纖維纏繞復合材料氣瓶的發展及其標準情況 (2) zund bhs 150-Plotting foil台中雷射切割雕刻代工－李宗憲焦點新聞熱搜

摘　要：纖維纏繞復合材料氣瓶用于呼吸器、車用壓縮天然氣燃料氣瓶及航空航天等領域。本文對復合材料氣瓶的發展、標準進展情況以及其關鍵技術和型式試驗等問題作了全面介紹。
關鍵詞：復合氣瓶；壓縮天然氣車用燃料氣瓶；全纏繞氣瓶；環纏繞氣瓶

1　引　言
　　在壓力容器中，中低壓容器一般以板焊結構為主，而高壓容器則出現多種結構：單層結構有整體鍛造式、鍛焊式、厚板卷焊式、電渣重熔式；多層結構有層板包扎式、螺旋包扎式、熱套式、整體包扎多層式；纏繞結構有繞絲式、繞板式、扁平鋼帶傾角錯繞式和型槽繞帶式。但這些結構都是指金屬材料而言，單臺壓力容器重量根據容積大小和壓力高低，重的甚至可達數千噸。而高壓氣瓶過去制造和使用的主要是金屬材料即鋼質和鋁質的，按制造方法分有沖拔拉伸（E法）、管材收口（M法）以及沖壓拉伸（C法）等。隨著材料科學和制造工藝技術的進步，由于氣瓶為移動式容器，為了減輕氣瓶的重量，同時又能承受較高的壓力，也出現了在金屬或非金屬材料內膽上環纏繞和全纏繞纖維材料組合結構的纏繞氣瓶，即復合材料氣瓶。復合材料纏繞氣瓶目前主要應用于呼吸器（如消防呼吸系統、登山、老人及病人吸氧、航空及航天系統等）及車用壓縮天然氣燃料氣瓶兩大領域，也可用于某些壓縮氣體和液化氣體及其混合物。現就纖維纏繞復合氣瓶的發展及其標準的有關情況作一簡要說明。

