CN103148340B - 一种钢丝缠绕结构的高压气瓶 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高压气瓶200，用于储运压力较高的工业气体及各种燃气。其结构包括：金属内胆201以及高强度钢丝缠绕层202，所述高强度钢丝层202由单股或多股高强度钢丝连续地缠绕在金属内胆的外表面上，(钢丝的强度极限大于3500MPa，单丝直径小于0.3mm，含碳量大于0.7％)采用内胆自增强的方法，可使内胆产生预压应力，可降低内胆工作时的切向拉应力；并保持钢丝层不发生拉断破坏。确保了气瓶能承受很高的工作压力(超过25MPa、可达到35～70MPa)；由于钢丝层和内胆材料的弹性模量相同或相近，表现出更长的疲劳寿命；在内胆出现裂纹时，钢丝层缓解了内胆裂纹的扩展，不会引发爆裂，也提高了气瓶的使用安全性。

Description

一种钢丝缠绕结构的高压气瓶

技术领域

本发明涉及高压容器，特别是涉及一种用于储运压缩天然气(CNG)、压缩氢气和其他压缩工业气体的高压气瓶，其额定工作压力更适用于大于25MPa的场合。

背景技术

储运压缩天然气和其他工业气体的高压气瓶，开始阶段都采用无缝合金钢管(或无缝合金铝管)制造，经旋压和调质处理、制成为整体结构的无缝、非焊接容器(称为I型气瓶)。所述I型气瓶在满载工作时，其接近两端的圆筒形部位之内表面、是气瓶的危险截面，承受的切向拉应力最大。设计时的计算应力(如mises应力)应设置成小于材料的许用应力值。I型气瓶存在着突然爆裂的危险：内表面一旦出现裂纹时，其扩张的速度很快，很容易形成气瓶爆裂、甚至爆炸的恶性事故。因此，I型气瓶都采取：选用优质合金钢材料和加大安全系数的设计方法，并采取严格的质量控制和管理及严格的第三方监督措施，确保其安全性。这也导致了气瓶的自重很大。I型气瓶储存气体的压力一般不大于25MPa，储存气体的重量容积效率(容重比＝容积/自重)很低。

储运压缩天然气的I型高压气瓶、按用途可分为两类：车用气瓶和站用气瓶。车用气瓶是天然气车辆的燃料储存容器，I型CNG车用钢瓶遵循的标准为GB17258-1998/CNG《钢质无缝、气瓶》或ISO11439，额定工作压力为20MPa；站用气瓶是天然气加气站使用的储存容器，I型CNG站用气瓶遵循的标准是ISO11120，额定工作压力为25MPa。I型高压气瓶采用高强度合金结构 钢管作为原材料，经两端热旋压成形(不允许焊接)、整体淬火、高温回火、加工瓶口螺纹孔、抛丸清理内外表面、无损探伤、厚度测量检查、外表面涂覆防腐层等工序等，顺序进行加工；此外，还要对气瓶进行严格的检查和试验：工作压力1.5倍值(1.5P)的静水压下的保压试验；工作压力(P)下的气密性试验；批量产品抽检品(1/200)的静水压疲劳寿命试验(1.5P)；水压爆破试验(2.5P)；等等。才能确保出厂产品的质量、达到相关标准的要求。

在现用的高压气瓶中，还有三种复合结构的气瓶：都在气瓶内胆的外表面缠绕着增强纤维层，属于缠绕结构的高压气瓶，分别以II、III、IV型表述。也分车用气瓶(适用标准ISO11439)和站用气瓶(适用标准ISO11119)，一般均为中小型气瓶(其水容积不超过450升)。

