用于加压流体的容器的制造方法及其设备与流程

本发明涉及适于容纳加压流体的容器的制造方法、其制造设备以及使用此方法制造的压力容器。更特定来说，本发明涉及用于能够容纳处于压力下的流体的金属容器的制造的反向挤压方法、其挤压设备以及根据所述方法制造的压力容器。特定来说但并非排他性地，本发明涉及用于适于容纳处于高于大气压力的压力的气体的封闭末端式箍包气筒的制造方法以及通过所述方法制作的封闭末端式箍包气筒。
背景技术：
：当前，压力容器是用铝、钢和复合材料来制造。I型压力容器仅由例如钢或铝合金等金属材料形成。相比之下，II型压力容器包括具有丝状复合套筒的金属容器(通常由铝制成)，所述丝状复合套筒例如由环氧树脂、芳纶和/或碳纤维形成，且环绕容器的仅圆柱形侧壁(本文称为箍包)。II型压力容器的重量一般比I型压力容器轻，因为II型压力容器的金属容器壁可以比I型压力容器薄且无性能损失。对于I型和II型压力容器两者，在压力下的气体的重复分配和容器再填充造成容器挠曲，且此挠曲会促进容器壁中的裂缝传播。对于金属和复合压力容器，常规制造方法包含对包括金属材料的坯料的热与冷挤压，所述金属材料通常是用于高压容器的铝合金。US3648351提供了封闭末端式中空金属容器的反向挤压的早期实施例，其中金属材料的坯块或坯料受迫沿着柱塞的侧面向上挤压，所述柱塞的末端向下压在模腔内的坯块上。WO96/11757描述了使用反向挤压的改进制造方法，其中对安装于模腔中的两种材料一起进行挤压。另外，已经使用自紧法来改善压力容器抗疲劳性。自紧法涉及在容器的镗孔内施加足以使内表面处的金属塑性变形的压力。所述技术在内部表面处或附近产生压缩残余应力，且这增强了经受循环内部压力加载的容器的抗疲劳性。WO96/11759描述了在压力容器的制造中使用自紧法来使压力容器壁中的峰值应力区移动远离内部或外部壁表面。本发明寻求提供一种改进压力容器的抗疲劳性的压力容器制造方法、制造设备以及使用所述方法制造的压力容器。本发明还寻求提供一种减少过早失效的可能性的压力容器制造方法、制造设备以及使用所述方法制造的压力容器。本发明进一步寻求提供一种尤其适于制造AA6XXX和AA7XXX系列铝高压圆筒和圆筒衬里的冷挤压制造方法和制造设备。再者，本发明寻求提供与常规封闭末端式箍包压力容器相比具有改进性能的封闭末端式箍包压力容器。本发明单独地寻求提供满足例如EN12257和/或ISO11119-1等压力容器标准的法规要求且具有复合曲线内表面的压力容器。技术实现要素：本发明因此提供一种形成封闭末端式压力容器的方法，所述方法包括：将可挤压金属的坯料放置到模具中，所述坯料具有轴线和前向表面；使用具有纵向对称轴线、端面区和基本上圆柱形的侧壁的柱塞，通过沿着所述坯料的所述轴线迫使所述柱塞的所述端面区进入到所述坯料的所述前向表面中来致使所述金属受到挤压，以便致使所述金属挤压到所述柱塞与所述模具之间的空间中且沿着所述柱塞的所述圆柱形侧壁挤压以形成挤出物；以及从所述模具移出所述挤出物且使所述挤出物的开放末端成形以形成肩部和颈部，借此所述柱塞的所述端面区具有包括中心区段、至少一个中间环和最外面的环的表面型面，所述中心区段、所述至少一个中间环和所述最外面的环分别具有相交但不同的半径R、r和Rc的曲率，所述中心区段、所述至少一个中间环和所述最外面的环使所述端面与所述柱塞的所述纵向轴线相交处的中心点与所述柱塞的所述圆柱形侧壁在距所述中心点轴向距离H处相连接，所述轴向距离H的范围为0.28ID至0.5ID，其中ID是所述柱塞的所述圆柱形侧壁的横截面直径。