2　纖維纏繞復合材料氣瓶的發展及其標準情況

2.1　復合材料氣瓶的發展
　　復合材料氣瓶的發展始于20世紀50年代，是基于火箭發動機復合材料機殼技術。早期的復合氣瓶是用玻纖浸漬環氧樹脂纏繞于橡膠內膽上，雖然其重量比鋼質輕，但由于玻纖較低的抗應力斷裂及靜態疲勞能力，以及氣體滲透率較大，因此需要采用較高的安全系數。
　　20世紀60年代開始使用金屬內膽，如果內膽足夠厚，允許纖維全纏繞或環纏繞增強。復合氣瓶采用金屬內膽的滲透率比橡膠內膽的低得多，但內膽的疲勞壽命卻受到限制，薄壁內膽可在100~1000次循環產生開裂到泄漏，而厚壁內膽可在10000~30000次循環產生泄漏。
　　復合材料容器和氣瓶早于20世紀50年代和60年代用于國防和航天，這些容器或氣瓶用于軍用飛機的噴射系統，緊急動力系統和發動機重新啟動應用系統，它們也用于航天試驗室的氧氣罐和導彈系統的壓力源。每一航天飛機都用一定數量的復合氣瓶作為機艙空氣和推進器及控制系統的動力。
　　20世紀70年代，復合氣瓶在商用系統大大增加，玻纖和芳綸纖維纏繞于鋁內膽或鋼內膽上，用于消防呼吸器和民用飛機滑梯充氣，以及相類似的氣瓶用于海軍救生筏充氣。
　　四型瓶還可用于海上石油平臺張力系統的水力蓄能器。壓縮天然氣車用瓶成為復合氣瓶的主要市場之一。從纖維來說，)" 年代新材料碳纖維被批準用于氣瓶，這是一個重大的發展。纖維纏繞復合材料氣瓶的發展大體如下：
　　20世紀60年代：用于衛星及航天復合壓力容器；
　　20世紀70年代：美國航空航天技術轉向民用商業市場；
　　美國運輸部批準復合材料氣瓶：采用玻纖和可夫拉（Keular）纖維生產環纏繞氣瓶。
　　20世紀80年代：其他有關批準復合材料氣瓶用于商業市場，呼吸器成為復合材料氣瓶的大市場。
　　20世紀90年代國際標準化組織（ISO）和歐洲標準化技術委員會（456）以及天然氣汽車聯盟起草批準復合材料氣瓶新標準；定位氣瓶性能，允許采用新材料碳纖；批準塑料內膽復合氣瓶即四型瓶；壓縮天然氣車用瓶成為復合氣瓶的主要市場之一。
2.2　復合材料氣瓶的標準情況
2.2.1　纖維纏繞復合材料壓力容器
　　國內有玻璃鋼容器標準。美國ASME第十篇為纖維增強塑料壓力容器。該標準于1974年開始準備并起草，1977年獲得通過，現行版本為2001年版和補遺。初標準范圍僅包括玻璃纖維壓力容器。該規范以設計為基礎，爆破壓力要求為5倍額定工作壓力，在低設計溫度下3000次疲勞，在高設計溫度下3000次疲勞。纖維纏繞容器開口在端部，大工作壓力為3000psi（20.68MPa），碳纖維和芳綸纖維是以后補上去的，采用和玻纖一樣的要求，安全系數都是5。全纏繞設計一般用非金屬內膽，固定使用（安裝于地面或平臺），是不移動的，不限制使用壽命。疲勞試驗和爆破試驗僅限于試驗要求，本規范導致“粗糙”的設計，沒有提出在用檢驗和水壓試驗要求。
2.2.2　呼吸器
　　美國于1972年開始采用輕質鋁瓶，1975年研制出鋁內膽、S玻纖/環氧樹脂環纏繞和全纏繞以及鋁內膽可夫拉（Keular）/環氧樹脂環纏繞和全纏繞復合氣瓶，并于1976年被DOT首先批準生產，用于商用高壓氣體儲存，如消防自給式呼吸氣瓶、家用氧氣治療、飛機排出系統/直升機懸浮系統充氣；用于公交車、卡車和小轎車的壓縮氣體儲存和各種氣動系統。
　　DOT FRP―1《FRP纖維增強了FC型復合材料氣瓶基本要求》由美國壓縮氣體協會（CGA）于1970年開發。用于美國運輸部研究和行政特別項目（DOT RSPA）移動氣瓶免除令，作為消防員及飛機逃逸滑道用壓力容器，早用玻纖，規范要求在操作壓力下安全系數為3.33，并在3倍操作壓力下保壓1分鐘。由于玻纖的應力破裂性能，導致玻纖安全系數為3.5。芳綸纖維是后加的，采用和玻纖一樣的要求，金屬鋁內膽全纏繞設計在15年壽命期內，要求每3年進行一次在用檢查和水壓試驗。該標準要求更多的性能試驗，如火燒、槍擊和10000次操作壓力下和30次水壓試驗壓力下循環試驗。1981年為第1版，1987年2月15日為修訂二版，容積范圍為小于等于90.7L、工作壓力范圍為6.2~34.5MPa。
　　DOT FRP―2《FRP纖維增強3HW型復合材料氣瓶的基本要求》由CGA在FRP―1之后（約1982年）開發，FRP―2使用和FRP―1類同。本標準初僅用于玻纖鋁內膽環纏繞，標準要求在2.5倍工作壓力下保壓1min，這導致約2.65倍安全系數。稍后，允許用鋼內膽。該標準包括的性能試驗與FRP―1相似。1982年版為版，容積范圍及工作壓力范圍與FRP―1相同。