II型气瓶是在钢质内胆外部的圆筒部位、环向缠绕着增强纤维层的复合材料气瓶，常见的是玻璃纤维环缠钢瓶(适用标准：车用瓶ISO11439或站用瓶ISO11119-1)，用于储存压力不大于25MPa的压缩天然气和一般工业气体；III型气瓶是在金属内胆外部的全部表面上、都缠有增强纤维层的复合材料气瓶(适用标准ISO11439和ISO11119-2)，品种有：玻璃纤维全缠钢瓶(不常用)、碳纤维全缠钢瓶(用于储存压力超过25MPa的CNG或其他工业气体)、以及碳纤维全缠铝瓶(用于储存压力35～70MPa的压缩氢气)。III型气瓶的价格比较昂贵，但储存气体的压力会比II型气瓶有显著提高；IV型气瓶是在非金属内胆外部的全部表面上、缠绕碳纤维增强层的复合材料气瓶，用于储存腐蚀性气体。其自重很轻，价格也比较昂贵。有些国家对非金属内胆的气瓶之气密性不甚放心，不允许使用；II、III、IV型三种气瓶都在内胆外表面缠绕着增强纤维层，都属于预应力结构的气瓶，该类气瓶内胆的制造过程和质量要求均和上述I型气瓶相同，仅在内胆外表面增加了缠绕层。气瓶在出厂前都要对内胆施加超过其屈 服强度极限的静水压自增强处理，使内胆和缠绕层贴合。水压解除后、内胆存有残余变形，造成缠绕层和内胆都产生预应力(内胆产生于压应力，缠绕层产生于拉应力)，这种方法称为内胆自紧。可抵消内胆满载工作时的一部分工作拉应力。因而都要比I型气瓶的自重为轻：II型钢瓶的自重相当于I型钢瓶的2/3；III型铝瓶和IV型气瓶的自重、只相当于I型钢瓶的1/3。

例如，图1显示了目前用于CNG运气车的I型高压气瓶100’(又称为长管气瓶)，其额定工作压力为25MPa，适用标准为ISO11120。所述I型高压气瓶100’在空载状态下，内胆101’不受力；满载状态下，在内胆101’危险截面的内表面上、承受较大的圆周切向拉应力。其失效方式为切向拉应力过大而引起的拉伸裂纹，裂纹出现在与气瓶母线平行的方向上(纵裂纹)。根据有关国际标准提供的计算方法：当气瓶100’的材质为4130X、工作压力为25MPa时，外径559毫米、长度11000毫米的气瓶，许用应力为880MPa。计算出的最小壁厚应为17.3毫米、装载水容积为2200升、自重为2845公斤。I型气瓶完全依靠材料本身的强度去保证其安全性，对材质和热处理的要求是很严格的；气瓶的长度方向装有安全装置，用于超压、超温时释放气体。气瓶长度超过1500毫米时，必须在气瓶两端装有安全装置。

例如，图2显示了另一种储存CNG的II型站用气瓶100”。额定工作压力为25MPa，气瓶长度为1955毫米，气瓶两端装有安全装置，装载水容积为200升，适用标准为ISO11119-1。所述II型气瓶100”包括：钢质内胆101”、以及环向缠绕在内胆101”外表面的玻璃纤维环氧树脂层102”，称为玻璃纤维环缠钢瓶。所述II型气瓶、经过自增强处理、可形成预应力状态：内胆101”在气瓶空载时承受预压应力，满载时，内胆的工作拉应力和预压应力相消减，可以改善其受力状态；外部增强玻璃纤维层能缓冲内胆裂纹的扩展，起到了防止 内胆突然爆裂的安全作用。计算所得的内胆壁厚为6.1毫米；选用的材质为30CrMo4；玻璃钎维环向缠绕层的厚度为10毫米；选用材料为浸渍了环氧树脂的玻璃钎维束；气瓶自重为173公斤；所述II型气瓶的自重要比同容积的I型气瓶减轻重量约1/3。

图3显示了另一种储存压缩氢气的III型车用气瓶100’”，额定工作压力为35MPa。所述III型气瓶100’”包括：铝合金内胆101’”、以及缠绕在内胆101’”外部全部表面的碳纤维缠绕层102’”，称为碳纤维全缠铝瓶。也是内胆自增强结构的预应力气瓶。所示III型碳纤维全缠铝瓶的公称容量为128公升，自重为67公斤，比同容积的II型气瓶还要减轻了约1/2的重量。由于气瓶的长度小于1500毫米，只需在气瓶的一端设置安全装置。