优选地，所述轴向距离H在0.3ID至0.4ID的范围内。在尤其优选的实施方案中，所述轴向距离H基本上等于ID/3。所述中心区段优选地具有在0.5ID至1.2ID的范围内的曲率半径R。较优选地，所述中心区段具有基本上等于1.1ID的曲率半径R。更优选地，所述中间环具有在0.1ID与0.5ID之间的范围内的曲率半径r。所述中间环优选地具有在0.12ID至0.13ID的范围内的曲率半径r。在又一优选实施方案中，所述柱塞的所述端面区可以具有包含至少两个中间环的表面型面，所述至少两个中间环各自具有不同的表面曲率半径。优选地，所述最外面的环具有在ID/(3±2)的范围内的曲率半径Rc。更优选地，所述最外面的环具有在ID/(3±1)的范围内的曲率半径Rc。所述最外面的环优选地具有基本上等于ID/2的曲率半径Rc。所述方法可以进一步包括对所述压力容器进行自紧法处理的步骤。所述坯料可以包括AA6XXX系列铝合金。在尤其优选的实施方案中，所述坯料包括AA7XXX系列铝合金。在第二方面中，本发明提供一种用于在封闭末端式压力容器的制造中使用的挤压设备，所述挤压设备包括用于容纳可挤压金属的坯料的模具以及具有纵向对称轴线、端面区和基本上圆柱形的侧壁的柱塞，所述柱塞的所述端面区具有包括中心区段、至少一个中间环和最外面的环的表面型面，所述中心区段、所述至少一个中间环和所述最外面的环分别具有相交但不同的半径R、r和Rc的曲率，所述中心区段、所述至少一个中间环和所述最外面的环使所述端面与所述柱塞的所述纵向轴线相交处的中心点与所述柱塞的所述圆柱形侧壁在距所述中心点轴向距离H处相连接，所述轴向距离H的范围为0.28ID至0.5ID，其中ID是所述柱塞的所述圆柱形侧壁的横截面直径。优选地，所述轴向距离H在0.3ID至0.4ID的范围内。在尤其优选的实施方案中，所述轴向距离H基本上等于ID/3。所述中心区段优选地具有在0.5ID至1.2ID的范围内的曲率半径R。较优选地，所述中心区段具有基本上等于1.1ID的曲率半径R。所述中间环优选地具有在0.1ID与0.5ID之间的范围内的曲率半径r。较优选地，所述中间环具有在0.12ID与0.13ID之间的范围内的曲率半径r。在又一优选实施方案中，所述柱塞的所述端面区可以具有包含至少两个中间环的表面型面，所述至少两个中间环各自具有不同的表面曲率半径。所述最外面的环优选地具有在ID/(3±2)的范围内的曲率半径Rc。较优选地，所述最外面的环具有在ID/(3±1)的范围内的曲率半径Rc。更优选地，所述最外面的环具有基本上等于ID/2的曲率半径Rc。在第三方面中，本发明提供一种由可挤压金属形成的封闭末端式压力容器，所述压力容器包括封闭末端区段、具有横截面内径ID的基本上圆柱形的侧壁、肩部以及颈部且具有纵向对称轴线，所述封闭末端区段的内表面型面包括中心区段、至少一个中间环和最外面的环，所述中心区段、所述至少一个中间环和所述最外面的环分别具有相交但不同的半径R、r和Rc的曲率，所述中心区段、所述至少中间环和所述最外面的环使所述封闭末端区段与所述纵向轴线相交处的中心点与所述圆柱形侧壁在距所述中心点轴向距离H处相连接，所述轴向距离H的范围为0.28ID至0.5ID。优选地，所述轴向距离H在0.3ID至0.4ID的范围内。在尤其优选的实施方案中，所述轴向距离H基本上等于ID/3。所述中心区段优选地具有在0.5ID至1.2ID的范围内的曲率半径R。较优选地，所述中心区段具有基本上等于1.1ID的曲率半径R。