CN109838682B - 一种35MPa铝合金内胆全缠绕玄武岩纤维的压缩天然气瓶 - Google Patents
一种35MPa铝合金内胆全缠绕玄武岩纤维的压缩天然气瓶 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种35MPa铝合金内胆全缠绕玄武岩纤维的压缩天然气瓶，包括具有铝合金内胆的天然气瓶，铝合金内胆在外表面按铺层次序全缠绕设有玄武岩纤维缠绕层，玄武岩纤维缠绕层包括缠绕铝合金内胆筒身的环向缠绕层和缠绕铝合金内胆筒身及两端封头的螺旋缠绕层，铝合金内胆筒身及两端封头的螺旋缠绕方向一致且连续缠绕，铝合金内胆先经过喷丸处理，再缠绕玄武岩纤维缠绕层，缠绕铝合金内胆后，玄武岩纤维缠绕层的外表面涂覆有防护层，防护层为双酚A类环氧树脂；该天然气瓶能够提高车用CNG气瓶工作压力到35MPa，能够提高储气利用率，提升CNG汽车续驶里程与汽油车相当，加强铝合金内胆的强度，提高了天然气瓶的抗压能力、屈服压力、爆破压力和抗疲劳能力。
Description
技术领域
本发明涉及压缩天然气气瓶技术领域，具体而言，涉及一种35MPa铝合金内胆全缠绕玄武岩纤维的压缩天然气瓶。
背景技术
车用压缩天然气(CNG)气瓶是燃气汽车的重要储能设备。目前，车用CNG气瓶主要采用传统玻璃纤维(GF)、芳纶纤维(NF)、碳纤维(CF)等纤维缠绕复合材料气瓶以及钢质气瓶。这两类气瓶的工作压力低于20MPa，装的气体较少，续驶里程短。另外，金属气瓶安全性低，复合材料气瓶虽在安全性上弥补了金属气瓶的不足外，也提高了气瓶的使用性能，但是，传统玻璃纤维缠绕铝合金气瓶质量大，碳纤维缠绕铝合金气瓶层间剪切性能较差，并且受到冲击后，强度明显下降，同时碳纤维成本较高，所以碳纤维缠绕铝合金气瓶的使用性不高。
为提高CNG汽车续航里程，降低CNG气瓶生产成本，提高CNG气瓶使用性能，实现气瓶制造的供给侧改革，促成我国车用气瓶使用标准的升级。35MPa车载高压天然气储气瓶是国内外燃气汽车储能设备的发展目标及研究重点。受传统材料及现有技术能力的限制，我国还没有生产35MPa的车载高压天然气储气瓶。
玄武岩纤维是四川省特色资源，性能方面，其具有较高的拉伸强度，比碳纤维略低，高于一般GF和NF，是理想的增强材料；其次，玄武岩纤维化学性能稳定，有较高的抗碱液腐蚀性，保证了它在使用过程中的可靠性和使用效率。价格方面，它的造价与E-玻璃纤维相当，比S-玻璃纤维和碳纤维低很多，而性能却优于普通的玻璃纤维。因此，利用性能优良、资源丰富、低碳环保、成本低廉的玄武岩纤维制备车用CNG气瓶具备更好的性价比。
玄武岩纤维全缠绕复合材料压缩天然气气瓶是一种35MPa铝合金内胆全缠绕玄武岩纤维的压缩天然气瓶以铝合金为内胆玄武岩纤维缠绕层为强度结构层的轻质高压储气容器，该类气瓶提高车用CNG工作压力到35MPa，能有效的提高储气利用率，提升CNG汽车续驶里程与汽油车相当。
