刘燕萍
首钢水城钢铁（集团）有限责任公司技术中心 贵州 六盘水 553028
摘要：本世纪以来，我国压力容器科技工作者解决了过程工业生产规模大型化、介质环境苛刻化及安全长周期运行所面临的诸多技术难题，建立了基于全寿命周期风险可控的设计制造与维护技术方法，使得我国重要压力容器基本不再依赖进口，万台设备失效事故率逐年下降。然而，过程工业装置大型化导致的压力容器重型化问题愈发突出，不仅造成耗材耗能费工、加工制造困难，而且可能存在一定的安全隐患。本文中，对压力容器气瓶结构进行概述，并介绍其设计制造技术。
关键词：压力容器；设计；制造；结构
1前言
压力容器是化工、机械、原子能、轻工、航天、冶金、海洋开发和广泛应用领域的一种重要设备，以前大多数为金属材料加工制造，如钢瓶、钛合金缸，等。为了减轻气瓶的质量，技术人员开始把金属气瓶转为体纤维缠绕的复合材料气瓶。
2复合材料气瓶的分类
复合气瓶一般采用两种分类方法。一是根据应用领域：（1）作为天然气燃料车辆的压缩天然气（CNG）储罐；（2）适用于呼吸器系统，包括背负式呼吸器、小型呼吸器、呼吸面罩等；（3）用于航空或航海，主要包括逃生滑梯冲气装置和航空吸氧装置。二是根据内胆材料和增强材料进行分类：根据内胆材料，可分为金属内胆囊缠绕气瓶和塑料膀胱缠绕气瓶；它还可分为高强度玻璃纤维缠绕气瓶、碳纤维缠绕气瓶、芳纶缠绕钢瓶。它具有密封性能好、抗疲劳能力强、循环寿命长、稳定性好、光质量好等优点，广泛应用于碳纤维缠绕气瓶中。
3压力容器结构特点
压力容器由于其结构的特殊性，具有的结构特点如下：
（1）筒体材料与制造成本压力容器制造材料价格便宜、材质自然可靠、轧制型式简单的钢带，因其内筒较薄，可用一般钢板卷焊制造，机械性能好，利用率高。压力容器制造费用可降低30%～50%，具有显著经济效益。
（2）制造工艺技术：用于轧制绕带的机床操作简易，采用非常简单的绕带机床即可达到缠绕要求。根据设计容器在不同工作条件下的绕层应力状态，可计算出每层钢带的缠绕数据，其缠绕层间没有“扣合”的精度要求，因此不需严格控制层间贴合面的过盈量。
（3）质量检验：容器壁薄易焊，仅需内筒无损探伤，易检验，质量可靠，容器质量较易得到保证。
（4）使用安全可靠性：绕带采取交错缠绕方式，筒体无厚环缝，绕带层在能承受高压的同时，又可以对发生破坏的内筒起保护作用。由于绕带层采用预应力缠绕，即使内筒存在一定的缺陷，容器也不至于发生脆断的破坏；若内筒在工作压力下，由多种原因发生破坏时，也只会发生泄漏，不会发生爆炸破裂，无须再另外设置防爆外壳。
4压力器设计制造技术
4.1材料许用强度系数调整
压力容器材料许用强度系数是考虑材料、设计、制造、检验各环节不确定性而设置的冗余保险系数。在保证本质安全前提下合理调整材料许用强度，是实现压力容器轻量化设计制造的重要途径之一。近年来，我国压力容器工作者开展了大量试验和工业规模验证，深入研究了高温、高压、低温、深冷、复杂腐蚀等苛刻条件下压力容器材料的适应性，建立了高温蠕变疲劳、超高压疲劳、低温深冷脆性断裂、应力腐蚀、腐蚀疲劳等损伤评价和寿命预测方法，提出了材料纯净度、组织与性能均匀性、冲击韧性、耐腐蚀性等关键指标控制要求，减小了材料性能的不确定性。
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4.2高强钢开发应用与生产工艺控制
高强钢开发应用是实现重型压力容器轻量化的重要手段。提高碳钢或低合金钢材料强度一般有增加碳含量和微合金弥散强化两种途径，但分别会带来材料韧性与可焊性变差、焊接冷裂纹与再热裂纹等问题。近年来，我国钢材生产厂和容器研发制造企业协同创新，通过微合金弥散强化、组织均匀性、厚度均匀性控制，轧制、锻造和热处理工艺改进等措施，开发了一批高纯净度、高性能、低成本压力容器用低合金高强钢，并较好解决了低合金高强钢生产工艺控制技术难题。