所述中间环优选地具有在0.1ID与0.5ID之间的范围内的曲率半径r。较优选地，所述中间环具有在0.12ID与0.13ID之间的范围内的曲率半径r。在又一优选实施方案中，所述封闭末端区段的所述内表面型面可以包含至少两个中间环，所述至少两个中间环各自具有不同的表面曲率半径。所述最外面的环优选地具有在ID/(3±2)的范围内的曲率半径Rc。较优选地，所述最外面的环具有在ID/(3±1)的范围内的曲率半径Rc。在尤其优选的实施方案中，所述最外面的环具有基本上等于ID/2的曲率半径Rc。所述封闭末端式压力容器可以包括AA6XXX系列铝合金。在尤其优选的实施方案中，所述封闭末端式压力容器包括AA7XXX系列铝合金。在又一方面中，本发明提供一种复合压力容器，其包括如上所述的封闭末端式压力容器以及复合材料制套筒。所述复合材料可以选自碳纤维复合物、玄武岩纤维、芳纶和/或玻璃纤维。本发明的制造方法和制造设备使得能够使用冷或温挤压制造封闭末端式高压力容器，其与使用热挤压制造的等效高压力容器相比具有等效或改进的寿命且即使在较低压力自紧法的情况下也实现等效性能。附图说明现在将举例来说仅参考附图描述本发明的实施方案，附图中：图1示意性图示了在金属坯料的反向挤压以形成封闭末端式压力容器中的一系列阶段；图2是穿过根据本发明的压力容器的封闭末端的横截面的透视图；图3是图2的压力容器的封闭末端的详细横截面；图4图示了图2的压力容器的封闭末端的表面曲率半径的关系；图5a和5b图示了使用常规箍包压力容器衬里的基底的有限元分析的第一主应力和VonMises应力；以及图6a和6b图示了使用根据本发明的箍包压力容器衬里的基底的有限元分析的第一主应力和VonMises应力。具体实施方式虽然根据本发明的热挤压(其中挤压通常在高于再结晶温度的温度下执行)是可能的，但冷和/或温挤压(其中挤压是在低于再结晶温度的温度下执行)作为较低成本程序而是优选的。温挤压通常是以100-250℃的起始坯料温度来执行，而冷挤压通常是以低于100℃、优选为环境温度的起始坯料温度来执行。然而，精确的挤压条件对本发明并不重要，且可以采用挤压的常规条件。制造如图1中所示的封闭末端式压力容器的方法涉及在金属坯料2的反向挤压中使用挤压设备1。总体来说，将例如铝合金的金属材料坯料2放置于模具4(也称为挤压套筒)中的腔3的底部处。横截面优选为圆柱形且具有基本上平行的侧壁的柱塞5被布置成用于沿着柱塞5、模具4和坯料2的共同轴线X进行往复移动。柱塞5插入到模腔3中，使得柱塞5的端面6接合坯料2的面朝模腔3的开口的表面。柱塞5朝向模腔3的封闭末端的持续往复移动迫使柱塞的端面区6进入金属坯料2。这造成坯料2的金属材料沿着柱塞5的侧壁表面挤压。挤出物从模腔3退出的速度通常在50-500厘米/分钟的范围内，且还可以至少在柱塞5的端面6接触坯料2之处提供润滑(未图示)以减少所需的挤压压力。柱塞5的往复移动继续直到柱塞的端面6到达距模腔3的内底面的预定距离，所述距离大体上对应于所得压力容器的封闭末端的所需厚度。类似地，柱塞5的侧壁与模具4的圆柱形内表面的径向分离大体上对应于压力容器的圆柱形侧壁的厚度。因此，压力容器的封闭末端的内部型面对应于柱塞5的外部型面。压力容器的封闭末端的形成导致初始大体上杯形的挤出物，其具有基底、平行侧壁以及开放的顶部。随后使挤出物的开放顶部成方形且加热，通常感应加热到300-450℃，然后使用常规型锻或自旋技术形成颈部。所得的中空主体经过溶液热处理，一般在冷水中淬火，并最终老化。