CN113217804B - 一种复合材料气瓶液氧隔绝保护层及安装方法 - Google Patents

一种复合材料气瓶液氧隔绝保护层及安装方法 Download PDF

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Abstract

一种复合材料气瓶隔绝保护层设置于复合材料气瓶外部，隔绝保护层(3)将复合材料气瓶缠绕层(2)完全包覆，与外部介质隔绝；隔绝保护层(3)与液氧介质接触，材料为金属材料，且与液氧介质相容。本发明可将复合材料气瓶与液氧隔绝，保护复合材料气瓶不与液氧接触，避免了复合材料与液氧发生反应的风险。

Description

一种复合材料气瓶液氧隔绝保护层及安装方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料气瓶液氧隔绝保护层及安装方法。
背景技术
国内新一代无毒无污染低温运载火箭使用低温推进剂，后续新一代载人火箭及重型运载火箭也使用低温推进剂。新一代载人、重型运载火箭对运载能力提出了更高的要求，因此结构系统应具备更高的结构效率。气瓶是液体运载火箭增压系统关键部件，用于贮存高压气体介质为推进剂贮箱增压或补压。将气瓶放置在液氢、液氧推进剂贮箱内，利用推进剂低温环境，可以大幅提升气瓶内部气体密度，提高贮气能力，从而减少需求气瓶的数量，降低箭体结构重量。
国外Falcon 9火箭已成功应用了液氧低温复合材料气瓶。根据分析计算，对于35MPa氦气，90K时气体密度是常温的2.4倍，因此高压气瓶置于液氧环境中，贮气重量可提高1.4倍，气瓶结构重量大幅降低。
复合材料气瓶工作在液氧环境中最关键的问题是安全性问题，气瓶不允许与氧发生反应。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种复合材料气瓶液氧隔绝保护层及安装方法，可将复合材料气瓶与液氧隔绝，保护复合材料气瓶不与液氧接触，避免了复合材料与液氧发生反应的风险。
本发明所采用的技术方案是：一种复合材料气瓶隔绝保护层，设置于复合材料气瓶外部，隔绝保护层将复合材料气瓶缠绕层完全包覆，与外部介质隔绝；隔绝保护层与液氧介质接触，材料为金属材料，且与液氧介质相容。
隔绝保护层材料的常温和低温(77K～93K)拉伸断裂伸长率不小于10％，能够与复合材料气瓶金属内衬焊接。
隔绝保护层的厚度的取值范围为0.3～1mm。
隔绝保护层的封头段与复合材料气瓶封头间的空隙中填充填充材料，填充材料使用发泡材料。
将隔绝保护层封头段套合到复合材料气瓶上前，首先在复合材料气瓶封头段外表面进行发泡，发泡后将填充材料外型面修改为隔绝保护层封头段的形面。
隔绝保护层与复合材料气瓶金属内衬管嘴连接使用过渡环，过渡环内圈和复合材料气瓶金属内衬管嘴焊接，外圈和隔绝保护层焊接，过渡环材料与复合材料气瓶金属内衬管嘴材料相同或与隔绝保护层材料相同。
过渡环上设置检漏孔，通过检漏孔对隔绝保护层气密性进行检查，检查完毕后，检漏孔使用堵塞堵住。
一种复合材料气瓶隔绝保护层的安装方法，包括步骤如下：
根据复合材料气瓶的结构形式，对隔绝保护层进行分段，两端为封头段；
根据复合材料气瓶金属内衬的材料选定隔绝保护层的材料；
如果隔绝保护层分为筒身段和封头段，则在加工隔绝保护层筒身段时，筒身段采用铝板卷焊加工；
加工隔绝保护层两端封头段，保证封头段完全覆盖复合材料气瓶封头，隔绝保护层两端封头段采用旋压成型；
对复合材料气瓶封头外表面进行发泡，发泡后对外型面进行修型，使得外型面与隔绝保护层封头贴合；
加工过渡环，在过渡环上开设检漏孔；
将过渡环、隔绝保护层各段安装到复合材料气瓶上；
隔绝保护层完成焊接装配后，使用过渡环上的检漏孔对隔绝保护层的气密性进行检查，合格后使用塞子将检漏孔堵住，完成复合材料气瓶液氧隔绝保护层实施和气密性检查。
将过渡环、隔绝保护层各段安装到复合材料气瓶上的安装方法如下：
首先，将一端隔绝保护层的封头段和过渡环套合到复合材料气瓶上，然后将过渡环内圈与复合材料气瓶金属内衬管嘴焊接，过渡环外圈与隔绝保护层的封头段焊接；
然后，如果复合材料气瓶为柱形，则在复合材料气瓶的筒身上套入隔绝保护层筒身段，并将隔绝保护层筒身段与已经安装好的封头段焊接连接；
最后，套入另外一端的隔绝保护层的封头段和过渡环，并完成各连接位置的焊接。
