摘 要

本文扼要介绍了氢气缓冲罐的特点及在工业中的应用和发展前景，描述了有关缓冲罐中介质存在的危险性，进一步阐述了氢气缓冲罐的结构及强度设计计算。

根据设计条件对照GB150等标准进行本次的设计计算，考虑到各种影响因素，设备的结构设计需要选择合理的结构型式，同时满足制造、检修、装配、等要求；而设备的强度计算内容包括氢气缓冲罐的筒体、封头、容器法兰、接管、地脚螺栓等，还需要对设备的几个主要元件进行设计及选材，同时本次设计的选材需要根据设计条件、内部介质、材料性能等来确定，从而最终确定本次设计的标准。使设计结果达到最优化组合。

关键词：缓冲罐、氢气、结构设计、强度设计

Abstract

The characteristics of hydrogen buffer tank was briefly introduced in this article, its application in industry and development prospects, describes the danger of medium existing in buffer tank, and further elaborates the structure and strength design calculation of hydrogen buffer tank.

On the basis of the design conditions, we can do design calculations with reference to GB150. Considering various influencing factors, the structural design of the equipment needs to select a reasonable structural type, while meeting the requirements of manufacturing, overhaul, assembly, etc.; the strength calculation of the equipment includes the cylinder, head, flange, nozzle and anchor bolt of the hydrogen buffer tank. We also need to design and select several main components of the equipment. At the same time, the material selection of this design needs to be determined according to the design conditions, internal media, material properties, etc., so as to finally determine the design criteria. The optimal combination of design results is achieved.

Keywords: buffer tank, hydrogen, structural design, strength design

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

第二章 储氢设备安全性研究 2

2.1引言 2

2.2储氢方式 2

2.2.1 金属氢化物储氢 2

2.2.2液化储氢 3

2.2.3吸附储氢 3

2.2.4高压储氢 3

2.3影响储氢设备安全性的因素 3

2.3.1 疲劳 3

2.3.2氢腐蚀 3

2.4氢泄露 5

2.4.1储氢设备不同位置泄露的危险程度不同 5

2.4.2储氢设备在不同环境温度下发生泄露的危险程度不同 5

2.4.3障碍物对氢泄露的作用 5

2.4.4液氢的泄露 6

2.5氢燃烧与爆炸 6

2.5.1氢自燃 6

2.5.2氢喷射火焰 6

2.5.3氢爆燃爆轰 7

2.6 结论 7

第三章 选材及设计 8

3.1设计条件 8

3.2介质特性 8

3.3材料的选择 9

3.4筒体及封头的设计 10

3.4.1筒体的设计 10

3.4.2封头的设计 11

3.5 法兰及人孔设计 12

3.5.1法兰的设计 12

3.5.2人孔的设计 13

3.6吊耳的设计 13

第四章 强度校核 14

4.1筒体校核 14

4.2封头校核 15

4.3 开孔补强 15

4.4风震及地震载荷计算 17

4.5 地脚螺栓 19

4.6符号说明 20

第五章 经济性评估 22

总结 23

参考文献 24

致谢 26

附录 27

第一章 绪论

缓冲罐现在被广泛应用，其主要功能是平缓压力，通过压缩气体来实现。其结构形式主要有隔膜式、气囊式两种，不过隔膜式由于比较容易生锈，现在已经淡出了市场。

缓冲罐的应用十分广泛，缓冲罐有多种名称，比如：滞留罐、储液器、混合罐等等，缓冲罐的介质多种多样，其介质存在的形式可以是固体可以是液体也可以是气体，本文介绍的主要是介质为氢气的高压缓冲罐。

氢气缓冲罐在化工企业中被广泛应用，是一种以氢气为介质的处理装置，该设备一般以立式圆筒形储罐型式存在，筒体本身一般为密闭的压力容器，筒体上方一般设出气孔，筒体下部设有进气孔，底部设有排污口。这种结构使得高压液体氢气的气化过程更安全，缓和了高压氢气对于筒体及管系的冲击，使设备的使用年限更高，降低了成本。

第二章 储氢设备安全性研究

2.1引言

氢是一种新型的能源载体，由于世界对于能源的需求日益增长，所以随之而来的就是问题就是环境污染，因此开发绿色新能源势在必行。氢能源的资源因为分布极其广泛，来源众多，环保清洁，可储存，可再生所以成为了当今世界备受青睐的能源之一^[1]。

能源作为我国乃至世界所不能忽视的问题之一，由于石油等不可再生资源的短缺，面对资源的供求缺口，未来氢能等可再生资源的研究利用不得不进行，同时应用新型清洁能源也是保护现在日益严峻的环境的手段之一^[2]-[3]。

氢能的能量转化率高，转化过程噪音低，零排放，同时维护要求低，在各项领域中的应用初见端倪。然而氢气十分容易发生泄漏，泄露扩散范围广，易燃易爆，并且对材料有劣化作用，同时氢系统结构较为复杂，使用风险高，安全性没有保障。因此，知晓其危险性并且重视其危险程度，对氢安全事故后果的预防有着不可忽视的作用 ^[4]-[5]。

本文在了解氢使用过程中危险因素的基础上，介绍了部分储氢设备的安全性，以及影响氢储存的因素。

2.2储氢方式

2.2.1 金属氢化物储氢

氢和金属氢化物之间以加热为条件发生可逆反应。大多数的金属氢化物都是由多种稀有金属构成，这种储氢方式由于其成本相对较高所以其适用范围会较小。简单方便安全平稳是这种储氢方式的优点，但是这种储氢方式的储氢量和成本是其不可忽视的劣势^[6]。

2.2.2液化储氢

一般情况下，温度降低到-253℃时氢气就会发生液化。这种储氢方式比较高能，因为液氢的质量及能量在单位体积上都是最大的，如果不考虑其他，这种方式以其高能的特点领先于其他方式，但是液化所需要的能量较高，成本较大，且液化过程中能量损失较大而且会存在一定的蒸发损失。因此，液化储氢还不能作为一般储氢手段来使用^[7]-[8]。

2.2.3吸附储氢

吸附储氢这种技术目前还不够成熟，目前较多的是以碳纳米作为材料来实现这种方式，但是这种方式较为昂贵，所以还需要进一步研究^[9]-[11]。

2.2.4高压储氢

高压储氢这种方式的操作比较简单方便，成本也比较低。其工作方式主要是将气体进行压缩来实现储存，一般储存容器中的压力不会超过70MPa,其最大的优点就是充气及放气的速度快^[12]-[13]。

2.3影响储氢设备安全性的因素

2.3.1 疲劳

对储氢设备来说，很多因素都会影响它的安全性，这些因素可以是外在因素也可以是内在因素，一旦发生危险都会影响周围的人身安全，这些因素中以氢疲劳为主要因素，因为氢这种因素存在一定的腐蚀性，加上容器内部应力环境复杂，所以氢疲劳十分复杂^[14]。

2.3.2氢腐蚀

氢腐蚀的形式大致可以分为三种，第一种就是氢鼓包，由于氢分子渗透到金属中不断扩散从而产生氢鼓包。在酸性或者温度较低的环境中这种情况比较常见。第二种是氢脆，氢脆就是氢分子进入到金属中和一些裂纹发生作用，造成设备的性能越来越差，很容易破碎。在低温环境中比较容易出现氢脆现象。第三种是氢蚀，氢蚀就是在高温高压下氢原子与金属内部的碳原子发生的一系列反应。这种类型是最危险的一种，因为设备在发生破裂之前不会有任何的预兆，而是突然发生破裂，会直接威胁到工作人员的人身安全^[15]。

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