CN107339599A - 一种非金属内胆全缠绕复合气瓶及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于压力气瓶机械领域，公开了一种非金属内胆全缠绕复合气瓶及其制造方法。所述气瓶包括：非金属内胆组件(1)和复合材料层(6)，其中非金属内胆组件(1)包括非金属内胆(2)和阀座组件(3)，所述复合材料层(6)通过全缠绕方式缠绕在非金属内胆(2)的外表面上，所述阀座组件(3)包括金属阀座(4)和非金属阀座衬套(5)，所述金属阀座(4)与非金属阀座衬套(5)注塑成型，所述非金属阀座衬套(5)与非金属内胆(2)熔接在一起。本复合气瓶满足合理的应力分布，保证复合气瓶具有持久的良好气密性能和安全性能。

Description

一种非金属内胆全缠绕复合气瓶及其制造方法
技术领域
本发明属于压力气瓶机械领域，涉及复合气瓶及制造技术；特别涉及一种非金属内胆全缠绕复合气瓶及其制造方法。
背景技术
矿石开采、金属冶炼生产能力过剩，过度消费能源造成大气污染和污染环境。限制该类产业的发展势在必行，因此采用替代金属制品且更加节能环保的复合材料应运而生。
在压力气瓶领域，现有技术中的钢质气瓶或钢质内胆环向缠绕气瓶重量大，铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶成本高、应用范围窄，均存在较大的局限性。与此相对的，非承压内胆全缠绕复合气瓶由于其先进的技术特性以及先进的加工技术和材料，具有安全性能高、重量轻、耐腐蚀、成本低等特点，已成为气瓶的发展趋势，市场应用需求也愈发广阔。
非承压内胆全缠绕复合气瓶，主要用于盛装压缩气体和液化气体，这类容器通常由非承压内胆，复合纤维缠绕层，阀座组件三部分组成。非承压内胆设计及制造主要有两种：一种是非承压的金属内胆，由于非承压的金属内胆易腐蚀，寿命低等特点，该类产品不利于推广发展；另一种是非承压的非金属内胆，非金属内胆具有耐腐蚀强，使用寿命长等特点，但是处理与金属的接口以及复合缠绕层的连接是技术难点。
发明内容
为了解决背景技术中存在技术问题，本发明采用一种非金属内胆全缠绕复合气瓶的设计技术以及提供一种新颖的一种非金属内胆全缠绕复合气瓶制造方法。用此设计技术和制造方法制作的复合气瓶具有质量高、重容比小(重量/容积)、耐腐蚀性能好以及环保等优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供了一种非金属内胆全缠绕复合气瓶，包括：非金属内胆组件(1)和复合材料层(6)，其中非金属内胆组件(1)包括非金属内胆(2)和阀座组件(3)，所述复合材料层(6)通过全缠绕方式缠绕在非金属内胆(2)的外表面上，所述阀座组件(3)包括金属阀座(4)和非金属阀座衬套(5)，所述金属阀座(4)、与非金属阀座衬套(5)注塑成型，所述非金属阀座衬套(5)与非金属内胆(2)熔接在一起，所述金属阀座(4)口部(11)设有连接机构。所述连接机构可为阀门连接螺纹。
优选地，本发明所述非金属内胆全缠绕复合气瓶，还包括保护涂层(7)和/或装饰材料层，所述保护涂层(7)或装饰材料层设于复合材料层(6)外表面，当同时包含保护涂层(7)和装饰材料层时，装饰材料层设于保护涂层(7)外表面。
优选地，所述复合材料层(6)中的复合材料由树脂体系与纤维材料组成，所述树脂基体为环氧树脂、固化剂以及助剂中的一种或多种，所述纤维材料为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维中的一种或多种。
优选地，所述复合材料中，树脂体系的质量百分比为：环氧树脂50％～62％、固化剂37.5％～49.5％、其它促进剂0.5％～4％。
优选地，本发明所述非金属内胆全缠绕复合气瓶中，所述非金属内胆(2)和/或非金属阀座衬套(5)由HDPE、PP加工而成；所述金属阀座(2)由不锈钢或其他合金材料加工而成；所述保护涂层材料为光敏树脂。