检漏孔大小为φ2mm～φ4mm。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明提供了一种复合材料气瓶液氧介质隔绝保护层方案，其材料使用金属材料，整体焊接成型，隔绝保护层与气瓶两端金属管嘴通过焊接连接，整体致密性好，可实现复合材料和液氧的有效隔绝。隔绝保护层重量轻，不超过气瓶重量的5％。隔绝保护层上设置检漏孔，可对保护层的致密性进行检查。
附图说明
图1为带压隔绝保护层的复合材料气瓶结构图，1为复合材料气瓶金属内衬，2为复合材料气瓶复合材料缠绕层，3为隔绝保护层，4为复合材料气瓶金属内衬管嘴，5为隔绝保护层和气瓶间填充。
图2为隔绝保护层与金属管嘴的连接结构图，6为过渡环，61为过渡环上检漏口。
具体实施方式
结合附图对本发明进行说明。
实施例
复合材料气瓶隔绝保护层3设置于复合材料气瓶外部，如图1所示，隔绝保护层3将复合材料气瓶缠绕层2完全包覆，与外部介质隔绝。
隔绝保护层3与液氧介质接触，材料为金属材料，且与液氧介质相容，隔绝保护层3材料还应具有良好的塑性(常温和低温拉伸断裂伸长率不小于10％，低温为77K～93K)，可以复合材料气瓶金属内衬1焊接，以适应复合材料气瓶内压充压变形。如复合材料气瓶金属管嘴4为铝合金材料，隔绝保护层3可使用纯铝材料。
图1复合材料气瓶为柱形结构，隔绝保护层3根据气瓶结构可分为直筒段、两端封头段，共3段，3段隔绝保护层3通过焊接连接。如果复合材料气瓶为球形，则隔绝保护层3根据复合材料气瓶结构分为两端封头段，两端封头段对接焊接。
隔绝保护层3主要起隔绝液氧介质的作用，因此其厚度不需要太大，这样对复合材料气瓶也不会造成太大增重，其厚度的取值范围为0.3～1mm，本实施例中厚度可为0.5mm。
隔绝保护层3需要承载一定外压载荷，其厚度较小，因此隔绝保护层3内应可实现良好支撑，保证其在外压载荷下不发生失稳破坏。复合材料气瓶直筒段表面是较为光滑的圆柱，因此隔绝保护层3的直筒段内径与复合材料气瓶直筒段外径大小接近，气瓶套入隔绝保护层3的直筒段后，气瓶直筒段可与隔绝保护层3的直筒段贴合，可承载外压载荷。复合材料气瓶封头外表面为不规则形面，隔绝保护层3封头段与复合材料气瓶封头间会存在一定空隙，为避免隔绝保护层的封头段在外压下失稳，需在隔绝保护层3和气瓶封头间隙填充填充材料5，填充材料5应具备一定刚度，可使用发泡材料，如发泡聚苯乙烯。将隔绝保护层3封头段套合到气瓶上前，需首先在气瓶封头段外表面进行发泡，发泡后将其外型面修为隔绝保护层3封头段的形面，这样隔绝保护层3封头段可与气瓶封头实现贴合。
如图2所示，复合材料气瓶金属内衬管嘴4一般为圆柱结构，隔绝保护层3与复合材料气瓶金属内衬管嘴4连接使用过渡环6，过渡环6内侧和复合材料气瓶金属内衬管嘴4焊接，外侧和隔绝保护层3焊接，过渡环6材料与复合材料气瓶金属内衬管嘴4材料或与隔绝保护层3材料相同。为验证隔绝保护层3整体的气密性，在过渡环6上设置检漏孔61，通过检漏孔61可对隔绝保护层3气密性进行检查，检查完毕后，检漏孔61使用堵塞堵住即可。
复合材料气瓶隔绝保护层的安装方法，包括步骤如下：
如复合材料气瓶为柱形结构，设置隔绝保护层3为筒身段、两端封头段3段。如复合材料气瓶金属内衬1为铝合金材料，则可选择隔绝保护层3为纯铝材料，采用纯铝板加工。加工隔绝保护层3筒身段，筒身段内径稍大于复合材料气瓶直筒段外径，筒身段采用铝板卷焊加工，厚度可选择为0.5mm。加工隔绝保护层3两端封头段，封头段要能完全覆盖复合材料气瓶封头，隔绝保护层3两端封头段采用旋压成型。然后对复合材料气瓶封头外表面进行发泡修型，可采用发泡聚苯乙烯材料，发泡后进行修型，其外型面与隔绝保护层3封头贴合。加工过渡环6，材料与复合材料气瓶金属内衬管嘴4材料相同，过渡环上开检漏孔61，检漏孔大小为φ2mm-φ4mm即可，在一端封头的过渡环上加工检漏孔即可。
首先将一端隔绝保护层3的封头段和过渡环6套合到气瓶上，然后将过渡环6内侧与复合材料气瓶金属内衬管嘴4焊接，过渡环6外侧与隔绝保护层3的封头段焊接，可采用激光焊以减少热输入。然后套入隔绝保护层3筒身段，并将筒身段与已经安装好的封头段焊接连接，可采用激光焊或滚焊。最后套入另外一端的隔绝保护层3的封头段和过渡环6，并实现各连接位置的焊接。
隔绝保护层3完成焊接装配后，使用过渡环6上的检漏孔61对隔绝保护层3的气密性进行检查，合格后使用塞子将检漏孔堵住。
以上即完成了复合材料气瓶液氧隔绝保护层实施和气密性检查。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (9)