现有压缩天然气气瓶的研制多集中于工作压力为20MPa及以下车用压缩天然气气瓶，导致压缩天然气汽车行驶里程较低，专利文献CN104913185A中所公开的CNG气瓶是利用玄武岩纤维和碳纤维混杂缠绕制得，虽然该复合材料气瓶的工作压力达到了35MPa，但是，该复合材料气瓶的强度结构层为玄武岩纤维和碳纤维混杂纤维缠绕层，没有体现出现玄武岩纤维特有的优越性能。
因此，针对的现状，基于四川省科技厅四川省重点研发项目(2019YFG0238)“基于玄武岩纤维缠绕增强的35MPa高压天然气储运设备研制”过程中暂未公开的技术，开发出一种35MPa铝合金内胆全缠绕玄武岩纤维的压缩天然气瓶采用新型缠绕纤维、工作压力为35MPa、容积为70L、容重比大、耐腐蚀、未爆先漏、安全使用性好的新型储存压缩天然气的高压轻质气瓶。
发明内容
本发明的目的在于提供一种35MPa铝合金内胆全缠绕玄武岩纤维的压缩天然气瓶，其能够提高车用CNG气瓶工作压力到35MPa，能够提高储气利用率，提升CNG汽车续驶里程与汽油车相当，加强铝合金内胆的强度，提高了天然气瓶的抗压能力、屈服压力、爆破压力和抗疲劳能力。
本发明的实施例是这样实现的：
一种35MPa铝合金内胆全缠绕玄武岩纤维的压缩天然气瓶，其包括具有铝合金内胆的天然气瓶，铝合金内胆在外表面按铺层次序设有全缠绕的玄武岩纤维缠绕层，玄武岩纤维缠绕层包括缠绕铝合金内胆的环向缠绕层和缠绕铝合金内胆两端封头的螺旋缠绕层，铺层次序为：2～4层环向缠绕层、2～3层螺旋缠绕层和2～3层环向缠绕层交替缠绕至少3次、 2～3层螺旋缠绕层、3～4层环向缠绕层，其中，环向缠绕层的缠绕角度为89°～90°之间且包括90°，螺旋缠绕层的缠绕角度为12°±0.5°；玄武岩纤维缠绕层缠绕铝合金内胆后，玄武岩纤维缠绕层的外表面涂覆有防护层；进一步地，缠绕次序为：3层90°环向缠绕-2层12°螺旋缠绕-2层90°环向缠绕-2层12°螺旋缠绕-2层90°环向缠绕-2层12°螺旋缠绕-2 层90°环向缠绕-2层12°螺旋缠绕-3层90°环向缠绕。
在本发明较佳的实施例中，上述环向缠绕层和螺旋缠绕层先分别经浸渍环氧树脂后调节张力为18～20N，再在铝合金内胆表面进行缠绕。
在本发明较佳的实施例中，上述螺旋缠绕层缠绕铝合金内胆筒身及两端封头且缠绕连续、方向一致。
在本发明较佳的实施例中，上述铝合金内胆的体积为60～100L，铝合金内胆壁厚为：铝合金内胆的筒壁厚5.8～6.2mm，铝合金内胆的封头壁厚6～12mm。
在本发明较佳的实施例中，上述防护层为双酚A类环氧树脂，通过涂覆双酚A类环氧树脂后在玄武岩纤维缠绕层外表面固化形成防护层。
在本发明较佳的实施例中，上述天然气瓶固化双酚A类环氧树脂后，经过自紧处理而成。
在本发明较佳的实施例中，上述铝合金内胆先经过喷丸处理，再缠绕玄武岩纤维缠绕层。
在本发明较佳的实施例中，上述天然气瓶的水压承压至少为58Mpa，天然气瓶的爆破压力至少为118Mpa。
本发明的有益效果是：
本发明通过多层环向缠绕的环向缠绕层、2层螺旋缠绕的螺旋缠绕层和2层环向缠绕的环向缠绕层相互交替3次缠绕、2层螺旋缠绕、3层环向缠绕，加强了玄武岩纤维全缠绕的铝合金内胆抗压强度；能够通过全缠绕玄武岩纤维的方式，加强铝合金内胆的强度，提高了天然气瓶的抗压能力、屈服压力、爆破压力和抗疲劳能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。