本复合气瓶满足合理的应力分布，保证复合气瓶在使用最小的纤维用量条件下能承受最大的爆破压力，具有持久的良好气密性能和安全性能。缠绕层中的树脂材料使得内胆与纤维复合材料紧密地粘结在一起，解决了现有复合气瓶充放气时金属内胆与复合材料界面开裂以及金属表面易腐蚀的问题。采用本发明制作的该复合气瓶具有质量高、重容比小(重量/容积)、耐腐蚀性能好、环保以及制造成本低等优点，有很广的应用和市场前景。
本发明还提供了一种制造前述非金属内胆全缠绕复合气瓶的制造方法，包括：
制造非金属内胆(2)的步骤；
制造阀座组件(3)的步骤；
将非金属内胆(2)与阀座组件(3)熔接的步骤；
将复合材料层(6)全缠绕与非金属内胆(2)外表面上的步骤。
优选地，所述制造非金属内胆(2)的步骤通过以下方式实现：
(一)材料选型，根据非金属内胆的设计要求选取HDPE(高密度聚乙烯)颗粒原料，按照技术要求检验材料的颗粒大小，确认材料组分；
(二)吹塑成型，将HDPE原料加热熔融后，通过吹塑成型、切除尾料得到非金属内胆(2)，其外径尺寸的偏差为1％，筒体段壁厚偏差为±0.2mm；
优选地，制造阀座组件(3)的步骤通过以下方式实现：
(一)金属阀座(4)由不锈钢、低合金钢、高强度钢或铜制成；
(二)非金属阀座衬套(5)由HPDE制成，HPDE原料和色素混合后，将金属阀座(4)嵌入注塑模型中，通过注塑工艺将非金属阀座衬套(5)注塑嵌入金属阀座中，并形成设计要求的尺寸。
优选地，将非金属内胆(2)与阀座组件(3)熔接的步骤通过以下方式实现：
非金属内胆(2)设有接合面(9)，所述阀座组件(3)中的非金属阀座衬套(5)设有非金属接触面(8)，通过熔焊的设备将阀座组件的非金属接触面(8)与非金属内胆的接合面(9)焊接，实现内胆的与阀座的紧密密封连接。
优选地，将复合材料层(6)全缠绕与非金属内胆(2)外表面上的步骤通过以下方式实现：将玻璃纤维或碳纤维通过配有树脂基体的胶槽浸入后，通过一定的张力全缠绕方式缠绕在内胆组件上，其中树脂基体含有环氧树脂、固化剂、促进剂质量比例为：环氧树脂50％～62％、固化剂37.5％～49.5％、其它促进剂0.5％～4％；浸胶后的纤维通过环向和带角度的纵向缠绕全缠绕方式，根据所承受压力的大小，决定缠绕层数和缠绕的顺序，缠绕过程中，需要保持非金属内胆组件(1)为0.6～0.9MPa的压力。
优选地，本发明所述非金属内胆全缠绕复合气瓶的制造方法，还包括对所述的全缠绕后的复合气瓶进行固化步骤，对全缠绕复合气瓶加热至100～120℃，保温120～130分钟，出炉后自然冷却。
本发明所述非金属内胆全缠绕复合气瓶的制造方法，还可包括：添加保护涂层(7)的步骤，所述保护涂层(7)为一种光敏树脂，通过射线照射固化到所述复合材料层(6)外表面。
优选地，本发明所述非金属内胆全缠绕复合气瓶的制造方法，还包括添加装饰材料层的步骤，所述装饰材料层设于保护涂层(7)外表面。
本发明所述非金属内胆全缠绕复合气瓶的制造方法，还可以包括：耐压试验的步骤：
将固化完的复合气瓶进行水压试验，水压试验压力按照设计的要求进行，一般选择1.5倍的工作压力进行保压测试。逐只测量复合气瓶的膨胀量，检查复合气瓶的变形情况和密封情况。具体检测要求如下：
(1)该复合气瓶的膨胀量不超整批气瓶膨胀量平均值的10％；
(2)该复合气瓶无明显变形；
(3)保压过程至少30s内不掉压，无渗漏现象。
本发明所述非金属内胆全缠绕复合气瓶的制造方法，还可以包括：对所述复合气瓶成品进行气密检测以及成品检验的步骤。
本发明所述技术方案，至少具备以下显著特点：
(1)本发明采取HDPE原料，并通过吹塑的方法，在切换容积规格时只需改变模型工装尺寸而不需要投入更多设备。