随着人类社会对于天然气、氢气、混合燃气等、车用气体能源需求的扩大，气瓶的额定工作压力也需要逐步提高：压缩氢气储气瓶的额定工作压力已经提高至70MPa；天然气(CNG)和加氢天然气(HCNG)等压缩混合燃气的储存工作压力也会要求提高到35MPa的等级。这样，才能确保使用气体燃料的汽车能够具有足够的持续行驶里程(应达到300公里以上)。这就要对高压气瓶提出新的要求，必须突破25MPa，达到更高一个档次35MPa。而目前，除了价格昂贵的III型碳纤维全缠铝瓶以外，尚无成本比较低廉的、能够大批量生产的其他高强度缠绕材料的气瓶问世，也就是还没有其他成本较低的高压气瓶问世。影响了车用气体燃料能源的推广和扩大使用，也影响了高压气瓶的技术进步。

由中华人民共和国国家知识产权局2012年08月08日发布的、授权公告(授权公告号为CN101936452B)中所提及的发明专利——《高压气瓶》(申请号为201010270692.3)，是近年米文献中出现的一种新结构高压气瓶(本人也是发明人之一)。文献提出了在缠绕过程中、用施加很大的预张力的方法， 将高强度钢丝缠绕在内胆外表面，可以设计出预应力结构的钢丝缠绕气瓶，可以提高气瓶的储存压力。但其对内胆施加预应力的方法与本发明有着明显的区别：前一项发明是通过在缠绕过程中、由钢丝直接对内胆施加足够的预压应力；而本发明在缠绕钢丝时、不对内胆施加预应力、需通过出厂前的内胆水压自增强处理、才使内胆产生预压应力；本发明可以充分利用气瓶制造工厂的现有装备和技术，可以简化钢丝束的缠绕工艺，能够比较简单、方便地设计制造出钢丝缠绕结构的高压气瓶。

应该说，在缠绕过程中施加预应力的钢丝气瓶和内胆自增强的钢丝缠绕气瓶都是高压气瓶的创新，都是利用高强度钢丝、这种价格低廉而又有很高强度的缠绕线材来制造高压气瓶的一种新颖的设计、制方法，都会促进高压气瓶的结构改进和技术进步。高强度钢丝是一种强度接近碳纤维、(但自重大于碳纤维)成本大大低于碳纤维的新型缠绕线材，是一种可以促进超高压气瓶(储存压力在25～35MPa)实现低成本和产业化的一项实用技术。

两种方法是各有优缺点的。预应力缠绕的优点是：能够精确设计和预判气瓶的应力状态，但是，缠绕钢丝的过程中遇到的工艺新问题较多，例如：钢丝束起头处、结尾处、断丝处的处理；还需要增添新结构的设备、才能实现缠绕过程中预应力的控制。自增强结构的优点是：工艺继承性好；无需处理缠绕过程中的工艺和质量问题；也无需增添新设备。但是，自增强的参数确定、需要比较深入的力学分析；所判结果需要通过气瓶的水压试验、经比较和修订后才能最终确定。

发明内容

有鉴于此，本发明需要提供一种高压气瓶，所述高压气瓶应能适 应更高的储存公称工作压力，(超过25MPa，达到35MPa)；还要具备低成本和实现大批量生产的条件，并要确保气瓶使用过程各个环节的绝对安全。

根据本发明的一方面，提供了一种高压气瓶，所述高压气瓶用于储运高压工业气体和各种高压燃气，包括金属内胆和钢丝缠绕层，所述缠绕层采用高强度钢丝(或钢带)的强度不小于3500MPa；所述高强度钢丝(或钢带)、单股或多股连续地缠绕在所述金属内胆的全部外表面，形成多层状的并行结构；所述气瓶在出厂前，要对金属内胆施以超过其屈服极限的静水压自增强处理，使内胆产生一定程度的、不可恢复的塑性变形；撤销水压后，气瓶的内胆和钢丝层之间就形成相耳平衡的预应力：内胆出现预压应力，钢丝层出现预拉应力。这种用高强度钢丝(或钢带)取代碳纤维作为增强缠绕层的超高压气瓶、除了钢丝缠绕层的重量大于碳纤维缠绕层的重量外，基本上没有其他缺点：也能在保证气瓶强度和安全的前提下，最大程度地减少内胆材料的使用量，实现更高的储存压力；成本则会大大降低；(当前高压气瓶用的碳纤维强度约为4000MPa，单价约为40美元/公斤；高强度钢丝强度为3500MPa，单价约为20元人民币/公斤)

