一种多管束高阻隔高承压氢气输送用复合管及其制备方法与流程

1.本发明属于氢气管道技术领域，具体而言，本发明涉及一种多管束高阻隔高承压氢气输送用复合管及其制备方法。


背景技术：

2.氢能是能源转型升级的重要方向，也是实现碳中和目标的重要途径，在整个氢的产业链当中，安全、高效的输送是产业链的重要组成部分，在工业生产过程中，需要将氢气通过氢气输送管将氢气储存装置中的氢气传送给相应的生产单元，以满足工业生产对氢气原料的需求。高压气态输送氢是现阶段最为成熟的氢能源输送方式，氢的输送有很多技术，像长罐拖车、液氢槽车、管道，而管道输送为常用的输送方式，输送过程安全性高。
3.现有的气体输送管，例如天然气输送管，主要是采用钢材制成的无缝钢管。这些无缝钢管如果长期输送氢气，氢原子会扩散并溶于钢管中，产生氢脆现象，致使无缝钢管的力学性能劣化，导致管道失效，无法实现氢气安全可靠地输送。术语“氢脆”，是指溶于钢中的氢聚合为氢分子造成应力集中超过钢的强度极限，在钢内部形成细小的裂纹。氢脆只能预防，一经产生，就消除不了。
4.为了解决上述技术问题，本领域的研究人员，实用合金材料，例如蒙耐尔(monel)合金来制造氢气输送管，蒙耐尔合金制成的氢气输送管能够有效抵抗氢原子对输送管本体的点蚀和应力腐蚀开裂。
5.然而，现有的蒙耐尔(monel)合金制造的氢气输送管至少存在如下技术问题：蒙耐尔(monel)合金制造的无缝钢管成本很高，其主要用于海洋工程、原油蒸馏器、工业热交换器。如果采用蒙耐尔合金材质的氢气输送管，会阻碍氢能大规模商业化应用。
6.中国专利公开了一种输氢管道加工方法(公告号cn113103613a)，该专利技术利用初次塑料成型工艺和二次加压滚塑形成较大压差，将处于高弹态的内塑料层紧紧的压向钢管的内表面以及微孔，提高与钢管之间的结合效果；同时，通过将初次成型后时温度冷却至100度以内，能够避免内部温度较高导致在输入高压介质时压力较大而导致输入困难的问题，上述输送氢气管道通过塑料层对金属管道内壁保护，达到保护钢制管道不被腐蚀，但上述结构管道的保护结构少，内塑料层无法保证均匀附着在钢管内壁上并且内塑料层存在着氢气渗透的现象，长时间使用仍然会导致钢管出现氢脆问题，并且为了保证氢气输送量，需要保证一定的管道直径，大口径钢制管道无法进行缠绕铺设，只能逐段管道进行安装铺设，铺设效率低。
7.中国专利文献cn115654227a公开了一种带有惰性气体保护的智能输氢管道，包括聚乙烯工作管与第一粘接层，所述第一粘接层的外侧位置处设置有铝箔层，所述铝箔层的外侧设置有第二粘接层，所述第二粘接层的外侧设置有玻纤带缠绕增强层，所述玻纤带缠绕增强层的外侧设置有聚乙烯惰性气体内保护层，所述聚乙烯惰性气体内保护层的外侧设置有加强筋。上述专利采用聚乙烯、玻纤带与铝箔结合的结构，有效的解决了氢脆现象，同时满足高压力管道使用要求，而且产品造价低廉，铝箔层的铝质材料具有良好的抗晶间腐
蚀能力以及与氢气良好的相容性，使用铝箔作为管道阻隔层，能防止聚乙烯工作管的氢气泄漏，并且玻纤带缠绕增强层根据管道需求压力等级设定缠绕层数，可满足0-40mpa管道的生产需求，具有极高的抗拉强度，质量轻，并可实现缠绕铺设。但是上述智能输氢管道需要利用铝箔层作为管道阻隔层以防止聚乙烯工作管的氢气泄漏，其制造方法需要将铝箔层焊接成管并粘附在聚乙烯工作管外侧，另外在玻纤带缠绕增强层的外侧设置聚乙烯惰性气体内保护层，生产工艺复杂。