还可以执行例如自紧法和喷丸等常规精整工艺，以完成压力容器的制造。上文描述的挤压方法不同于借助新颖且具发明性的挤压设备1的使用对金属坯料的常规反向挤压。挤压设备1的特征一般在设计上是常规的，但柱塞5的端面的外表面10除外，这在下文更详细描述。如早先提到，压力容器的封闭末端的内表面型面对应于柱塞5的外表面10的型面，且因此本文通过参考图2至4来描述柱塞5的外表面10，图2至4以横截面示出了使用挤压设备1的模具4和柱塞5制造的压力容器的封闭末端。总体来说且参考图2和3，所述压力容器具有外部直径或外径OD，其基本上等于挤压套筒或模具4的圆柱形侧壁的内径，且具有内径ID，其基本上等于柱塞5的外部侧壁的外部圆柱形直径。所述内径与外径之间的差对应于压力容器的基本上圆柱形的侧壁11的厚度，即a＝(OD-ID)/2，其也基本上对应于柱塞5和模具4的侧壁的空隙或径向差。柱塞5的外表面10的型面的关键特征包含：中心点12，在此处柱塞5的末端与其纵向对称轴线X相交；中心区段13；以及至少两个环14、15，所述环将中心点12连接到柱塞5的基本上圆柱形的侧壁11。当沿着轴线X观看时，中心区段13以及两个环14和15全部相对于轴线X旋转对称，且相对于彼此同心。相比之下，图3和4的垂直横截面中的中心区段13以及两个环14和15的表面型面清楚可见具有不同的但相交的表面曲率。在每一情况下，中心区段13、中间环14和最外面的环15的表面曲率在它们的边界之间延伸，且分别具有R、r和Rc的半径。中心点12位于中心区段13的中心处。中心区段13的表面型面具有的半径R的曲率在0.5ID至1.2ID之间，较优选地在0.8ID至1.2ID之间，且再优选地为1ID<R<1.2ID。中心区段13的外部边缘与本文称为中间环14的第一关节区段的内部边缘接合或相交，所述中间环14具有的半径r的曲率在0.1ID至0.5ID之间，较优选地在0.1ID至0.25ID之间，且再优选地为0.1ID<r<0.15ID。又，中间环14的外部边缘与本文称为第二或最外面的环15的第二关节区段的内部边缘接合或相交，所述最外面的环15具有的半径Rc＝ID/(3±2)的曲率，较优选地为Rc＝ID/(3±1)，且再优选地为0.4ID<Rc<0.6ID。虽然中心区段13以及两个环14、15的潜在曲率的范围彼此重叠，但对于任何特定的柱塞5，界定外表面10的中心区段和两个环将各自具有与其它者的表面曲率不同的表面曲率，且中间环14的表面曲率的半径总是小于中心区段13和最外面的环15的曲率。参考图4，由于中心区段13相对于轴线X旋转对称，因此中心区段的表面曲率的半径R是从沿着轴线X的距离R的点(原点)测得。此外，中心区段13与中间环14的相交、中间环14与最外面的环15的相交以及最外面的环15与圆柱形侧壁11的相交各自混合而确保柱塞5的末端的表面型面中没有不连续，所述不连续可能有损圆筒的强度。这要求在每一相交处，接合部的任一侧的表面的曲率的切线(所述切线正交于接合部的线)是基本上对准的且优选共同的。在最外面的环15与圆柱形侧壁11的相交的情况下，最外面的环15的表面曲率的切线(正交于线，如果相交)基本上与圆柱形侧壁11的表面对准。在最外面的环15与圆柱形侧壁11的接合部处穿过柱塞5取得的横截面在中心点12上方距离H处与轴线X相交。距离H在0.28ID至0.5ID之间，较优选地为0.3ID至0.4ID之间，再优选地为H＝ID/3。