　　為了達到在同樣價格下，使氣瓶重量大大減輕，采用碳纖維取代S玻纖和可夫拉進行纏繞用于呼吸器，1994年無縫薄壁鋁內膽碳纖維全纏繞新一代復合氣瓶在歐洲獲準使用，1997年在美國獲準使用，它們是重量相對輕的氣瓶，只有相同容積鋁瓶或鋼瓶重量的34％，比S玻纖和可夫拉纖維復合氣瓶重量輕15％~30％。碳纖維復合材料氣瓶是基于20多年玻纖和可夫拉復合氣瓶良好的使用經驗以及1986~1994年之間建立的高性能碳纖維纏繞火箭發動機燃料儲箱、軍用飛機救生和氣體動力源、防衛和導彈系統的應用，以及運載火箭和空間飛行器壓力貯箱的宇航數據庫，與S玻纖和可夫拉相比，碳纖維全復合纏繞氣瓶具有相對高的強度和剛性，輕的重量，極佳的耐潮濕、耐化學腐蝕、耐紫外線輻射、耐疲勞以及耐應力斷裂及良好的容限性。但外部需要有一層玻纖/環氧保護層。另外，需要特別注意的是，在碳纖維復合材料和鋁合金內膽之間需要一個隔離屏障，以防止電化腐蝕。新一代碳纖維復合氣瓶（呼吸器）商業使用的個政府許可是由英國健康委員會（HSE）于1994年1月發布的，壓力為207 bar或300bar。自1994年1月以來，歐洲地區政府許可擴大到19個。美國和日本于1997年取得了必須的政府許可。關于碳纖維復合氣瓶主要的歐洲標準是英國,HSE―A1―FW2（0.5251）以及歐洲大陸已批準的衍生版本、歐洲標準化技術委員會（CEN）編制的復合氣瓶規范PrEN12245《全纏繞復合材料氣瓶》，于1999年7月提出以協調歐洲標準。在美國，DOT管理要求的標準是DOT―CFFC無縫鋁內膽碳纖維全纏繞氣瓶，現行版本為1999年3月第三次修訂版《全纏繞碳纖維增強鋁內膽氣瓶的基本要求》。氣瓶的大水容積≤90.7L，工作壓力≤34.5MPa。
2.2.3　車用壓縮天然氣氣瓶
　　自20世紀70年代末期以來，范圍內的CNG工業主要按意大利規范、或美國運輸部DOT3AA修訂版來設計鋼瓶。1989年新西蘭把疲勞設計進行試驗驗證引入NZS5454標準，這是個在CNG中使用的氣瓶標準，主要是針對鋼瓶，為了保證熱處理的合理性，要求對每一個氣瓶都要進行硬度試驗。20世紀80年代，北美聯邦不再按照現存的工業氣瓶標準，采用特別許可或許可證書。1992年美國制訂了ANSI/AGA NGV2―1992車用壓縮天然氣氣瓶標準，它是建立在鋼質氣瓶標準US-DOT3AA、鋁質氣瓶標準USDOT3A1、全纏繞氣瓶設計標準草案FRP-1和環纏繞FRP-2氣瓶設計標準草案的基礎上，另外還規定了CNG氣瓶的使用條件和相應的性能試驗要求。NGV2―1992年版1998年更新一次，現行版本為NGV2―2000。美國運輸部高速公路交通安全管理局（NHTSA）采用該標準的部分內容，并且于1995年3月發布了一個新標準即FMVSS304《聯邦機動車安全標準》。在加拿大，CSAB51 PartⅡ《車用天然氣高壓氣瓶》標準于1995年1月開始實施。
　　1989年ISO/TC58/SC3/WG17也著手《車用壓縮天然氣氣瓶》國際標準的制訂工作，于1992年提出標準草案，經過多次修改ISO 11439《車用壓縮天然氣高壓氣瓶》現已被包括在內的上大多數認可，標準版已于2000年9月15日正式頒布，它包括CNG-1金屬氣瓶、CNG-2金屬內膽環向纏繞氣瓶、CNG-3金屬內膽全纏繞氣瓶和CNG-4塑料內膽全纏繞氣瓶。可以說ISO 11439《車用壓縮天然氣高壓氣瓶》是建立在過去20年來各國經驗的基礎上制訂的。因此目前國內車用壓縮天然氣氣瓶也多參考該標準。
2.2.4　壓縮氣體和液化氣體用纖維纏繞復合材料氣瓶
　　國際標準化組織（ISO）于2002年批準了一套纖維纏繞復合氣瓶標準：ISO 11119《復合結構氣瓶――規范和試驗方法》。具體包括：
　　部分：ISO 11119―1《環向纏繞復合氣瓶》；
　　第二部分：ISO 11119―2《承載金屬內膽纖維增強全纏繞復合氣瓶》；
　　第三部分：ISO 11119―3《非金屬內膽和不承載金屬內膽纖維增強全纏繞復合氣瓶》。
　　ISO 11119標準適用于水容積≤450L，用于儲存和運送壓縮氣體和液化氣體，其水壓試驗壓力≤650bar。ISO 11119標準規定設計壽命從10年到不限；對設計壽命超過15年的，為了繼續使用應重新進行評定。無縫金屬內膽材質可為鋼、不銹鋼或鋁合金。纏繞纖維可為碳纖維、玻纖、有機纖維或其混雜，但對環向纏繞標準中規定亦可采用鋼絲纏繞進行周向加強。
　　ISO 11119標準沒有提出可拆保護套筒的設計、配合及性能，如果需要應另行考慮。
2.2.5　美國航天和星際航空協會（ATAA）
　　S-081《非金屬內膽復合全纏繞壓力容器》（2000年4月3日草案）標準為美國標準協會（ANSI）批準的終階段標準，它是針對進行中的發射運載工具和有效載荷制定的。它與S-080《金屬壓力容器》一起延續并取代Mil-std-1552A-1984美國空軍（USAF）《加壓導彈和航天系統安全設計系統和操作的總要求標準》。S-081標準對材料的選擇和安全指南提供了廣泛的指導，要求A-基材料性能并限制全尺寸氣瓶的型式試驗。基于應力破裂性能而建立飛行壽命的低可靠性。對碳纖維的小安全系數為1.5，芳綸為1.75、玻纖2.25的小設計壽命為1年，它只包括金屬內膽氣瓶，相應的塑料內膽氣瓶正在起草，相應的ISO標準也在工作。