(2)采用本发明制作的非金属内胆全缠绕气瓶具有质量高、重容比小、尺寸精度高、耐腐蚀和环保等特点。
(3)本发明的内胆阀座熔接、全缠绕、特殊固化等方法能确保非金属内胆与复合层的紧密连接，保证产品满足压力循环试验以及爆破试验等等性能要求。
(4)本发明制作非金属内胆筒体段壁厚均匀，壁厚公差小。
附图说明
图1为本发明所述非金属内胆全缠绕复合气瓶结构示意图一；
图2为非金属内胆全缠绕复合气瓶结构示意图一的I部分放大图；
图3为非金属内胆全缠绕复合气瓶结构示意图一的II部分放大图；
图4为本发明所述非金属内胆全缠绕复合气瓶结构示意图二；
图5为本发明所述非金属内胆全缠绕复合气瓶结构示意图二III部分放大图。
附图标记：
1、非金属内胆组件，2、非金属内胆，3、阀座组件，4、金属阀座，5、非金属阀座衬套，6、复合材料层，7、保护涂层，8、阀座组件的非金属接触面，9、非金属内胆的接合面，10、非金属内胆的外表面，11、金属阀座口部。
具体实施方式
为了使本发明技术方案更容易理解，现结合附图采用具体实施例的方式，对本发明的技术方案进行清晰、完整的描述。应当注意，在此所述的实施例仅为本发明的部分实施例，而非本发明的全部实现方式，所述实施例只有示例性，其作用只在于为审查员及公众提供理解本发明内容更为直观明了的方式，而不是对本发明所述技术方案的限制。在不脱离本发明构思的前提下，所有本领域普通技术人员没有做出创造性劳动就能想到的其它实施方式，及其它对本发明技术方案的简单替换和各种变化，都属于本发明的保护范围。
如图1和图2所示，本发明所述非金属内胆全缠绕复合气瓶，包括：非金属内胆组件(1)和复合材料层(6)，其中非金属内胆组件(1)包括非金属内胆(2)和阀座组件(3)，所述复合材料层(6)通过全缠绕方式缠绕在非金属内胆(2)的外表面上，所述阀座组件(3)包括金属阀座(4)和非金属阀座衬套(5)，所述金属阀座(4)、与非金属阀座衬套(5)注塑成型，所述非金属阀座衬套(5)与非金属内胆(2)熔接在一起，所述金属阀座(4)口部(11)设有连接机构。所述连接机构可为阀门连接螺纹。
本发明所述非金属内胆全缠绕复合气瓶，还包括保护涂层(7)所述保护涂层(7)设于复合材料层(6)外表面。
所述复合材料层(6)中的复合材料由树脂体系与纤维材料组成，所述复合材料中，树脂体系的质量百分比为：环氧树脂50％～62％、固化剂37.5％～49.5％、其它促进剂0.5％～4％。
本发明所述非金属内胆全缠绕复合气瓶中，所述非金属内胆(2)和非金属阀座衬套(5)由HDPE、PP加工而成；所述金属阀座(2)由不锈钢加工而成；所述保护涂层材料为光敏树脂。
一种非金属内胆全缠绕复合气瓶及其制造方法。该非金属内胆全缠绕复合气瓶包括：一个非金属内胆组件(1)、复合材料缠绕层(6)以及外表面保护涂层(7)。其中非金属内胆组件(1)是由非金属内胆(2)和阀座组件(3)熔接组成；该复合缠绕层包含有树脂体系、玻璃纤维或碳纤维。该复合缠绕层通过全缠绕方式缠绕在非金属内胆的外表面上，且通过复合材料中树脂基体与内胆在一定压力下的紧密结合，经特殊的固化处理后能紧密粘接成一体。实现该复合气瓶的方法与步骤如下：
1、选材
根据设计选取合适的HDPE颗粒作为内胆和阀座衬套的原料，并按标准验证其尺寸和性能参数。
根据设计选取合适的纤维(玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维)、树脂体系(环氧树脂、固化剂以及助剂)，并按标准验证各项产品性能。
2、通过吹塑机将内胆制成设计要求的尺寸，通过切掉余料，形成非金属内胆(2)。
3、将加工好螺纹的金属阀座(4)镶入注塑模型中，将混合好的原料通过注塑方式嵌入金属阀座(4)而形成非金属阀座衬套(5)，从而组成阀座组件(3)。
4、将阀座组件的非金属接触面(8)通过熔焊的设备与非金属内胆的接合面(9)焊接，实现内胆的与阀座的紧密密封连接.