本发明(一种钢丝缠绕结构的高压气瓶)可以明显地达到以下技术效果：

1、在现有I型钢瓶的外表面，通过增设钢丝缠绕层、所形成的钢丝缠绕III型气瓶，经内胆自紧后、可使气瓶所承受的工作压力从现有的25MPa提高到35MPa以上，用于提高I型钢瓶的储压潜力；

2、在气瓶额定工作压力无需提高的情况下(≤25MPa)，通过在其金属内胆外部增设钢丝环向缠绕层、所形成的钢丝环缠II型气瓶，经内胆自紧后、就可以和现有的玻璃纤维环缠钢瓶一样，具有相近的成本、达到相同的性 能和效果。而钢丝缠绕层的厚度会减少很多；结构会更加紧凑；表面能更加耐冲击和抗磨损；还可以明显提高气瓶的疲劳寿命。

3、在合金钢内胆外的全部表面上、都缠绕高强度钢丝(或钢带)、所形成的III型气瓶，经内胆自紧后、可以提高气瓶的额定工作压力值，达到35MPa以上。这种新设计的高压气瓶、可用于储存各种高压工业气体、高压天然气CNG或高压混合燃气HCNG，可提高其储存效率。

4、在铝合金内胆外的全部表面上、都缠绕高强度钢丝(或钢带)、所形成的III型气瓶，经内胆自紧后、可以提高气瓶的额定工作压力值，达到35MPa。可用于储存高压氢气或高压轻质气体，还可用于对气瓶的重量有严格限制的场所。

5、由于钢丝缠绕层和金属内胆的弹性模量相近，本发明所述之气瓶具有更高的承受压力疲劳能力，能适应充气、放气反复变化的环境，允许气瓶有较长的设计寿命。

6、由于缠绕工艺和自紧工艺和现有的II、III型气瓶相同，无需对设备和工艺作重大的改造，便可产出新型产品。为这类新品的试制和批量投产提供了条件。

另外，根据本发明制造出的高压气瓶、还具有以下的附加技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述钢丝材料的强度远高于玻璃钎维，接近碳纤维，可达到3500MPa，而成本却可以大为降低；