图1为本发明35MPa铝合金内胆全缠绕玄武岩纤维的压缩天然气瓶的示意图；
图2为本发明玄武岩纤维缠绕层的环向缠绕和螺旋缠绕方式示意图；
图标：1-瓶口；2-第一端封头；3-铝合金内胆；4-玄武岩纤维缠绕层；5-防护层；6-第二端封头。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
第一实施例
请参照图1，本实施例提供一种35MPa铝合金内胆3全缠绕玄武岩纤维的压缩天然气瓶，该压缩天然气瓶的工作压力为35Mpa，其包括具有铝合金内胆3的天然气瓶，铝合金内胆3在外表面按铺层次序全缠绕设有玄武岩纤维缠绕层4，玄武岩纤维缠绕层4包括缠绕铝合金内胆3的环向缠绕层和缠绕铝合金内胆3及其两端封头的螺旋缠绕层，螺旋缠绕层的缠绕铝合金内胆3筒身及两端封头方向一致且连续缠绕，铝合金内胆3先经过喷丸处理，再缠绕玄武岩纤维缠绕层4，缠绕铝合金内胆3后，玄武岩纤维缠绕层4的外表面涂覆有防护层5，防护层5为双酚A类环氧树脂，通过涂覆双酚A类环氧树脂后在玄武岩纤维缠绕层4外表面固化形成，天然气瓶固化双酚A类环氧树脂后，经过自紧处理，提高了天然气瓶的初始屈服压力和抗疲劳性能。
铝合金内胆3的容积为70L，以6061铝合金为内胆，铝合金内胆3的结构尺寸为：公称外径为320mm，总体长度为1160mm，其中筒身部分长度为930mm，瓶口1为M18内螺纹密封结构，长度为26mm，外径为40mm，筒体部分厚度为6mm，远离瓶口1的第二端封头6最厚处厚度为12mm，瓶口1与靠近瓶口1端的第一端封头2光滑无缝连接，筒体部分与两端封头均圆滑过渡。
制作天然气瓶过程为：(1)喷丸处理铝合金内胆3后安装在缠绕机上，再使用配制的环氧树脂注入胶槽，使用玄武岩纤维进行浸渍；(2)利用SKCR80/300型号四轴数控纤维缠绕机，环向和螺旋向交替缠绕方式进行缠绕制备复合材料气瓶；(3)完成缠绕后将气瓶进行加热固化。
经过喷丸处理的铝合金内胆3两端沿轴线方向固定在缠绕机上，再使用玄武岩纤维浸渍环氧树脂胶液，再利用张力控制器使其张力调为19N，之后按照优化设计的铺层次序由内向外以缠绕张力梯度递减的方式缠绕在铝合金内胆3上，玄武岩纤维缠绕层4由浸渍树脂进行张力控制，再在外表面上涂覆双酚A类环氧树脂固化形成外防护层5。
请参照图2，按图中的缠绕方向对铝合金内胆3外表面分别交替缠绕环向缠绕层和螺旋缠绕层，在铝合金内胆3外表面按照优化设计的铺层次序全缠绕玄武岩纤维缠绕层4，玄武岩纤维缠绕层4包括缠绕铝合金内胆3筒身的环向缠绕层和缠绕铝合金内胆3筒身及两端封头的螺旋缠绕层，玄武岩纤维缠绕层4的缠绕铺层具体为：铝合金内胆3筒体部分上面交替缠绕环向缠绕层和螺旋缠绕层；铝合金内胆3筒身部分上面缠绕环向缠绕层，铝合金内胆3前后封头和筒身部分上面缠绕螺旋缠绕层，方向一致且连续；铺层次序为：3 层90°环向缠绕-2层12°螺旋缠绕-2层90°环向缠绕-2层12°螺旋缠绕-2层90°环向缠绕-2层12°螺旋缠绕-2层90°环向缠绕-2层12°螺旋缠绕-3层90°环向缠绕；缠绕时，环向缠绕层由铝合金内胆3的一端至另一端呈排布式依次缠绕，缠绕时一圈紧挨一圈，螺旋缠绕层在铝合金内胆3的第一端封口2到第二端封口6处，呈相互交叉状，依次交叉重叠缠绕，以天然气瓶的瓶口1为正视的一端顺时针缠绕，缠绕时始终保持螺旋缠绕层为同一方向的缠绕。