5、对内胆组件逐只进行称重，并进行密封检测，利用气密工装与金属阀座的口部(11)相连，充入0.8～1.0MPa的压力，检测内胆的密封性。
6、将带有压力的内胆置于全缠绕设备上，进行设计规定的线型缠绕。
对所述的将内胆进行复合缠绕工艺的方法如下：
6.1树脂基体的配置，将含有环氧树脂、固化剂、其它助剂(如促进剂和消泡剂等)按比例(环氧树脂50％～62％、固化剂37.5％～49.5％、其它促进剂0.5％～4％)搅拌均匀。
6.2浸胶后的纤维通过环向和带角度的纵向缠绕全缠绕方式，根据所承受压力的大小，决定缠绕层数和缠绕的顺序。
7、将缠绕完成后的气瓶进行固化处理。
对所述的全缠绕后的复合气瓶进行固化的方法为：对全缠绕复合气瓶加热至100～120℃，保温120～130分钟。出炉后自然冷却。
8、耐压试验
将固化完的复合气瓶进行水压试验，水压试验压力按照设计的要求进行，一般选择1.5倍的工作压力进行保压测试。逐只测量复合气瓶的膨胀量，检查复合气瓶的变形情况和密封情况。具体检测要求如下：
8.1该复合气瓶的膨胀量不超整批气瓶膨胀量平均值的10％；
8.2该复合气瓶无明显变形；
8.3保压过程至少30s内不掉压，无渗漏现象。
9、对所述复合气瓶成品进行气密检测。向瓶内充入干燥的气体，压力升至工作压力，保压120s，无泄漏合格。
10、根据技术要求，在复合气瓶外表面涂刷光敏树脂，通过紫外线等方式照射固化。
11、对所述复合气瓶成品进行成品检验。成品检测的内容如下：
11.1复合气瓶的圆度偏差不超过该截面平均外径的2％。
11.2复合气瓶筒体的外径偏差不得超过公称外径的±2％。
11.3复合气瓶长度公差±3mm。
为了进一步说明本发明技术方案，现以公称容积20L，规格(非金属内胆)，(缠绕复合层)气瓶为例，进行具体说明。
选用HDPE为内胆原材料，高强度玻璃纤维与树脂基体组合复合层、光敏树脂为保护层材料。经内胆吹塑成型、注塑阀座组成焊接、缠绕、固化、水压、气密、紫外线照射等工序制成，具体工艺步骤如下：
1、选用HDPE料导入吹塑机。
2、选定注塑外模尺寸：封头为椭圆形，外模内表面清理干净，将加热熔融的HDPE原料导入模具内，通过气体压力吹扫装置吹塑成型。
3、使用切刀将上下端面的余料切掉。
4、将HDPE与金属阀座通过嵌入注塑工艺得到阀座组件。
5、将阀座组件熔焊在非金属内胆上形成内胆组件。
6、对内胆组件进行称重与外观检测。
的非金属内胆尺寸及参数控制范围为：吹塑后的壁厚公差为±0.2mm，内胆重量为800g。
7、混合配置树脂基体(环氧树脂55％，固化剂44％，消泡剂与促进剂1％)。
8、高强度玻纤通过下表的缠绕工艺参数缠绕：
缠绕时保证复合气瓶内部压力0.6～0.9MPa，单股纤维的平均张力T＝10～20(N/股)，并在缠绕过程中精准控制树脂基体和纤维的体积含量Vf＝0.65～0.85。
10、缠绕完后的复合气瓶进入固化炉进行固化处理，固化温度110℃±10℃，保温120～180分钟，然后出炉自然冷却。固化过程中保持复合气瓶内部压力为0.6～0.9MPa。
11、对气瓶进行气密检测，向瓶内充入干燥的气体，压力升至工作压力，保压120s，无泄漏合格。
12、在复合气瓶外表面涂刷光敏树脂，通过紫外线等方式照射固化。
13、对复合气瓶成品进行成品检验。成品检测的内容如下：
13.1复合气瓶的圆度偏差不超过该截面平均外径的2％。
13.2复合气瓶筒体的外径偏差不得超过公称外径的±2％。
13.3复合气瓶长度公差±3mm。
根据上述步骤制作处容积为20L、工作压力为2.0MPa的非金属内胆全缠绕复合气瓶。其设计制造的复合气瓶爆破的最小爆破压力为6.75MPa,与实际计算爆破压力7.5MPa非常接近。
综上，本发明设计制作的非金属内胆全缠绕复合气瓶的主要指标为：
重量w≤2.5kg。安全系数n＝3.375。疲劳循环次数N≥12000次(压力上限为3.0MPa)
以上所述仅为本发明的一种实施例，并非限制本发明的保护范围。采用本方法制作的非金属内胆全缠绕复合气瓶具有质量高、重容比小(重量/容积)、耐腐蚀性能好、环保以及制造成本低等特点，适合工业批量生产，具有极好的市场应用前景。