根据本发明的一个实施例，所述钢丝的含碳量不小于0.7％，可通过冷拔提高强度，直径越细、强度越高；

根据本发明的一个实施例，所述钢丝的截面为带圆角的矩形、正 方形或圆形及扁圆形；

根据本发明的一个实施例，所述钢丝的直径或钢带厚度不大于0.3毫米；

根据本发明的一个实施例，所述钢丝(或钢带)在缠绕过程中，无需对钢丝施加很大的预张力，属于非预应力缠绕。

根据本发明的一个实施例，所述金属内胆被施加的预压应力，应控制在高压气瓶满载工作时、内胆内壁的危险截面上所产生的合成切向拉应力，不致出现造成内胆失效的裂纹；

根据本发明的一个实施例，所述金属内胆被施加的预压应力，应控制在高压气瓶空载时、内胆不致出现屈曲失稳状态。

根据本发明的一个实施例，所述钢丝(或钢带)缠绕层的层与层之间是并行结构，外层压着内层；最外层钢丝(或钢带)设有防止其断裂后致使附近钢丝(或钢带)松弛的措施；

根据本发明的一个实施例，所述钢丝采用大批量生产的工业化产品，其性能应可靠而稳定，断丝率很低、并可在缠绕前修补。能确保气瓶缠绕过程的稳定性，因而确保了气瓶的质量。

附图说明

本发明的上述/或附加的方面和优点、从结合下面附图，对实施例的描述中、将变得明显和容易理解，其中：

图1显示了现有整体结构的、两端都设有安全装置的I型钢质高压气瓶的剖视图；

图2显示了另一现有玻璃纤维环缠、钢质内胆结构、两端设有安 全装置的II型高压气瓶的剖视图；

图3显示了另一现有碳纤维全缠、铝合金内胆、一端设有安全装置的III型气瓶的剖视图；

图4显示了根据本发明的一个实施例的钢丝全缠、钢内胆、两端设有安全装置的III型气瓶的内胆受力和气瓶结构剖视图；

图5显示了根据本发明的另一个实施例的钢丝全缠、铝内胆、一端设有安全装置的III型气瓶的剖视图；

图6显示了根据本发明的另一个实施例的III型气瓶之钢丝圆周方向环形缠绕的局部示意图；

图7显示了根据本发明的另一个实施例的III型气瓶之钢丝轴向缠绕的局部示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号、标示着相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例型的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，“内侧”、“外侧”、“纵向”、“环向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示方位或位置的术语为基于附图所示的方位和位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是要求本发明必须以特定的方位去构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。

在下面的叙述中，将以储存压缩天然气(CNG)的高压气瓶来进行详细的说明，但是需要理解的是，本发明的高压气瓶还可以用于储存压缩氢气、 压缩混合燃气和其他压缩工业气体，由此，此处的“压缩天然气”仅出于示例之目的，而不能理解为限制本发明的保护范围。本发明的高压气瓶的保护范围应由所附权利要求进行限定。

本发明的构思如下。提出了一种在金属内胆的全部外表面上、增加了由高强度钢丝全缠绕的增强层、(纵向缠绕及环向缠绕)所形成的III型高压气瓶。通过对金属内胆施以超过其屈服极限的静水压自增强处理，使内胆产生一定程度的、不可恢复的塑性变形；撤销水压后，由于内胆的残余变形、使气瓶的内胆和钢丝层之间形成可相互平衡的预应力：所述高压气瓶空载时，内胆要承受钢丝层所施加的、具有一定预值的、切向压应力和轴向压应力；钢丝层则承受一定数值的预拉应力；当气瓶满载时，内胆内壁的切向应力是工作拉应力和预压应力的叠加值，要确保其仍在内胆材料的许用应力范围内，因此不会失效；满载时，钢丝层的拉应力虽然也在增加，也仍在钢丝允许的弹性变形的范围内，因此也不会失效；因而确保了气瓶能比钢制I型气瓶、和玻璃纤维环缠结构的II型钢瓶、承受更高数值的储存压力，扩大了气瓶的适应范围，并提高了气瓶的疲劳寿命。也会比碳纤维全缠结构的III型气瓶有更低的成本，(但会行更大的缠绕层自重)为储存压力达到35MPa的高压气瓶提供了一种低价实用的创新产品。

下面将参照附图来说明本发明一个实施例的高压气瓶100，其中图4显示了根据本发明的一个实施例的钢丝全缠、钢内胆结构的III型气瓶100的受力和结构剖视图；图5显示了根据本发明的另一个实施例的钢丝全缠、铝内胆结构的III型气瓶200的剖视图；图6显示了根据本发明的另一个实施例的III型气瓶之环向钢丝缠绕层局部示意图；图7显示了根据本发明的另一个实施例的III型气瓶之纵向钢丝缠绕层局部示意图。

根据本发明的一个实施例，如图4中所示，所述高压气瓶100包括：钢质内胆101；以及钢丝(或钢带)缠绕层102，所述气瓶缠绕层102采用高强度钢丝(或钢带)，其含碳量大于0.7％、直径不大于0.3毫米、强度不小于3500MPa；所述高强度钢丝或钢带102、单股或多股连续地缠绕在所述金属内胆101的全部外部表面上，形成多层状的并行结构；所述气瓶在出厂前，要对金属内胆101施以超过其屈服极限的静水压自增强处理，使缠绕层和内胆紧密贴合，并使金属内胆101产生一定程度的、不可恢复的塑性变形；撤销水压后，气瓶的内胆101和钢丝层102之间就形成了可相耳平衡的预应力：内胆101产生预定值的压应力，钢丝层102产生预定值的拉应力。所述内胆压应力的预定值和所述钢丝层拉应力的预定值、均能确保气瓶在满载工作时、内胆和钢丝层不会失效，从而确保了气瓶承受更高的储存压力值。