并且铝箔层厚度较薄，生产过程中容易破损，同时焊缝的密封性难以检测，所以上述结构需要在外侧设置聚乙烯惰性气体内保护层，后期使用需要通入惰性气体进行保护运输，增加了后续的氢气输送成本。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种多管束高阻隔高承压氢气输送用复合管及其制备方法，本发明在耐压层内沿耐压层轴向设置多束可缠绕铝管，并在可缠绕铝管外壁和耐压层内壁之间设置填充层，用于对可缠绕铝管进行限位固定。由于可缠绕铝管能够实现弯曲缠绕并且能够兼容氢气，而耐压层则用于承受高压氢气，因此本发明的复合管满足氢气的管道运输，并且适用于长距离铺设，通过呈盘缠绕，便于运输和铺设。
9.本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种多管束高阻隔高承压氢气输送用复合管，包括可缠绕铝管、耐压层和填充层；
10.在耐压层内沿耐压层轴向设置有多束可缠绕铝管，所述可缠绕铝管外壁和耐压层内壁之间设置有填充层。多管束管道能够提高管道的利用率，在有限的空间内输送更多的氢气。
11.本发明的技术方案还有：所述可缠绕铝管为无缝铝管。为提高可缠绕铝管的密封性，利用无缝铝管制备可缠绕铝管，同时能够承受更大的压力。
12.本发明的技术方案还有：所述可缠绕铝管的直径为20-50mm，厚度为2-4mm。
13.本发明的技术方案还有：所述可缠绕铝管的材质为纯铝、5052号铝合金或6063号铝合金。
14.本发明的技术方案还有：所述耐压层包括两层以上的缠绕层，相邻缠绕层的缠绕方向相反，每层缠绕层在缠绕过程中不重叠且每层缠绕层的缠绕间隙为0.5-1.2mm。利用两层以上的缠绕层作为耐压层，并且每层缠绕层的缠绕间隙为0.5-1.2mm，缠绕层缠绕过程中不会发生重叠，能够满足复合管更大弯曲半径的要求，如果缠绕层发生重叠，会造成复合管的管径不一致，即管道外表面会形成凸起而影响复合管的弯曲；为保证耐压性能，相邻缠绕层的缠绕方向相反设置。
15.本发明的技术方案还有：还包括耐磨层，所述耐磨层设置在耐压层的外侧。在耐压层外侧设置耐磨层，使管道不易磨损，增强管道的使用寿命。
16.本发明的技术方案还有：所述填充层和耐磨层均为聚乙烯材料。
17.本发明的技术方案还有：所述可缠绕铝管沿耐压层径向呈错排结构排列。错排结构排列能保证最外侧铝管受力均布，最后成型的输送氢气的复合管缠绕在运输盘上时，可保证内侧的铝管不会因受力不均匀而发生折弯变形。
18.本发明的技术方案还有：所述可缠绕铝管沿耐压层径向呈直排结构排列。直排结构排列能保证在复合管外径相同的情况下，相比于错排结构排列更多的可缠绕铝管，从而
具有更大的氢气输送量。
19.本发明还公开了一种多管束高阻隔高承压氢气输送用复合管的制备方法，包括以下步骤：
20.s1、首先将多束可缠绕铝管按顺序要求进行排列，然后将排列好的可缠绕铝管相互固定在一起；
21.s2、将步骤s1固定好的可缠绕铝管通过牵引设备牵引，经过挤出机进行填充层的包覆，形成芯管，将填充后的芯管绕至过度大盘；
22.s3、将步骤s2中得到的芯管通过缠绕设备进行耐压层的缠绕，将缠绕层缠绕在芯管外壁上得到耐压层，相邻缠绕层的缠绕角度相反，每层缠绕层在缠绕过程中不重叠，且缠绕层的缠绕间隙在0.5～1.2mm之间；
23.复合管只有抗压要求时，每层缠绕层的缠绕角度均为缠绕平衡角度，缠绕层数为2的倍数；