本发明所述技术方案中未明确说明的固定方式、连接方式等均为现有技术，本说明书未记载的内容，可以从现有技术中毫无疑问地推出，这些内容均构成本说明书公开的内容。

Claims (10)

1.一种非金属内胆全缠绕复合气瓶，包括：非金属内胆组件(1)和复合材料层(6)，其中非金属内胆组件(1)包括非金属内胆(2)和阀座组件(3)，所述复合材料层(6)通过全缠绕方式缠绕在非金属内胆(2)的外表面上，所述阀座组件(3)包括金属阀座(4)和非金属阀座衬套(5)，所述金属阀座(4)、与非金属阀座衬套(5)注塑成型，所述非金属阀座衬套(5)与非金属内胆(2)熔接在一起，所述金属阀座(4)口部(11)设有连接机构。
2.根据权利要求1所述的非金属内胆全缠绕复合气瓶，其特征在于：所述复合材料层(6)中的复合材料由树脂体系与纤维材料组成，所述树脂基体为环氧树脂、固化剂以及助剂中的一种或多种，所述纤维材料为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的非金属内胆全缠绕复合气瓶，其特征在于，所述复合材料中，树脂体系的质量百分比为：环氧树脂50％～62％、固化剂37.5％～49.5％、其它促进剂0.5％～4％。
4.根据权利要求1所述的非金属内胆全缠绕复合气瓶，其特征在于：所述金属阀座(4)口部(11)的连接机构为阀门连接螺纹。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的非金属内胆全缠绕复合气瓶，其特征在于：所述非金属内胆(2)和/或非金属阀座衬套(5)由HDPE、PP加工而成；所述金属阀座(2)由不锈钢或其他合金材料加工而成。
6.一种非金属内胆全缠绕复合气瓶的制造方法，包括：
制造非金属内胆(2)的步骤；
制造阀座组件(3)的步骤；
将非金属内胆(2)与阀座组件(3)熔接的步骤；
将复合材料层(6)全缠绕于非金属内胆(2)外表面上的步骤；
复合材料层(6)全缠绕在非金属内胆(2)全缠绕后进行固化的步骤。
7.根据权利要求6所述的非金属内胆全缠绕复合气瓶的制造方法，其特征在于：制造阀座组件(3)的步骤通过以下方式实现：
(一)金属阀座(4)由不锈钢、低合金钢、高强度钢或铜制成；
(二)非金属阀座衬套(5)由HPDE制成，HPDE原料和色素混合后，将金属阀座(4)嵌入注塑模型中，通过注塑工艺将非金属阀座衬套(5)注塑嵌入金属阀座中，并形成设计要求的尺寸。
8.根据权利要求6所述的非金属内胆全缠绕复合气瓶的制造方法，其特征在于：将非金属内胆(2)与阀座组件(3)熔接的步骤通过以下方式实现：
非金属内胆(2)设有接合面(9)，所述阀座组件(3)中的非金属阀座衬套(5)设有非金属接触面(8)，通过熔焊的设备将阀座组件的非金属接触面(8)与非金属内胆的接合面(9)焊接，实现内胆的与阀座的紧密密封连接。
9.根据权利要求6所述的非金属内胆全缠绕复合气瓶的制造方法，其特征在于：将复合材料层(6)全缠绕于非金属内胆(2)外表面上的步骤通过以下方式实现：将玻璃纤维或碳纤维通过配有树脂基体的胶槽浸入后，通过一定的张力全缠绕方式缠绕在内胆组件上，其中树脂基体含有环氧树脂、固化剂、促进剂质量比例为：环氧树脂50％～62％、固化剂37.5％～49.5％、其它促进剂0.5％～4％；浸胶后的纤维通过环向和带角度的纵向缠绕全缠绕方式，根据所承受压力的大小，决定缠绕层数和缠绕的顺序，缠绕过程中，需要保持非金属内胆组件(1)为0.6～0.9MPa的压力。
10.根据权利要求6-9中任一项所述的非金属内胆全缠绕复合气瓶的制造方法，其特征在于：所述制造非金属内胆(2)的步骤通过以下方式实现：
(一)材料选型，根据非金属内胆的设计要求选取HDPE(高密度聚乙烯)颗粒原料，按照技术要求检验材料的颗粒大小，确认材料组分；
(二)吹塑成型，将混合后的原料加热熔融后，通过吹塑成型、切除尾料得到非金属内胆(2)，其外径尺寸的偏差为1％，筒体段壁厚偏差为±0.2mm。
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