摘要：压力容器是常见的承压设备，在化工、能源、轻工等领域具有较为广泛的应用。压力容器在实际应用中存在一定的危险性，且内部承装介质较为复杂，对于容器制造材料有着较为严格的要求。复合材料与传统材质相比，其机械强度、耐腐蚀性等均具有一定的优势。笔者从压力容器的设计、制造现状等方面入手，就复合材料压力容器的实际性能，阐述几点看法。
关键词：复合材料；压力容器；性能
压力容器具体是指在实际应用中需要承受一定压力的设备，根据承受压力的不同，可分为不同的压力等级，在化工、能源等领域应用较为广泛。随着现代工业不断发展，客观要求压力容器在更为严苛的应用条件下，表现出更为优良的使用性能，同时保障其相应的使用安全。复合材料作为新型材料，在综合使用性能、经济性等方面，具有较为明显的优势，加强对复合材料压力容器的研究，具有其相应的现实意义。
一、复合材料压力容器制造现状及特点分析
（一）复合材料压力容器制造现状分析
复合材料凭借优异的综合性能，受到现代工业的关注，并随之得到快速发展。复合材料在压力容器制造中的应用，总体来说小型压力容器较多，但其直接成型的特性，更适用于部分危险性要求较高的压力容器中。复合材料压力容器在结构上通常使用碳纤维做外包，由金属材质做内衬。国内的复合材料压力容器习惯应用网格理论进行设计，通常有复合材料纤维连续缠绕形成，网格理论认为这种模式下，材料纤维的分布和受力更加均匀，且由材料纤维承担所有的载荷。
（二）复合材料特点分析
复合材料是指由某一材料作为基体，融入其他增强材料形成的新型材料，通过不同组分材料性能的融合，复合材料往往拥有更优良的综合性能，其性能特点主要体现于一下几点：一，机械强度优势。复合材料通常会选用部分纤维材料作为增强材料，从而获得较高的机械强度；二，密度小；三，耐腐蚀。与传统金属材质相比，复合材料可通过抗腐蚀原料的融入，灵活控制材料耐腐蚀性能；四，韧性优良。传统金属材料韧性较差，导致出现压力容器事故时，具有突发性特点，复合材料则可有效提高容器的断裂韧性。
（三）金属材料
金属材料是压力容器最常见的构成材料，其中有色金属材料包括铝及其合金、铜及其合金、钛及其合金等。铝及其合金主要用于设计压力小于8MPa，设计温度在-269℃~200℃区间内的压力容器；《容规》中规定工业纯钛设计温度不应超过230℃，其合金设计温度应低于350℃，常见板材包括TA0、TA1等。
二、复合材料压力容器应力情况分析
（一）容器载荷分析
复合材料的结构形成，由成型和生产共同完成，内部结构保存较为完整，从而使其具备较高的机械强度。但从应力分析的角度看，受材料纤维结构非均匀性分布影响，应力分析难度较高，目前仅能利用部分简化理论进行分析。针对较为复杂的受力分析，主要依靠数值分析法完成，常见的分析法包括边界元法、有限元位移法、有限元混合法等。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
（二）容器应力分析
复合材料压力容器在结构上具有轴对称特点，且不同受力区域受力较为均匀，故而可将复杂的三维受力分析转变为平面受力分析问题。在平面体系中，分析压力容器应力分布情况，仅需参考径向位移r的变化量，在不计体力的情况下，有下述力学平衡关系成立：
dσr/dr+（σr-σθ）/r=0
上述平衡关系中σr、σθ分别表示压力容器的径向应力和周向应力。结合相应的应力应变关系，即可详细讨论压力容器金属内衬的实际应力分布情况。
压力容器外纤维层应力分析可依据弹性力学相关理论推导得出，这种分析方法的实际应用中具有一定的局限性，仅适用于结构简单，且规律的轴对称结构压力容器，针对更为复杂的情况，仍需结合实际情况做进一步的分析。
三、复合材料失效因素分析
复合材料失效类型主要可分为内衬泄露以及复合层爆破两种。内衬泄露问题的成因主要是腐蚀材料影响；复合层爆破问题主要是由材料强度不足导致的，二者相比复合层爆破通常会造成较为严重的事故。造成符合材料失效的原因可分为主观原因和客观原因两种。
（一）主观因素影响分析
一般情况下，复合材料会采用碳纤维、玻璃纤维等材料纤维缠绕最终成型，选用不同的纤维材质，其具备的强度性能不尽相同，碳纤维具有较好的长期承载能力，芳纶纤维在抗冲击方面表现优异。除纤维材质外，复合材料的缠绕方式，对于其综合性能影响巨大。根据相关科学研究表明，缠绕型符合纤维的疲劳性能和强度与其缠绕张力有着直接的联系。复合材料的结构性能是引发材料应力断裂的主要原因，具有明显的材料特性，碳纤维材料在长期受载使用中具有较好的材料表现，故而应用广泛。
（二）客观因素分析
除主观因素外，在压力容器实际使用过程中，下述客观因素也可能导致复合材料失效问题：一，载荷周期因素影响。复合材料本身具有一定的受载周期，如使用周期过长，就容易导致容器失效问题；二，外界撞击损伤。压力容器受到撞击就有可能导致损伤问题，其中部分纤维损伤是不可见的，但会影响压力容器的实际使用效果；三，内衬泄露及外界环境影响。
结语：
综上所述，随着现代工业发展，对于压力容器的综合性能提出了的更高的要求。复合材料压力容器总体上说，在材料强度、耐腐蚀性等方面更具有优势，积极发展复合材料压力容器，对于促进现代工业发展，具有重要的现实意义。
参考文献：
[1]张承双，崔霞，李翠云等.PBO-C/E复合材料的界面及压力容器性能[J].宇航材料工艺，2015（02）.
[2]张娟.浅谈复合材料压力容器的性能[J].中国机械，2014（05）.
[3]骆晓玲，刘亮亮.复合材料压力容器的性能分析[J].机械设计与制造，2011（05）.
论文作者:岳冬冬,刘雪冰
论文发表刊物:《电力设备》2017年第2期
论文发表时间:2017/3/28
标签：复合材料论文; 压力容器论文; 材料论文; 性能论文; 应力论文; 纤维论文; 强度论文; 《电力设备》2017年第2期论文;