3　纏繞氣瓶的型式試驗問題

　　纖維纏繞復合材料氣瓶除了考慮材料特性、設計上要求應力分析，其關鍵還在于以性能為基礎，即不論其結構型式如何，其合理性以成功地進行一系列的型式試驗為基礎。筆者早接觸到復合氣瓶的資料是在1997年《氣瓶》第2期上報道的加拿大S.N.Sirosh等和法國的Baylac在1996年7月21日至26日召開的第八屆國際壓力容器技術會議上所發表的論文。作者對美國、加拿大、法國等所進行的車用復合氣瓶的發展及其型式試驗作了報道。
　　加拿大的S.N.Sirosh等主要介紹了車用壓縮天然氣全復合氣瓶的試驗與確認。筆者認為，車用壓縮天然氣瓶標準編制的關鍵在于以性能為基礎，亦即不論結構型式如何，其合理性以成功地通過一系列的性能試驗為基礎，而這一系列的性能試驗是根據使用方式和使用壽命而設計的，也就是說，沒有通過合格的性能試驗，這種氣瓶的設計是不能批準使用的。法國Baylac介紹了法國全復合壓縮天然氣車用氣瓶的發展，法國是在工業部工業質量與標準分會的領導下，由復合材料生產廠、法國氣體公司和Aluisuisse及Ullit兩個氣瓶廠成立了一個合作組織，聯合進行攻關。兩個氣瓶廠均為雷諾公司機動車廠的供貨商。經過大量試驗攻關，1995年法國工業部批準了這兩個廠生產該類氣瓶并用于機動車輛。
這一系列性能試驗也就是通常所說的型式試驗，它們是根據使用方式條件和使用壽命等要求而設計的，如爆破試驗、環境溫度下的疲勞試驗、極端溫度下的壓力循環試驗、破裂前泄漏試驗、火燒試驗、槍擊試驗、酸環境試驗、裂紋容限試驗、加速應力破裂試驗、高溫蠕變試驗、跌落試驗、滲透試驗、天然氣循環試驗等。
目前，各有關廠家都已具備了一定的型式試驗條件，政府部門又明確了型式試驗單位，相信這方面的工作，今后會越來越好。

