CN1908501A - 钢内胆大容积高压缠绕气瓶及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钢内胆大容积高压缠绕气瓶结构极其制作方法。结构中包括高压无缝钢管制成的内胆、外壁缠绕固化形成强化复合壳层及保护层。采用以下步骤加工：①选取配套高压无缝钢管采用旋压缩口、热处理调质、整形机加工制成内胆，②旋转支架将内胆定位，③将高强纤维经胶辊导向设定在内胆上，④初始缠绕螺旋角度不小于40度，预应张力为纤维束抗拉强度的5－15％之间，⑤在内胆两缩口之间按照顺、逆时针方向交替无间隙密绕，⑥每次方向交替完成后缠绕角度增加0.5－1.5度，⑦在缠绕角度增加到75－85度之间时，维持至强化复合层设计厚度，⑧置入固化炉中烘干、固化，整形处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种储存与运输高压气体的钢内胆大容积高压缠绕气瓶结构极其制作方法。
背景技术
随着经济发展与现代技术的推广应用，像氢气、氦气一类的气体用量急剧加大，但这种气体难以液化，氢气的液化温度在-252.8℃、氦气的液化温度在-268.9℃。实现储存与运输，最简单、实用和经济的方法是提高储运压力。目前国际上运输氢气的压力已经提高到35MPa，并正在向45MPa以上的压力发展。我国航天、航空、导弹发射和舰艇储存特种需求气体的压力也都在35MPa以上。目前，我国尚没有25MPa以上高压气体储存与运输的无缝高压容器，更不用说大容积的高压气瓶。为达到运输与储存使用的目的，以前曾经使用过焊接结构的单层或多层压力容器。由于采用了焊接结构，钢材的强度较低，设备的重量较大，耐疲劳性能较差，投入运输的容积也较小。450～1000升气瓶目前只能靠进口解决。水容积超过1000升、承压能力在30MPa以上的高压气瓶，目前国内根本没有产品供应。
为了提高气瓶的容积和承压能力，在本领域内普遍采取的技术方案是尽可能的采取优质的高压无缝钢管，采用端头旋压缩颈方法加工成内胆，再选用高强度纤维借助环氧树脂类的黏合剂在内胆外壁上缠绕并形成一层强化壳层，来提高现有内胆的承压能力。通过失效理论分析和破坏性实验的对比，高压无缝钢管制成的内胆其轴向的抗拉强度应当远大于径向的抗裂强度。现有技术中单一的角度交叉缠绕和所谓正交缠绕都没有充分利用纤维的拉伸弹性模量，对内胆的失效过程进行针对性补偿，从而造成复合型高压气瓶的重量大、成本高，水容积越大则问题越突出，根本原因是克服内胆疲劳变形的贡献没有得到充分发挥。不同高强纤维在不同部位的作用没能得到合理的分配，这是结构设计上的主要缺陷。
发明内容
本发明的目的是要提供一种1000～3000升大容积、耐压20～70MPa储存与运输用的高压气瓶结构极其制作方法。使该气瓶具有与充装气体的相容性、承压能力高、水容积大、防渗漏性能好、耐疲劳性能高、而重量相对较轻、安全可靠性。
本发明的关键设计思想是加大高强纤维对径向抗裂强度的补偿兼顾对轴向抗拉强度的补偿，强化合理分配缠绕中各层纤维之间的受力，加强关联性和相互补偿的一致性的结构特征，使内胆在反复充、放高压气体的过程中所产生的弹性形变严格控制在理论规范值之内。具体的制作方法步骤如下：
①根据设计容量选取配套长度的高压无缝钢管采用旋压缩口、热处理调质、整形机加工制成能与高压进、出气阀和端口塞对接的内胆，
②借助旋转支架将内胆定位在旋转支架的旋转轴上，
③将高强纤维从卷轴引出，借助胶辊和压胶对辊导向将浸胶后的高强纤维设定在内胆上，
④调整高强纤维的初始缠绕螺旋角度不小于30度，纤维的预应张力在纤维束抗拉强度的5-20％之间，
⑤按照以上设定的条件在内胆两缩口之间按照顺、逆时针方向交替无间隙密绕，
⑥每次缠绕方向交替完成后缠绕角度增加0.5-1.5度，然后继续按照顺、逆时针方向交替无间隙密绕，
⑦在缠绕角度增加到75-88度之间时，维持在最终角度上反复密饶直至达到强化复合层所设计的厚度，
⑧将缠绕好的内胆置入固化炉中烘干、固化，整形处理。