根据建模仿真确定的最佳自紧压力64MPa，对成型后的压缩天然气气瓶进行自紧处理，通过自紧处理后，可以提高气瓶的初始屈服压力和抗疲劳性能。
复合材料压缩天然气气瓶在自紧处理后，进行零压力状态下的内胆压应力测试，为 279.7MPa，其趋于内胆材料最小屈服强度的60％到95％之间，合格，继续进行工作压力35MPa压力状态下的内胆拉伸应力测试，为166.19MPa，其低于内胆材料屈服强度的60％，合格。
以下对上述处理后的天然气瓶，进行工作压力试验、水压试验和最小爆破压力试验。
对天然气瓶的水压试验程序为充气至35Mpa保压1min，测试工作压力；水下59MP保压1min，测试水压强度试验；119Mpa保压1min，测试最低爆破压力。
水压及最小爆破压力试验过程：选择天然气瓶进行工作压力、水压及爆破试验，压力表使用160Mpa、1.6级，将压力表接于天然气瓶，充气至39Mpa并保压1min，天然气瓶无异样；在水压试验压力59MPa下，保压1min，气压表指针为未下降，天然气瓶未发生泄漏，水压试验合格；达到水压试验压力后，缓慢持续加压至119MPa最小爆破压力，未爆破，保压1min，指针稳定，最后加压至120Mpa，天然气瓶爆破；天然气瓶表层环向纤维缠绕层先破坏，然后环向纤维缠绕层和螺旋缠绕层同时破坏。
本发明实例的工作原理为：
玄武岩纤维具有较高的拉伸强度，比碳纤维略低，是理想的增强材料，另外玄武岩纤维化学性能稳定，利用玄武岩纤维作为缠绕层，包括环向缠绕和螺旋缠绕，通过环向缠绕和螺旋缠绕相互交替缠绕在铝合金内胆3外表面，形成多层的缠绕结构，有效加强了天然气瓶的抗压能力和抗爆破能力，同时提高了天然气瓶的初始屈服压力和抗疲劳性能。
综上所述，本发明通过多层90°环向缠绕的环向缠绕层、2层12°螺旋缠绕的螺旋缠绕层和2层90°环向缠绕的环向缠绕层相互交替3次缠绕、2层12°螺旋缠绕、3层90°环向缠绕，加强了玄武岩纤维全缠绕的铝合金内胆抗压强度；能够通过全缠绕玄武岩纤维的方式，加强铝合金内胆的强度，提高了天然气瓶的抗压能力、屈服压力、爆破压力和抗疲劳能力。
本说明书描述了本发明的实施例的示例，并不意味着这些实施例说明并描述了本发明的所有可能形式。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种35MPa铝合金内胆全缠绕玄武岩纤维的压缩天然气瓶，其特征在于，包括具有铝合金内胆的天然气瓶，所述铝合金内胆在外表面按铺层次序设有全缠绕的玄武岩纤维缠绕层，所述玄武岩纤维缠绕层包括缠绕铝合金内胆的环向缠绕层和缠绕铝合金内胆两端封头的螺旋缠绕层，铺层次序为：2～4层环向缠绕层、2～3层螺旋缠绕层和2～3层环向缠绕层交替缠绕至少3次、2～3层螺旋缠绕层、3～4层环向缠绕层，其中，环向缠绕层的缠绕角度为89°～90°之间且包括90°，螺旋缠绕层的缠绕角度为12°±0.5°；所述玄武岩纤维缠绕层缠绕铝合金内胆后，所述玄武岩纤维缠绕层的外表面涂覆有防护层；