图4中示出了内胆101的三向应力，根据计算方法，(例如Mises应力)可由下述的三个主应力来获得：

$\sqrt{\frac{{({\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_2)}^2+{({\mathrm{\σ}}_2-{\mathrm{\σ}}_3)}^2+{({\mathrm{\σ}}_3-{\mathrm{\σ}}_1)}^2}{2}}\⊥$

其中σ1、σ2、σ3分别为三向主应力：σ1为圆周切向拉应力、σ2为圆周径向压应力、σ3为轴向拉应力。只要满载时、钢内胆101的该计算应力值不大于材料的许用应力值，内胆就不会失效；同样的，只要所述钢丝层102满载时所受的拉应力值不大于高强钢丝的许用拉应力值，钢线层也就不会失效。

还要计算自增强处理时的各项工艺参数，如自增强水压值(应超过材料的屈服极限)、保压时间，撤销水压后内胆在的残余变形、钢丝层由此引起的预拉应力、内胆的预压应力，并要对自增强水压数值进行优化。还要核算气瓶空载时、确保内胆不会屈曲失稳的条件。等等。

总之，通过对气瓶内胆和钢丝缠绕层的力学分析和计算，是能够确定钢丝层的厚度和内胆厚度的；还能够确定内胆自增强的水压数值和设定内胆的预压应力值；这就为设计和预判高压气瓶的储存压力、以及根据工作压力去设计气瓶的尺寸、提供了科学的依据。

根据本发明的一个实施例，所述内胆101和所述钢丝缠绕层102的材料弹性模量值和热线胀系数值相等，可以保证金属内胆和钢丝缠绕层的变形一致性和连续性，确保内胆和钢丝层始终紧密贴合，减少了缠绕层的应力衰减，因而可以提高气瓶的疲劳寿命。

所述高压气瓶100之钢丝缠绕层102的外表面上、可多缠绕一层钢丝束，用以保护内部的有效钢丝缠绕层。也可以缠绕一层玻璃钎维，实施保护。

所述气瓶之钢丝强度极高、成本较低、性能稳定。系由工业化、大批量生产条件制备的产品。钢丝由含碳量超过0.7％的低合金钢或碳钢制成，强度极限大于3500MPa，横截面为带圆角的矩形、正方形或圆形及扁圆形，钢丝直径不大于0.3毫米。由此增强的气瓶既能承受高压力(达到35MPa、甚至更高)、又能具有低成本，还能具备稳定性。

根据本发明的另一个实施例，如图5所示，所述高压气瓶200包括：铝合金内胆201；以及内胆外部的全部表面由单股或多股钢丝(或钢带)连续缠绕而成的钢丝缠绕层202；简称为钢丝全缠III型铝瓶。由于所述内胆201为合金铝，经内胆自紧后，可产生切向和轴向预压应力，改善了其满载时的受力状态，可以承受比较高的储存压力，而且重量很轻，比较适合应用于对减轻重量有要求的场合；而且由于内胆不怕氢气腐蚀，更适合于应用于储存压缩氢气的气瓶。

所述钢丝缠绕气瓶和碳纤维全缠铝瓶相比较时，所述的钢丝缠绕层自重较大，会增加气瓶的总重量。(只要所述气瓶的重量不超过车辆规定的最大限值——不超过乘用车辆自重的5％，仍然是允许使用的)但却大大降低了制造成本。