由于在最外面的环15与侧壁11的接合点处，最外面的环15的表面曲率的切线与圆柱形壁11基本上对准，因此最外面的环的表面曲率的半径Rc是从位于穿过柱塞5的横截平面中在中心点12上方的高度H处的点(原点)测得。因此为了确保中间环14的曲率与中心区段13和最外面的环15混合，中间环14的半径r是从对应于Rc-r和R-r的相交的点(原点)测得。此外，中间环14的中心的横截面直径IDC小于或等于OD-(3xa)，其中OD是压力容器的外部圆柱形直径(等于模具4的内部圆柱形直径)，且a是压力容器壁的厚度(等于模具4和柱塞5的圆柱形侧壁的分离)。虽然附图图示了单个中间环14，但压力圆筒的内表面型面(且因此还有柱塞5的外表面型面)可以包括多于一个中间环，其中每一中间环具有其自身的表面曲率半径，且每一中间环在其边缘处与相邻环的边缘混合，即，每一中间环在所述中间环的边缘处的表面曲率的切线与相邻环的表面曲率的切线基本上对准。此外，虽然附图图示了中心区段13的表面曲率由单个半径界定，但也设想中心13可以由基本上平坦的内部中心区段以及与内部中心区段同心的外部中心区段组成，其具有半径R的表面曲率。实施例1以下陈述根据本发明的挤压设备的模具4和柱塞5以及使用所述模具和柱塞制作的5升AA7060圆筒衬里的对应尺寸的第一组示例性尺寸。圆筒的总高度＝465mm圆筒的总重量＝4.8Kg柱塞和模具5升AA7060圆筒衬里(mm)模具的内径OD140柱塞的外径ID129模具与柱塞的圆柱形表面的径向分离a5.5柱塞的有轮廓端到圆柱形侧壁的轴向高度H43有轮廓柱塞表面的最内部环半径R146有轮廓柱塞表面的第二环半径r16有轮廓柱塞表面的最外面的环半径Rc64实施例2以下陈述常规2升碳纤维箍包AA7060合金衬里(和常规挤压设备的模具4和柱塞5的对应尺寸)(形状A)以及类似地根据本发明的2升碳纤维箍包AA7060合金衬里(及其对应模具和柱塞)(形状B)的第二组示例性尺寸：以下在表1中陈述使用实施例2中描述的挤压设备在冷挤压下制造的压力容器以及使用冷挤压和常规反向挤压模具制造的2升箍包7060铝合金衬里(形状A)的比较性失效性能测试结果。表1失效位点0＝泄漏，位置未知；失效位点1＝圆筒底部处的破裂；失效位点2＝圆筒主体中的泄漏；以及失效位点3＝肩部中的泄漏。将使用以上实施例1中描述的设备在冷挤压下制造的5升箍包7060铝合金衬里(形状B)的寿命和失效特性与也使用冷挤压但用常规反向挤压模具制造的5升箍包7060铝合金衬里(形状A)的性能进行比较。以下在表2中陈述在寿命(达到失效的再填充循环的次数)和失效位点方面的结果。表2表1和2的结果清楚示出了与等效常规压力容器相比的失效性能的显著改进。测试具有实施例1中陈述的尺寸的二十七个测试压力容器达到失效。使各自具有五个压力容器的五个组经受循环测试，其中每一组压力容器已经进行不同量的自紧法。使剩余两个压力容器(未进行自紧法)经受爆破测试。测试压力容器中的每一者是使用具有实施例1中陈述的尺寸的模具4和柱塞5在冷反向挤压过程中制造的5升碳纤维箍包7060铝合金压力容器。以下在表3中陈述每一组压力容器的自紧法量的细节以及测试的结果。表3(a)表示圆筒主体壁中的失效(b)表示在圆筒的不同部分处的失效。在以上测试中，经受110％自紧法压力的压力容器中的两个以及经受120％自紧法压力的压力容器中的三个展现了碳纤维从外部套筒的脱离。如WO96/11759中论述，已知自紧法在改善疲劳性能方面的有效性是取决于压力容器的封闭末端的设计。举例来说，具有半球形封闭末端的压力容器当经受自紧法时并不展现疲劳性能方面的显著改进。