качестве первого подслоя электрохимически наносится сплав никеля с фосфором; основной слой аморфного сплава никель‐фосфор наносится химическим путем; завершает покрытие тончайший слой иммерсионного золота. После нанесения каждого слоя покрытия на лейнер производится обезводороживание при температуре, не вызывающей снижения прочности материала и кристаллизации аморфного покрытия. Композитная силовая оболочка из углепластика формируется методом мокрой намотки (рис.2). Характер разрушения такой оболочки коренным образом отличается от хрупкого разрушения высокопрочной стали: композит пропускает водород при разрушающем давлении порядка 160 МПа через мелкие несплошности, работая, как предохранительный клапан. Рисунок 2. Водородный транспортный газовый бак. Устройство. Основные компоненты Испытательные стенды Рисунок 3. Водородный транспортный газовый бак. Устройство. Основные компоненты Технология изготовления лейнера. а) Сталь для изготовления лейнера должна быть нержавеющей, содержать малое количество углерода для обеспечения хорошей свариваемости и относительно малое содержание хрома для хорошей адгезии с никелевым подслоем покрытия. б) В то же время сталь должна при некоторой степени деформации повышать свою прочность с 60 до 150‐160 МПа. с) Температура низкого отпуска стали после электронно‐лучевой сварки не должна вызывать снижения высокой прочности, но должна совпадать с температурой прогрева (обезводороживания) после никелирования; однако при этом не должна происходить кристаллизация аморфного никелевого покрытия. д) Оснастка для штамповки частей лейнера и ротационной вытяжки его цилиндрической части изготавливается из расчета значительного повышения прочности стали непосредственно в процессе деформации. В результате: ‐ Будут разработаны принципиально новые материалы для лейнера, силовой намотки на лейнер, и защитных выступов. ‐ Будут созданы уникальные испытательные стенды. ‐ Будут разработаны методики проведения испытаний водородных транспортных баков. ‐ Будет создана база данных включающая зависимость предельных напряжений от физических параметров возмущений, возникающих при экстремальных условиях. ‐ Будет создан лабораторный макет водородного транспортного бака на основе наиболее успешных образцов. ‐ Будут разработаны универсальные автоматизированные стенды для аттестации макетов водородных транспортных баков. Основная программа исследований. Будут проанализированы следующие 8 типов исполнения водородного транспортного бака: Исследование перспектив создания лейнера из алюминия и алюминиевых сплавов. Исследование перспектив создания лейнера из титана и титановых сплавов. Исследование перспектив создания лейнера из стали и стальных сплавов. Исследование перспектив создания лейнера из композитных материалов. Исследование перспектив создания материалов для силовой намотки на лейнер из углеродных наноматериалов. Исследование перспектив создания материалов для силовой намотки на лейнер из углепластиков. Исследование перспектив создания защитного контура и защитных выступов для обеспечения безопасности силового корпуса при разрушении внешней оболочки. Исследование перспектив создания водородного транспортного бака с использованием специальных поглотителей водорода и сенсоров для обеспечения безопасности. Таким образом, в реализации данного проекта могут быть заинтересованы организации, занимающиеся разработкой и эксплуатацией отечественных и зарубежных водородных автомобилей, водородных автозаправочных станций; организации занимающиеся разработкой и эксплуатацией аэрокосмического комплекса, разработчики перспективных проектов малогабаритных энергетических установок на топливных элементах. Устройство может представлять интерес для предприятий переработки и транспорта нефте‐ и газопродуктов. Коммерчески значимыми итогами работы могут быть: Основные виды испытаний. Испытательные стенды. Методики проведения испытаний. В ходе выполнения научно – исследовательских работ планируется подвергнуть водородные транспортные баки следующим видам испытаний: 1. Осевое поперечное статическое растяжение. 2. Динамическое растяжение. 3. Осевое поперечное сжатие. 4. Испытания на виброустойчивость. 5. Испытания на мишенном комплексе. 6. Тепловое нагружение. 7. Охлаждение. 8. Испытания во взрывной камере (внутренние взрывы, внешние взрывы): имитаторы течи и использование воспламенителей. 9. Соударение с поверхностью. Рисунок 4. Водородный транспортный газовый бак – дополнительная обработка. Испытательные стенды НТЦ «ТАТА», которые будут реализованы в результате выполнения проекта. Осевое и поперечное растяжение Рисунок 5. Испытательный стенд водородного транспортного газового бака с осевым и поперечным растяжением Впервые в мире в НТЦ «ТАТА» предложена схема взрывного динамического растяжения бака. Рисунок 6. Испытательный стенд водородного транспортного газового бака с динамическим растяжением Рисунок 7. Испытательный стенд водородного транспортного газового бака с поперечным и осевым сжатием Осевое и поперечное сжатие. Применение теории оболочек. Оптимизация силового (несущего) корпуса. Оптимизация защитного корпуса. Выявление мест размещения тензодатчиков для эксперимента и во время эксплуатации. Рисунок 8. Испытательный стенд водородного транспортного газового бака с тепловым нагружением Стенд для осуществления теплового нагружения водородного транспортного газового бака в следующих режимах: докритический, критический, разрушение. Методики испытаний: равномерное тепловое, неравномерное тепловое, комбинированное j, T, Iсвет, W, комбинированное j, T, Iсвет, W, вибрации. Охлаждение Рисунок 9. Испытательный стенд водородного транспортного газового бака с термоциклированием (динамика нагружения в температурном диапазоне – 196 ‐ 223 К) Взрывная камера. Течи и воспламенители Рисунок 10. Испытательный стенд водородного транспортного газового бака с блоком регулируемых течей водорода и воспламенителей. Взрывная камера. Имитация течи водорода: 1 — электроуправляемый клапан 2 — нагреватель 3 — термодатчики 4 — датчики давления Испытания на виброустойчивость. Вибростенд. Рисунок 12. Испытательный вибростенд водородного транспортного газового бака. Исследуемые параметры: акустическая эмиссия, нарушение вакуума, трещинообразование.