下面说明形成所述钢丝缠绕层的方法。缠绕前必须做好整备工作：先将符合要求的钢丝束以多股排列的方式、按螺旋线递进，环向连续地卷绕在滚筒上；卷绕时如发现钢丝有断丝或断头，可用搭接钎焊的方法修补；整备好的滚筒才是缠绕钢丝层的存储仓，才能顺利地、源源不断地、用多股钢丝束对内胆进行连续缠绕；由于多股钢丝束有一定的刚性，缠绕时必须施加一定的张力，绷紧钢丝束，才能正常进行；为了形成丝与丝、层与层之间的并行结构，采用环氧树脂浸渍的方法，将层与层、丝与丝之间的钢丝粘接和隔离开米，最后固化定形。也可以采用其他粘接剂浸渍的方法来实现钢丝缠绕层的并行结构。但不允许在气瓶内胆上钻孔、套扣和用焊接的方式将钢丝固定在内胆的外表面上的加工方法，因为它会影响内胆的机械性能。

图6显示了根据本发明的另一个实施例、III型气瓶之钢丝环向缠绕层局部示意图。所述环形钢丝缠绕层是整体缠绕层的一部分，其作用在于内胆自增强处理后，可对内胆的圆周切线方向施加足够的预压应力，用以改善内胆在切线方向的受力状态。如果在气瓶内胆的外部只设有环形钢丝缠绕层，这种气瓶就是II型气瓶。可用于储存压力不大于25MPa的气瓶。其性能、成本和工艺均和现有的玻璃钎维II型气瓶相当，但疲劳寿命则会超过玻璃钎维缠绕的气瓶。

图7显示了根据本发明的一个以及另一个实施例的III型气瓶之钢丝纵向缠绕层局部示意图。所述纵向缠绕层是整体缠绕层的一部分，其作用在 于内胆自增强处理后，可对内胆的轴线方向施加足够的预压应力，用以改善内胆在轴线方向的受力状态。所述纵向钢丝缠绕层的设置十分必要：如果没有纵向缠绕层、就不能形成III型气瓶；只有形成了III型气瓶，才能根据有关标准的规定，免除对II型气瓶所必须进行的“内胆水压爆破试验”——内胆必须通过1.3倍工作压力的水压爆破试验。因此，在相同的内胆尺寸条件下，全缠绕结构的III型气瓶可以比同容积的II型气瓶承受更大的储存压力。必须充分利用标准上的这个免责条件，设计出承受压力更高的气瓶。

本发明是能够促进气瓶设计、制造技术发展的一项创新，可以比现有的玻璃纤维缠绕和碳纤维缠绕结构的气瓶、表现出较大的技术优势：通过在金属内胆外表面全缠绕弹性模量数值相同或相近的高强度钢丝，在技术上更合理，工程上更可行。这是因为：玻璃纤维和碳纤维层与金属内胆的弹性模量值相差较大，造成了内胆相对于缠绕层的刚度太大，无法构成理想的预应力筒体结构，只能实现对气瓶结构的有限改进，突出的表现就是：玻璃钎维缠绕气瓶和碳纤维缠绕气瓶的疲劳寿命很低，(钢丝缠绕结构的机械构件之疲劳寿命约为几十万次到几百万次，而纤维缠绕的气瓶之疲劳寿命只有几万次。两者相差了一两个数量级之多)缠绕层的预应力衰减很显著，必须加以改善。这个预测的效果将会在该新产品试制定型过程中的水压疲劳试验中去证实。这也是该创新设想的一种必要的、可靠的检验方法。该发明的目标是使其水压疲劳试验的寿命值达到目前标准的最高值——4.5万次。从理论上分析，这个目标是可以实现的。

本发明表现出的优势还在于：相对于玻璃纤维缠绕的气瓶而言，钢丝缠绕气瓶可以承受25MPa以上至35MPa的储存压力，而玻璃钎维缠绕气瓶则很难达到35MPa；对25MPa以下的气瓶，两者制造工艺相近，制造成本相同， 同容量的两种气瓶的基本重量相同；(内胆重量完全相同；缠绕层的重量相当)疲劳寿命有很大差距。相对于碳纤维产绕的结构而言，钢丝缠绕气瓶的最大优势在于可以大大降低制造成本，为超高压气瓶产业化和扩大应用提供了可能。其缺点则是：钢丝缠绕层要比碳纤维缠绕层增加较多的重量，可能达到3～4倍之多。但是，气瓶的钢丝缠绕层的厚度相对较小，所占重量仅为气瓶的20～40％，所增重量相对较少，却可以把储存压力提高到35MPa。大大提高了天然气车辆的持续行驶里程，提升了CNG产业的整体效率，不失为一种实用的创新产品；