以上的步骤中包括在无缝钢管两端通过旋压加工成为两端的缩肩和瓶颈，再经过回火处理借助机加工平头、攻丝形成能与密封端塞和阀门固定连接的内胆。将高强纤维设定在内胆上一般是借助专用夹具将高强纤维端头固定在内胆的瓶颈上。初始缠绕螺旋角度不小于30度和施加高强纤维的预应张力是本发明的关键。结合缠绕螺旋角度的均匀变大和正、反向交替、交叉缠绕可以更合理的分配各层间的纤维在充气过程中的受力状态的一致性，实现较少的纤维达到较理想的增强效果。
使用以上的制作步骤加工出的钢内胆大容积高压缠绕气瓶，结构中包括旋压缩口高压无缝钢管内胆，和内胆外壁缠绕固化形成强化复合壳层，借助两端缩口瓶颈的内螺纹固定前端塞和后端塞，前端塞上设置进、出气阀门和排污装置，在后端塞上设置安全泄放装置，本发明中的强化复合壳层外还增加了一层保护层。该保护层的作用是防止冲击性的损伤切断强化复合壳层中的纤维，从而形成局部的疲劳失效点，导致整个强化复合壳层对内胆的抗压补偿效果。
本发明的积极效果提供了完整的大容积(1000～3000升)、高压(20～70MPa)储存与运输高压气体的气瓶的结构和加工技术方案。所制造出来的气瓶具有与充装气体的相容性、承压能力高、水容积大、防渗漏性能好、耐疲劳性提高、重量相对减轻、安全可靠性增强。
下面结合附图及实施例进一步说明本发明的目的是如何实现的。
附图说明
图1：钢内胆大容积高压全缠绕气瓶示意图。
图2：钢内胆大容积高压环缠绕气瓶示意图。
附图中1是由高压无缝钢管制成的内胆，2是强化复合壳层，3是保护层，4是密封前端塞，5是密封后端塞，6是高压气体的进、出口阀门，7是排污装置，8是设置在在后端塞5上的安全泄放装置。
具体实施方法
在上述的钢内胆大容积高压缠绕气瓶的制作方法中所说的高强度纤维是玻璃纤维、或聚丙烯腈预氧化纤维、或碳纤维、或石墨纤维，或是以上任何一种纤维所编织成的条带或布。各种纤维的抗拉强度和弹性摸量相差较大、但价格相差也较大。一般的选取碳纤维来制作强化复合壳层(2)。
高压无缝钢管的性质和耐压也有较大差异，往往根据技术要求进行选择是采用型号为4130X、或30CrMo、或35CrMo、或4142、或4145、或SA372的无缝钢管，厚度选取范围是8-25mm与设计气瓶的亦与工作压力相匹配。
为了使完全固化后的强化复合壳层(2)与内胆外壁之间实现无隙配合，以保证强化复合壳层(2)对内胆抗压能力的有效补偿，在制作方法步骤⑧中的整形处理中还要包括自紧力处理，自紧力处理压力为水压试验压力的1.05～1.15倍，自紧力处理的时间最好是出炉36小时之内。
在制作方法步骤③-⑦中高强纤维所采用的是碳纤维，所形成的强化复合壳层(2)厚度是内胆(1)壁厚的1-1.5倍，完成之后再换用玻璃纤维重复步骤③-⑦，其中步骤③中涉及到的环氧树脂中或添加阻燃剂，步骤④中的初始缠绕角度不小于70度，最终形成的阻燃保护壳层(3)的厚度是强化复合壳层(2)厚度的1/8-1/10。
为了大幅度提高气瓶的耐压能力可以采取碳纤维和石墨纤维混用的技术方案，具体在步骤③-⑦中高强纤维所采用的碳纤维中初始缠绕部分由石墨纤维替代，所形成是石墨纤维加强壳层，是内胆(1)壁厚的0.2-0.5倍。然后采用碳纤维继续缠绕操作，最终所形成的混合的强化复合壳层总厚度是内胆壁厚的0.8-1.0倍。可以在较薄、较轻的状态达到较高的耐压效果。
结合附图可以看出：用以上方法制作出的钢内胆大容积高压缠绕气瓶，具有与现有技术完全不同结构。它的结构中包括旋压缩口高压无缝钢管内胆1，和内胆1外壁缠绕固化形成强化复合壳层2，借助两端缩口瓶颈的内螺纹固定前端塞4和后端塞5，前端塞上设置进、出气阀门6和排污装置7，在后端塞5上设置安全泄放装置8，其特征在于强化复合壳层2外还增加了一层保护层3。
该强化复合壳层2中的高强纤维是采用碳纤维，保护层3中采用玻璃纤维加工，高压无缝钢管是采用型号为4130X、或30CrMo、或35CrMo、或4142、或4145、或SA372的无缝钢管，厚度选取范围是8-25mm，与设计气瓶的工作压力相匹配，强化复合壳层2是管壁厚度的1-1.5倍，保护层3是强化复合壳层厚度的1/8-1/10。
强化复合壳层2中的采用的碳纤维接近内胆部分由石墨纤维替代，形成加强壳层，它是内胆壁厚的0.2-0.5倍，所形成的混合强化复合壳层2总厚度是内胆壁厚的0.8-1.0倍。