4.3复合材料应用
碳纤维复合材料具有质量轻、比强度/比刚度大、可设计性强、耐腐蚀等优点，适用于新能源汽车、航空航天及船舶等领域对压力容器重量有苛刻要求的场合。近年来，哈尔滨工业大学杜善义、赫晓东团队及浙江大学、合肥通用院、中国特检院等国内科研机构，针对复合材料高压气瓶，开展了大量理论和试验研究并取得进展。识别了复合材料层与内衬的失效机理，建立了复合材料压力容器渐进损伤规律分析方法；考虑充气过程温升效应，建立了复合材料压力容器爆破强度与疲劳寿命预测方法；发展了变强度、变刚度缠绕结构设计理论，提出了纤维增强材料、树脂基体与内衬材料的选择原则和材料特性参数确定方法，建立了基于滑线系数的轨迹设计方法，实现了纤维取向的精确控制，开发出纤维缠绕仿真软件平台，并针对复层与内衬变形协调难题，利用仿生学原理，提出碳纳米管聚合物接枝技术，提高界面强度，针对复合材料层间开裂，探索粒子增韧原理，开发微胶囊自修复技术等。
5国内外复合材料气瓶性能和结构的研究情况
目前国外复合气瓶的研究主要集中在复合材料本身的性能研究和容器本身的各种极限问题上。采用数值计算方法，考虑到头部的强度必须由螺旋缠绕层提供，压力容器的优化是通过叠层板参数进行的，优化设计与实验相结合。运用经典层合理论的分析薄壁复合容器缠绕角度15°～85°之间的应力和应变的变化；对于环应力和轴向应力的比值等于两个柱形容器，最优值平衡绕组角度为55。衬里被认为是理想的塑性材料，缠绕层为弹性材料，研究了压力分布头等容器应力，同时利用接触元件研究纤维衬砌层和界面应力分布问题。应用弹性理论和破坏准则计算了容器的最大破坏压力。在此基础上，运用鲁棒多维度法进行了优化分析，对复合容器的断裂失效进行了研究。研究了复合容器的形状优化问题，优化了纤维缠绕角。利用膜应力理论对复合容器进行了优化。
本文采用许贤泽等人对圆筒壳体的弹性和弹塑性分析，分析了圆筒的弹性力学几何方程和圆筒的内力。非电量的电测量方法分别用于复合材料气瓶和衬里铝胆应变试验，得出应变分布曲线，分析了复合材料气瓶压力载荷的轴向应变和箍应变主要发生在筒节中，过渡区在头部和应变很小；利用ANSYS对复合气瓶和铝胆进行了建模分析，得出了铝胆汁的工作应力水平是影响CNG气瓶性能的关键因素之一。徐宪泽和施虐者也对气瓶的损伤机理进行了研究和分析。通过苏文献对CNG燃料汽车气瓶的水压试验进行了试验，并进行了爆破试验，预测了气缸的实际爆破压力。结果表明，有限元分析与实际情况吻合较好。
嵇醒等讨论了对复合材料气瓶与预紧技术的必要性及其实现方法，并使用有限元分析软件分析了预紧压力缸压力在工作压力下，画一个加载压力的影响可以减少气缸压力的工作压力水平，提高气缸的疲劳寿命。
6结束语
复合材料气瓶属于朝阳产业，目前正方兴未艾。国内外在复合材料气瓶的研究方面都投入了很大的人力和物力，我国的复合材料气瓶产业刚刚起步，目前还存在很多问题。但是我国的纤维缠绕技术有深厚的根基，把纤维缠绕技术和其它技术相结合，能够得到更好发展。
参考文献
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[2] 寿比南.我国承压设备标准化十年技术进展和展望[J].压力容器，2012（12）
[3] 陈永东.丁醛转化器的国产化研制[J].压力容器，2014（09）
论文作者:刘燕萍
论文发表刊物:《防护工程》2018年第11期
论文发表时间:2018/10/16
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