相比之下，已知具有半椭圆形或准球形碟形封闭末端的压力容器以自紧法带来改进的性能。因此，自紧法为封闭末端通过关节区接合到圆柱形侧壁的压力容器提供改进的失效性能。自紧法压力根据相关标准一般在最小爆破压力的75％至95％之间。铝高压气体圆筒通常被设计成使得处于工作压力下的圆柱形侧壁中的应力不会超过合金屈服应力的一半，且圆筒爆破压力为操作压力的至少2.5倍。因此，在具有例如450MPa的屈服应力的AA7XXX系列铝合金圆筒中，设计应当使得壁应力不超过225MPa。表1至3中的信息清楚示出了根据本发明的方法和设备制造的箍包压力容器也得益于自紧法和喷丸，与等效的常规压力容器相比提供失效性能的惊人改进。这使得根据本发明的方法和设备的压力容器能够在较低自紧法压力下带来至少等效且潜在改进的失效性能。使用上述方法和设备制造的箍包压力容器的有限元分析(FEA)已经揭示了根据本发明的压力容器的封闭末端的内部型面与在封闭末端具有常规内部型面的压力容器相比带来显著更低的最大应力。通过FEA，将结构(在此情况下为压力容器的封闭末端)划分为具有各种类型、大小和形状的许多小片(有限数目的元素)。所述元素假定为具有简化的变形模式(线性或二次等等)，且在通常位于元素的拐角或边缘处的‘节点’处连接。随后使用结构力学的基本规则(即，力平衡和位移连续性)以数学方式组合所述元素，从而带来大的联立方程组。通过求解联立方程组，可以获得在负载下的结构的变形形状，且可以从变形形状计算内部应力和应变。有限元模型(FEM)是基于7060铝合金衬里和具有ID＝88.5的碳复合套筒，与用于压力容器的内表面型面的4组不同尺寸组合：分析1，分析2，分析3以及分析4。FEA使每一分析经受以下加载步骤：自紧法压力＝600BAR；工作压力＝300BAR；测试压力＝450BAR且最小设计爆破＝752BAR，以识别在自紧法之后在450BAR的测试压力下的第一主应力和VonMises应力，其结果在以下表4中陈述；分析1对应于被调整成并入三个同心相交半径的常规压力容器，而分析4对应于使用上述方法和设备制造的压力容器，分析4是尤其优选的实施方案。包含分析2和3仅用于比较性目的。表4图5a和5b示出了分析1的主应力和VonMises应力，且图6a和6b示出了分析4的主应力和VonMises应力。图5和6示出了关节区中的最大应力的位置对于分析1和分析4保持基本上相同(对于分析2和分析3也是一样，未图示)。图5和6还示出了对于使用上述方法和设备制造的II型压力容器，即使在自紧法之后，最大VonMises应力也保持于压力容器的内表面处。然而，表4中的结果清楚示出了分析4的第一主应力和VonMises应力的绝对值显著低于其它分析中的任一者。而且FEA示出了贡献于最大应力的降低的主要因素是H和Rc的值。以上方法和设备尤其适合于(但不限于)AA6XXX和AA7XXX系列铝合金(根据AluminumAssociationInc.注册2009)的压力容器的冷挤压制造，以及分别满足箍包压力容器标准(例如EN12257和ISO11119-1)以及世界其它地区中的对应标准的疲劳要求的I型圆筒和II型圆筒衬里。而且，通过以上方法和设备，可以使用自紧法在较低压力下制造至少匹配且经常超过等效常规圆筒的失效性能的II型圆筒。应了解，上文描述的实施方案仅是选定的优选示例性实施方案。在不脱离所附权利要求书中要求的本发明的范围的情况下，可以对上文描述的制造方法、制造设备和通过所述方法和设备制作的压力容器做出改变。当前第1页1 2 3