24.复合管既要满足抗压要求又要满足抗拉要求时，相邻缠绕层中其中一层缠绕层以大角度缠绕即缠绕角度大于缠绕平衡角度，另一层缠绕层以小角度缠绕即缠绕角度小于缠绕平衡角度，缠绕层数为4的倍数，优选的，沿复合管径向最内层缠绕层为大角度缠绕；
25.s4、最后通过挤出机对耐压层进行外包覆，形成耐磨层。
26.缠绕平衡角度是管道在抗压过程中的平衡角，当复合管内充入压力介质时，若耐压层的缠绕层的缠绕角度为非平衡角，会造成复合管自身发生缠身旋转，考虑这一点，在缠绕时相邻层的缠绕层采用逆时针顺时针交替缠绕，避免同方向缠绕而出现因扭矩问题导致的复合管的自身旋转问题。
27.此外在生产中，考虑到复合管的抗拉性能，缠绕层采用小角度缠绕会有更好的抗拉性能，单纯的大角度缠绕，复合管在受压时会有拉长现象。
28.在考虑抗拉需求时，相邻缠绕层分别使用小角度、大角度进行交替缠绕，平衡复合管的承压和承拉性能。
29.结合实际生产过程，得出缠绕平衡角度一般为54.73
°
，在实际生产中缠绕平衡角度在54～55度中间微调。其中，大于50
°
低于54
°
的缠绕角为相对小角度，小于50
°
的缠绕角为小角度；大于55
°
小于60
°
的缠绕角为相对大角度。
30.但在实际生产中，考虑到工艺需求，受管子牵引速度、管道缠绕外径和缠绕材料的影响，会导致缠绕层的缠绕间隙发生变化，为保证缠绕间隙在适当范围内，调整缠绕角度，调整范围在50
°
～60
°
之间，缠绕角度可通过调整缠绕机的转速与牵引机的拉速之比进行调节。
31.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在耐压层内沿耐压层轴向设置多束可缠绕铝管，并在可缠绕铝管外壁和耐压层内壁之间设置填充层，用于对可缠绕铝管进行限位固定。由于可缠绕铝管能够实现弯折缠绕并且能够兼容氢气，而耐压层则用于承受高压氢气，因此本发明的复合管满足氢气的管道运输，并且适用于长距离铺设，通过呈盘缠绕，便于运输和铺设。
32.当可缠绕铝管内径过大会造成弯曲半径增大，不便于缠绕和运输，为满足氢气输送效率，在满足缠绕条件的情况下，在耐压层内沿耐压层轴向设置多束可缠绕铝管，能够减小复合管的弯曲半径，并且通过多通道输送，能够满足氢气输送量的要求，保证氢气输送效
率。
33.并且本发明多管束高阻隔高承压氢气输送用复合管的制备方法工艺简单，现有的挤出设备、缠绕设备即可实现，制造成本低，可缠绕铝管侧壁不存在焊缝，密封质量容易控制，能够快速实现量产推广。
附图说明
34.图1为本发明实施例1所述多管束高阻隔高承压氢气输送用复合管的结构示意图；
35.图2为本发明实施例2所述多管束高阻隔高承压氢气输送用复合管的结构示意图；
36.图3为本发明所述耐压层的结构示意图；
37.图4为本发明所述多管束高阻隔高承压氢气输送用复合管的立体图；
38.图中，1可缠绕铝管、2耐压层、3填充层、4耐磨层；
39.21缠绕层。
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
41.实施例1
42.如图1所示，一种多管束高阻隔高承压氢气输送用复合管，包括可缠绕铝管1、耐压层2、填充层3和耐磨层4。
43.在耐压层2内沿耐压层2轴向设置有7束可缠绕铝管1，可缠绕铝管1为无缝铝管即为铝质无缝盘管，在耐压层2的横截面内，所述可缠绕铝管1沿耐压层2径向呈错排结构排列，具体的，如图1所示，所述可缠绕铝管1呈梅花状排列。所述可缠绕铝管1外壁和耐压层2内壁之间设置有填充层3。