所述环向缠绕层和螺旋缠绕层先分别经浸渍环氧树脂后调节张力为18～20N，再在铝合金内胆表面进行缠绕；
所述螺旋缠绕层缠绕铝合金内胆筒身及两端封头且缠绕连续、方向一致；
在铝合金内胆外表面按照优化设计的铺层次序全缠绕玄武岩纤维缠绕层，玄武岩纤维缠绕层包括缠绕铝合金内胆筒身的环向缠绕层和缠绕铝合金内胆筒身及两端封头的螺旋缠绕层，玄武岩纤维缠绕层的缠绕铺层具体为：铝合金内胆筒体部分上面交替缠绕环向缠绕层和螺旋缠绕层；铝合金内胆筒身部分上面缠绕环向缠绕层，铝合金内胆前后封头和筒身部分上面缠绕螺旋缠绕层，方向一致且连续；铺层次序为：3层90°环向缠绕-2层12°螺旋缠绕-2层90°环向缠绕-2层12°螺旋缠绕-2层90°环向缠绕-2层12°螺旋缠绕-2层90°环向缠绕-2层12°螺旋缠绕-3层90°环向缠绕；缠绕时，环向缠绕层由铝合金内胆的一端至另一端呈排布式依次缠绕，缠绕时一圈紧挨一圈，螺旋缠绕层在铝合金内胆的第一端封口到第二端封口处，呈相互交叉状，依次交叉重叠缠绕，以天然气瓶的瓶口为正视的一端顺时针缠绕，缠绕时始终保持螺旋缠绕层为同一方向的缠绕；
所述铝合金内胆的体积为60～100L，所述铝合金内胆壁厚为：铝合金内胆的筒壁厚5.8～6.2mm，铝合金内胆的封头壁厚6～12mm；
所述防护层为双酚A类环氧树脂，通过涂覆双酚A类环氧树脂后在玄武岩纤维缠绕层外表面固化形成防护层；
所述天然气瓶固化双酚A类环氧树脂后，经过自紧处理而成；
制作天然气瓶过程为：(1)喷丸处理铝合金内胆后安装在缠绕机上，再使用配制的环氧树脂注入胶槽，使用玄武岩纤维进行浸渍；(2)利用SKCR80/300型号四轴数控纤维缠绕机，环向和螺旋向交替缠绕方式进行缠绕制备复合材料气瓶；(3)完成缠绕后将气瓶进行加热固化；
经过喷丸处理的铝合金内胆两端沿轴线方向固定在缠绕机上，再使用玄武岩纤维浸渍环氧树脂胶液，再利用张力控制器使其张力调为19N，之后按照优化设计的铺层次序由内向外以缠绕张力梯度递减的方式缠绕在铝合金内胆上，玄武岩纤维缠绕层由浸渍树脂进行张力控制，再在外表面上涂覆双酚A类环氧树脂固化形成外防护层；
所述铝合金内胆先经过喷丸处理，再缠绕玄武岩纤维缠绕层；
所述天然气瓶的水压承压至少为58Mpa，所述天然气瓶的爆破压力至少为118Mpa；
水压及最小爆破压力试验过程：选择天然气瓶进行工作压力、水压及爆破试验，压力表使用160Mpa、1.6级，将压力表接于天然气瓶，充气至39Mpa并保压1min，天然气瓶无异样；在水压试验压力59MPa下，保压1min，气压表指针为未下降，天然气瓶未发生泄漏，水压试验合格；达到水压试验压力后，缓慢持续加压至119MPa最小爆破压力，未爆破，保压1min，指针稳定，最后加压至120Mpa，天然气瓶爆破；天然气瓶表层环向纤维缠绕层先破坏，然后环向纤维缠绕层和螺旋缠绕层同时破坏。
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