钢内胆大容积高压缠绕气瓶，中的强化复合壳层2或保护层3的加工制作均按照以上所说的制作方法中的步骤①-⑧加工而成的。
Claims (10)
1、一种钢内胆大容积高压缠绕气瓶的制作方法，包括采用旋压缩口高压无缝钢管做内胆(1)，借助于浸润环氧树脂的高强度纤维在内胆外壁缠绕固化形成强化复合壳层(2)，其特征在于该方法通过以下步骤实现：
①根据设计容量选取配套长度的高压无缝钢管采用旋压缩口、热处理调质、整形机加工制成能与高压进、出气阀和端口塞对接的内胆，
②借助旋转支架将内胆(1)定位在旋转支架的旋转轴上，
③将高强纤维从卷轴引出，借助胶辊和压胶对辊导向将浸胶后的高强纤维设定在内胆上，
④调整高强纤维的初始缠绕螺旋角度不小于30度，纤维的预应张力在纤维束抗拉强度的5-20％之间，
⑤按照以上设定的条件在内胆(1)两缩口之间按照顺、逆时针方向交替无间隙密绕，
⑥每次缠绕方向交替完成后缠绕角度增加0.5-1.5度，然后继续按照顺、逆时针方向交替无间隙密绕，
⑦在缠绕角度增加到75-88度之间时，维持在最终角度上反复密饶直至达到强化复合层所设计的厚度，
⑧将缠绕好的内胆置入固化炉中烘干、固化，整形处理。
2、根据权利要求1所说的钢内胆大容积高压缠绕气瓶的制作方法，其特征在于所说的高强度纤维是玻璃纤维、或聚丙烯腈预氧化纤维、或碳纤维、或石墨纤维，或是以上任何一种纤维所编织成的条带或布。
3、根据权利要求1所说的钢内胆大容积高压缠绕气瓶的制作方法，其特征在于所说的高压无缝钢管是采用型号为4130X、或30CrMo、35CrMo或4142、或4145、或SA372的无缝钢管，厚度选取范围是8-25mm与设计气瓶的工作压力相匹配。
4、根据权利要求1所说的钢内胆大容积高压缠绕气瓶的制作方法，其特征在于在步骤⑧中的整形处理中还包括自紧力处理，自紧处理压力为水压试验压力的1.05～1.15倍，自紧力处理的时间最好是出炉36小时之内。
5、根据权利要求1所说的钢内胆大容积高压缠绕气瓶的制作方法，其特征在于在步骤③-⑦高强纤维所采用的是碳纤维，所形成的强化复合壳层(2)厚度是内胆(1)壁厚的1-1.5倍，完成之后换用玻璃纤维重复步骤③-⑦，其中步骤③中涉及到的环氧树脂中应添加阻燃剂，步骤④中的初始缠绕角度不小于70度，最终形成的阻燃保护壳层(3)的厚度是强化复合壳层(2)厚度的1/8-1/10。
6、根据权利要求5所说的钢内胆大容积高压缠绕气瓶的制作方法，其特征在于在步骤③-⑦高强纤维所采用的碳纤维中初始部分由石墨纤维替代形成加强壳层是内胆(1)壁厚的0.2-0.5倍，所形成的混合强化复合壳层总厚度是内胆壁厚的0.8-1.0倍。
7、钢内胆大容积高压缠绕气瓶，结构中包括旋压缩口高压无缝钢管内胆(1)，和内胆(1)外壁缠绕固化形成强化复合壳层(2)，借助两端缩口瓶颈的内螺纹固定前端塞(4)和后端塞(5)，前端塞上设置进、出气阀门(6)和排污装置(7)，在后端塞(5)上设置安全泄放装置(8)，其特征在于强化复合壳层(2)外还增加了一层保护层(3)。
8、根据权利要求7所说的钢内胆大容积高压缠绕气瓶，其特征在于强化复合壳层(2)中的高强纤维是采用碳纤维，保护层(3)中采用玻璃纤维加工，高压无缝钢管是采用型号为4130X、或30CrMo、35CrMo或4142、或4145、或SA372的无缝钢管，厚度选取范围是8-25mm与设计气瓶的工作压力相匹配，强化复合壳层(2)是管壁厚度的1-1.5倍，保护层(3)是强化复合壳层厚度的1/8-1/10。
9、根据权利要求8所说的钢内胆大容积高压缠绕气瓶，其特征在于强化复合壳层(2)中的采用的碳纤维接近内胆部分由石墨纤维替代，形成加强壳层，它是内胆壁厚的0.2-0.5倍，所形成的混合强化复合壳层(2)总厚度是内胆壁厚的0.8-1.0倍。
10、根据权利要求7所说的钢内胆大容积高压缠绕气瓶，其特征在于是按照权利要求1所说的制作方法中的加工步骤加工而成的。
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