44.所述耐压层2外侧设置有耐磨层4。所述耐压层2、填充层3和耐磨层4均能够弯曲缠绕。
45.具体的，所述可缠绕铝管1直径为20mm，厚度为2mm。
46.所述可缠绕铝管1的材质为5052号铝合金。
47.如图3所示，所述耐压层2包括两层缠绕层21，相邻缠绕层21的缠绕方向相反，每层缠绕层21在缠绕过程中不重叠且每层缠绕层21的缠绕间隙为0.5mm。所述缠绕层21为碳纤维带。
48.所述填充层3和耐磨层4均为聚乙烯材料，具体为高密度聚乙烯。
49.一种多管束高阻隔高承压氢气输送用复合管的制备方法，包括以下步骤：
50.s1、首先将可缠绕铝管1按要求沿耐压层2径向错排排列，然后将排列好的可缠绕铝管1通过热熔胶黏连或通过扎带捆扎相互固定在一起。
51.s2、将步骤s1固定好的可缠绕铝管1通过牵引设备牵引，经过挤出机进行填充层3的包覆，形成芯管，将填充后的芯管绕至过度大盘，具体的，将聚乙烯颗粒热熔，从挤出机中挤出高密度聚乙烯(hdpe)包覆在可缠绕铝管1的外壁上。
52.s3、将步骤s2中得到的芯管通过缠绕设备进行耐压层2的缠绕，将缠绕层21缠绕在芯管外壁上得到耐压层2，相邻缠绕层21的缠绕角度相反，每层缠绕层21在缠绕过程中不重
叠，且缠绕层21的缠绕间隙为0.5mm。
53.每层缠绕层21的缠绕角度均为缠绕平衡角度，缠绕层数为2层。所述缠绕层21包括碳纤维带、涤纶丝、玻璃纤维带或薄钢帘带，缠绕层21根据材料的不同所需工艺也有不同，涤纶丝可直接缠绕，而玻纤带则需要烘箱烘烤，上述的缠绕材料均不需要热熔胶。
54.具体的，将步骤s2成型的管道通过牵引设备匀速通过缠绕机，将抗压层材料即缠绕层21先缠绕在管道上通过胶带捆绑固定，再运行设备使缠绕层21缠绕在管道上，通过调整牵引速度和缠绕角度调整缠绕层21的间距，使其达到预定的缠绕间距，通过胶带固定的那一段管道是不需要的，后续就会在最后包覆完成之后锯掉。
55.s4、最后通过挤出机对耐压层2进行外包覆，形成耐磨层4。耐磨层4包覆时无需在耐压层2外面涂热熔胶。具体的，将聚乙烯颗粒热熔，从挤出机中挤出高密度聚乙烯(hdpe)包覆在耐压层2的外壁上。
56.实施例2
57.如图2所示，与实施例1不同之处在于，在耐压层2的横截面内，所述可缠绕铝管1沿耐压层2径向呈直排结构排列。具体的，如图2所示，在耐压层2内沿耐压层2轴向设置有9束可缠绕铝管1，所述可缠绕铝管1呈九宫格排布。
58.本发明的优势：
59.1.该复合管中可缠绕铝管1呈蜂窝状或呈九宫格排布，如图4所示，该复合管能够实现盘绕铺设，缠绕半径满足现在实际生产的大盘操作，缠绕半径范围在1m-2m之间，通过可缠绕铝管1输送氢气，能防止氢气对塑料管道产生氢脆现象，另外多束可缠绕铝管1满足缠绕铺设的同时保证了氢气的输送能力。
60.2.在可缠绕铝管1外侧外包覆聚乙烯后再缠绕两层增强纤维作为耐压层2，其中，聚乙烯作为填充层3用于对可缠绕铝管1起到支撑和定位的作用，并将可缠绕铝管1内的压力传递给外侧的耐压层2，耐压层2用来增强管道的抗压能力，目前管道最高承受压力能达到25mpa。
61.3.在耐压层2外侧再外包覆一层聚乙烯，使管道不易磨损，有助于提高管道的使用寿命。

技术特征：