4　復合氣瓶的定期檢驗

　　ISO 11439《車用天然氣高壓氣瓶》標準附錄H中明確規定：制造者應明確地規定使用者的義務、應遵守的檢驗要求，如由授權人進行定期復驗。要求的檢查和試驗按使用國的有關規程進行。推薦的定期檢驗：在使用壽命期間的外觀檢查或試驗，在按規定的使用條件下使用的基礎上，由氣瓶制造單位提供。每個氣瓶至少每36個月一次，以及包括緊固帶在內的重新安裝、外表面損傷或質量衰退時進行外觀檢檢驗。外觀檢驗應由有能力的、經過管理部門批準或組織的代理者根據制造者的技術標準來完成。沒有指示性的標識的標簽或印記的氣瓶，或其已經模糊不清，應該退出使用。當然，如果這樣的氣瓶能被制造者或由序號準確識別，在更換標牌或打印標記后，方可繼續使用。撞車后，氣瓶被碰撞，則由授權的代理者復檢，在撞車中未受任何損傷的氣瓶可以恢復使用。否則，氣瓶應返回制造者進行評定。如果被火燒，氣瓶應由授權的代理者復檢，或廢棄退出使用。
　　ANSI/CSANGV20―2000《車用壓縮天然氣燃料氣瓶的基本要求》對定期檢查也作出類似的規定：由設計者根據使用條件規定，至少每36個月一次或重新安裝后，應對氣瓶進行外部損傷或退化的外觀檢查，由有資格的檢驗師按制造商的建議及CGA C6.4《車用天然氣燃料氣瓶及其裝置的外觀檢驗方法》評定；如遇碰撞、事故、失火或其他損失，應按CGA C6.4立即進行檢查，如無損傷，則交付使用；如果確認超壓大于125％工作壓力，則從使用中卸下。
早的復合氣瓶定期檢驗標準是美國壓縮氣體協會CGA C6.2―1982《纖維增強高壓氣瓶的外觀檢驗和二次評定指南》，這里的纖維是指玻纖和可夫拉。其損傷有磨損、割傷、凹陷或碰傷、離層和結構損傷。其損傷也可分為三類：一等損傷（合格）：一等損傷是輕微的，并且認為是正常的，對氣瓶的安全和它的繼續使用沒有有害的影響。如油漆的擦傷、無明顯深度的凹陷或彎折，或纖維的擦傷。二等損傷（需附加檢驗或修理）：二等損傷的割傷、鑿傷比一等深些或長些，或纖維損傷嚴重些，可進行修理，但應按制造廠提供的要求進行。三等損傷，被認為是不能修理的，氣瓶應報廢。
　　目前收集到的有關復合氣瓶的定期檢驗標準主要有：
　　（1）CGA C6.4―1998《車用壓縮天然氣燃料氣瓶及其裝置的外觀檢驗方法》，譯稿刊登在《氣瓶》2002年第1期；
　　（2）林肯復合材料公司全復合天然氣燃料氣瓶檢驗指南，譯稿刊登在《氣瓶》2002年第2期；
　　（3）ISO 11623-2002《復合氣瓶的定期檢查和試驗》，該標準規定了鋁內膽、鋼內膽、非金屬內膽和無內膽結構的環纏繞和全纏繞氣瓶定期檢查和試驗的要求。適用于壓力下的壓縮氣體、液化氣體或溶解氣體用氣瓶，水容積為0.5~450L，根據實際情況亦可用于0.5L以下；
　　（4）ISO《車用天然氣高壓氣瓶及其配套裝置的定期檢驗》，該標準已經過WD（制訂新國際標準準備階段）、CD（制訂國際標準的委員會草案階段），目前進入DIS（制訂國際標準的審查階段），目前已過投票截止日期（為2004年1月28日）。
　　這些標準有其共同點：將氣瓶及其配套裝置的損傷情況分為三級：一級損傷為合格可繼續使用；三級損傷應報廢，從使用中更換；二級損傷一般與制造廠聯系，進一步確診：修復后使用還是繼續使用，也有可能經進一步檢測，判定為一級或三級，即可繼續使用或判廢。

5　對復合材料氣瓶工作的意見

　　（1）制定標準：目前各制造企業都是參照國際標準或國外同類產品標準制訂企業標準，在要求和掌握的尺度上難免出現小的差異，應在有關廠家生產實踐的基礎上，參照國際標準和國外先進標準制定標準。
　　（2）規范復合氣瓶的應力分析工作：不論是國際標準還是國外同類標準，以至目前各廠的企業標準，對復合氣瓶的設計都要求進行應力分析。根據質量監督檢驗檢疫總局對“鍋爐壓力容器制造許可條件”中的要求，型式試驗前，設計文件需經過鑒定；在“鍋爐壓力容器制造許可工作程序”中規定，有型式試驗要求的產品，應在工廠檢查前審查有關設計文件、圖紙。正確合理的應力分析也是氣瓶設計合格的先決條件。因此建議統一規范此項工作，有利于復合材料氣瓶的規范統一。

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