钢丝缠绕气瓶要能最终成功地应用在压缩天然气行业之中，还必须能够通过有关标准规定的试验要求和设计规范，才能通过产品定型鉴定。其中最重要的就是水压爆破试验、水压疲劳试验和设计安全系数这三项。

根据相关标准，水压爆破试验要求：通过鉴定的气瓶之水压爆破压力大于工作压力的2.5倍；水压疲劳压力试验要求：通过鉴定的气瓶之压力等于工作压力的1.5倍、试验寿命应超过标准规定的小时数；设计安全系数也应符合有关标准的规定值。内胆材料的许用应力值不得大于950MPa、钢丝束强度应为钢丝束许用应力的1.6～1.8倍。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”“另一个实施例”“示例”等一些描述，意指结合该实施例描述的具体特征、结构、材料或特点包含在本发明的至少一个实施例之中。在本说明书中，上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，所描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何一个或多个实施例中结合。

尽管已经示出和描述了实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明原理和宗旨的情况下、可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种高压气瓶，所述高压气瓶用于储运压力大于25MPa的工业气体，其特征在于包括一个具有预压应力的金属内胆，以及具有预拉应力的钢丝或钢带缠绕层；所述钢丝或钢带缠绕层由单股或多股高强度细钢丝或薄钢带连续地缠绕在所述金属内胆的外表面，形成多层状的且并行结构的加强层；即所述钢丝形成的缠绕加强层的丝束与丝束之间及层与层之间用粘接剂浸渍后，形成并行结构；所述缠绕层钢丝之间互相粘接，外层压着内层，最外层钢丝或钢带设有防止其断裂后致使附近钢丝或钢带松弛的措施，不致使附近钢丝或钢带松弛；所述钢丝缠绕时，形成既有圆周环向缠绕层又有轴向缠绕层，可以对气瓶内胆施加轴向及切向的两个方向的约束和增强，全面改善内胆的受力状态；

所述钢丝的直径小于0.3毫米；

所述钢丝的强度大于3500Mpa；

所述钢丝或钢带的横截面为扁圆形、圆形、带圆角的正方形、带圆角的矩形、带圆角的梯形中的一种；

所述气瓶内胆的材料为低合金结构钢或铝合金，钢丝层材料则为含碳量超过0.7％的高碳钢或高碳低合金钢；内胆材料和缠绕层材料的弹性模量相同或相近；所述金属内胆的预压应力与所述钢丝或钢带缠绕层的预拉应力产生于金属内胆的预处理过程中；

所述预处理过程为，在缠绕过程中，只需对钢丝施加很小的缠绕张力，并伴以浸渍粘接剂，使之紧密地贴合在气瓶内胆的外表面上，在出厂前，对气瓶的金属内胆施以超过其屈服极限的静水压自增强处理，使内胆发生一定程度不可恢复的塑性变形，撤销水压后，气瓶的内胆和钢丝层之间便形成相互平衡的预应力：内胆出现预压应力，钢丝层出现预拉应力。

2.根据权利要求1所述的高压气瓶，其特征在于，所述金属内胆被施加的预压应力应控制在：高压气瓶满载工作时，其内胆内壁所产生的最大切向拉应力，不会造成内胆的破裂失效；高压气瓶空载时，内胆不致出现屈曲失稳。

3.根据权利要求1所述的高压气瓶，其特征在于，所述缠绕层由钢丝或钢带预先呈单股或多股状连续卷缠在滚筒上，再通过滚筒将此单股或多股钢丝或钢带缠绕在气瓶内胆的外表面上，卷缠时如发现钢丝或钢带断裂，允许采用焊接方法钎焊搭接修补。

4.根据权利要求1所述的高压气瓶，其特征在于，由上述材料制成的高压气瓶能承受35MPa的储存压力。