1.一种多管束高阻隔高承压氢气输送用复合管，其特征在于：包括可缠绕铝管(1)、耐压层(2)和填充层(3)；在耐压层(2)内沿耐压层(2)轴向设置有多束可缠绕铝管(1)，所述可缠绕铝管(1)外壁和耐压层(2)内壁之间设置有填充层(3)。2.根据权利要求1所述的高阻隔高承压动态氢气输送用复合管，其特征在于：所述可缠绕铝管(1)为无缝铝管。3.根据权利要求1所述的多管束高阻隔高承压氢气输送用复合管，其特征在于：所述可缠绕铝管(1)的直径为20-50mm，厚度为2-4mm。4.根据权利要求1所述的多管束高阻隔高承压氢气输送用复合管，其特征在于：所述可缠绕铝管(1)的材质包括纯铝、5052号铝合金或6063号铝合金。5.根据权利要求1所述的多管束高阻隔高承压氢气输送用复合管，其特征在于：所述耐压层(2)包括两层以上的缠绕层(21)，相邻缠绕层(21)的缠绕方向相反，每层缠绕层(21)在缠绕过程中不重叠且每层缠绕层(21)的缠绕间隙为0.5-1.2mm。6.根据权利要求1所述的多管束高阻隔高承压氢气输送用复合管，其特征在于：还包括耐磨层(4)，所述耐磨层(4)设置在耐压层(2)的外侧。7.根据权利要求6所述的多管束高阻隔高承压氢气输送用复合管，其特征在于：所述填充层(3)和耐磨层(4)均为聚乙烯材料。8.根据权利要求1所述的多管束高阻隔高承压氢气输送用复合管，其特征在于：所述可缠绕铝管(1)沿耐压层(2)径向呈错排结构排列。9.根据权利要求1所述的多管束高阻隔高承压氢气输送用复合管，其特征在于：所述可缠绕铝管(1)沿耐压层(2)径向呈直排结构排列。10.一种多管束高阻隔高承压氢气输送用复合管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、首先将多束可缠绕铝管(1)按顺序要求进行排列，然后将排列好的可缠绕铝管(1)相互固定在一起；s2、将步骤s1固定好的可缠绕铝管(1)通过牵引设备牵引，经过挤出机进行填充层(3)的包覆，形成芯管，将填充后的芯管绕至过度大盘；s3、将步骤s2中得到的芯管通过缠绕设备进行耐压层(2)的缠绕，将缠绕层(21)缠绕在芯管外壁上得到耐压层(2)，相邻缠绕层(21)的缠绕角度相反，每层缠绕层(21)在缠绕过程中不重叠，且缠绕层(21)的缠绕间隙在0.5～1.2mm之间；复合管只有抗压要求时，每层缠绕层(21)的缠绕角度均为缠绕平衡角度，缠绕层数为2的倍数；复合管既要满足抗压要求又要满足抗拉要求时，相邻缠绕层(21)中其中一层缠绕层(21)以大角度缠绕即缠绕角度大于缠绕平衡角度，另一层缠绕层(21)以小角度缠绕即缠绕角度小于缠绕平衡角度，缠绕层数为4的倍数；s4、最后通过挤出机对耐压层(2)进行外包覆，形成耐磨层(4)。

技术总结
本发明属于氢气管道技术领域，具体涉及一种多管束高阻隔高承压氢气输送用复合管及其制备方法，本发明在耐压层内沿耐压层轴向设置多束可缠绕铝管，并在可缠绕铝管外壁和耐压层内壁之间设置填充层，用于对可缠绕铝管进行限位固定。由于可缠绕铝管能够实现弯折缠绕并且能够兼容氢气，而耐压层则用于承受高压氢气，因此本发明的复合管满足氢气的管道运输，并且适用于长距离铺设，通过呈盘缠绕，便于运输和铺设。为满足氢气输送效率，在满足缠绕条件的情况下，在耐压层内沿耐压层轴向设置多束可缠绕铝管，实现多通道输送。本发明的复合管制备方法简单，采用现有的缠绕、挤出等设备即可实现，制造成本低，并且质量更容易控制。并且质量更容易控制。并且质量更容易控制。


技术研发人员：夏平原 蒋铭 陈江华 孟甦 陆小敏 许晓红 韩东 李诗春 张丽 季涛 孙启龙
受保护的技术使用者：江苏正道可燃冰管道有限公司
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/7/12