1.一种复合材料气瓶隔绝保护层，其特征在于，设置于复合材料气瓶外部，隔绝保护层(3)将复合材料气瓶缠绕层(2)完全包覆，与外部介质隔绝；隔绝保护层(3)与液氧介质接触，材料为金属材料，且与液氧介质相容；
所述的复合材料气瓶隔绝保护层的安装方法，包括步骤如下：
根据复合材料气瓶的结构形式，对隔绝保护层(3)进行分段，两端为封头段；
根据复合材料气瓶金属内衬(1)的材料选定隔绝保护层(3)的材料；
如果隔绝保护层(3)分为筒身段和封头段，则在加工隔绝保护层(3)筒身段时，筒身段采用铝板卷焊加工；
加工隔绝保护层(3)两端封头段，保证封头段完全覆盖复合材料气瓶封头，隔绝保护层(3)两端封头段采用旋压成型；
对复合材料气瓶封头外表面进行发泡，发泡后对外型面进行修型，使得外型面与隔绝保护层(3)封头贴合；
加工过渡环(6)，在过渡环(6)上开设检漏孔(61)；
将过渡环(6)、隔绝保护层(3)各段安装到复合材料气瓶上；
完成隔绝保护层(3)焊接装配后，使用过渡环(6)上的检漏孔(61)对隔绝保护层(3)的气密性进行检查，合格后使用塞子将检漏孔(61)堵住。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料气瓶隔绝保护层，其特征在于，隔绝保护层(3)材料的常温和低温拉伸断裂伸长率不小于10％，能够与复合材料气瓶金属内衬(1)焊接，低温为77K～93K。
3.根据权利要求2所述的一种复合材料气瓶隔绝保护层，其特征在于，隔绝保护层(3)的厚度的取值范围为0.3～1mm。
4.根据权利要求3所述的一种复合材料气瓶隔绝保护层，其特征在于，隔绝保护层(3)的封头段与复合材料气瓶封头间的空隙中填充填充材料(5)，填充材料(5)使用发泡材料。
5.根据权利要求4所述的一种复合材料气瓶隔绝保护层，其特征在于，将隔绝保护层(3)封头段套合到复合材料气瓶上前，首先在复合材料气瓶封头段外表面进行发泡，发泡后将填充材料外型面修改为隔绝保护层(3)封头段的形面。
6.根据权利要求5所述的一种复合材料气瓶隔绝保护层，其特征在于，隔绝保护层(3)与复合材料气瓶金属内衬管嘴(4)连接使用过渡环(6)，过渡环(6)内圈和复合材料气瓶金属内衬管嘴(4)焊接，外圈和隔绝保护层(3)焊接，过渡环6材料与复合材料气瓶金属内衬管嘴(4)材料相同或与隔绝保护层(3)材料相同。
7.根据权利要求6所述的一种复合材料气瓶隔绝保护层，其特征在于，过渡环(6)上设置检漏孔(61)，通过检漏孔(61)对隔绝保护层(3)气密性进行检查，检查完毕后，检漏孔(61)使用堵塞堵住。
8.根据权利要求7所述的一种复合材料气瓶隔绝保护层，其特征在于，将过渡环(6)、隔绝保护层(3)各段安装到复合材料气瓶上的安装方法如下：
首先，将一端隔绝保护层(3)的封头段和过渡环(6)套合到复合材料气瓶上，然后将过渡环(6)内圈与复合材料气瓶金属内衬管嘴(4)焊接，过渡环(6)外圈与隔绝保护层(3)的封头段焊接；
然后，如果复合材料气瓶为柱形，则在复合材料气瓶的筒身上套入隔绝保护层(3)筒身段，并将隔绝保护层(3)筒身段与已经安装好的封头段焊接连接；
最后，套入另外一端的隔绝保护层(3)的封头段和过渡环(6)，并完成各连接位置的焊接。
9.根据权利要求8所述的一种复合材料气瓶隔绝保护层，其特征在于，检漏孔(61)大小为φ2mm～φ4mm。
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