關于復合材料壓力容器制造中得質量控制要點分析

趙亮

（貴州七冶壓力容器制造有限責任公司，貴州 貴陽 550014）

1 概述

壓力容器是承受一定壓力的設備，在化工、輕工、能源、航天等領域得到廣泛應用。我國工業技術的發展迫切要求壓力容器能夠在各種條件下具有更優良的性能。壓力容器本身存在著很大的危險性，其危害程度主要與設計壓力、溫度、介質條件和材料力學性能有關。復合材料的發展對整個壓力容器技術的突破具有重要意義。壓力容器的材料選取是設計過程中的重要步驟，對容器的后期使用起著決定性作用，材料的機械強度和耐腐蝕性等都會影響壓力容器的使用狀況，以往壓力容器材料多為金屬板材，容器內襯采用耐腐蝕的合金鋼材料，外層進行金屬層板包扎以提高機械強度。但金屬材料密度大、造價高，尤其是在腐蝕嚴重的場合選用合金鋼材料，給工業生產帶來許多不便。上世紀40年代，復合材料得到迅速發展，尤其促進了復合材料壓力容器的發展和應用。復合材料壓力容器具有優良的性能，在工業壓力容器中得到了廣泛應用。

2 復合材料壓力容器的相關概述

2.1 復合材料壓力容器性能特點

根據國際化標準組織（ISO）的定義，復合材料是由兩種或兩種以上物理和化學性質不同的物質組合而成的一種多相固體材料。其中，一種材料為基體，其它材料為增強體組合而成的材料各種材料在性能上互相取長補短，產生協同效應，使復合材料的綜合性能優于原組成材料而滿足各種不同的要求，不但具有可設計性材料與結構的同一性。復合材料的優越性、復合性能對復合工藝的依賴性等特點，還具有優良的化學穩定性，減摩耐磨自潤滑、耐熱、耐疲勞和電絕緣等性能，復合材料的優良性能使得尤其制造而成的壓力容器具有獨特的特點和優良性能：

2.1.1 機械強度高，目前復合材料的增強材料主要為一些纖維產品 復合材料中的大量增強纖維，使得材料過載而少數纖維斷裂時，載荷會迅速重新分配到未破壞的纖維上，使整個構件在短期內不至于失去承載能力；由于纖維材料本身強度高，形變性能好，與基體材料結合后強度性能會提高數倍；制成的容器質量好、剛性好、強度高。

2.1.2 容器密度小，復合材料壓力容器基體材料為金屬、陶瓷和一些聚合物等，本身密度不是很大，與增強材料融合更加降低了其密度值，因而相應的壓力容器密度也會隨之降低。

2.1.3 耐腐蝕好，與傳統金屬相比，復合材料的耐腐蝕性能明顯提高，不需要做特殊處理即能滿足耐腐蝕的要求，所以復合材料壓力容器耐腐蝕性也相應由于一般金屬壓力容器。

2.1.4 韌性好，在壓力作用下，鋼制壓力容器破壞具有突發性，而復合材料壓力容器的生產中材料與基體有效結合，可以使載荷平衡傳遞，防止裂紋擴展，提高了材料的斷裂韌性，從而提高了壓力容器的抗壓性能。

2.2 復合材料壓力容器研究現狀

目前，復合材料壓力容器正以獨特的優勢(重量輕、結構效率高、失效形式安全、耐腐蝕性好)在飛機、潛艇、火箭等運載工具及醫療方面廣泛應用。

復合材料壓力容器是復合材料技術在壓力容器中的重要應用，必將隨著復合材料技術的發展而發展。因此，在拓展復合材料壓力容器應用范圍的同時，國內外都在加強復合材料壓力容器方面的基礎研究，特別是在帶內襯或無內襯壓力容器的受力狀態進行精確分析取得了一定成果。在對改進復合材料的成型工藝，使碳纖維復合材料與其連接的金屬材料成為整體，達到最佳的性能指標。從而促進了復合材料壓力容器在性能上的進步。

3 復合材料壓力容器制造中質量控制要點分析

3.1 復合材料的選擇

復合材料壓力容器在某些服役工況條件下，除了要有足夠的強度外，還應具備良好的氣密性，且與氣體介質種類、壓力有緊密聯系。復合壓力容器主要由內襯和纖維纏繞復合材料增強層組成。內襯材料的選取與復合材料的材料設計直接影響了壓力容器的性能，所以在設計復合壓力容器前，應根據壓力容器的使用環境和用途等方面而定。謹慎選擇復合壓力容器的材料。

3.1.1 內襯材料

復合壓力容器在高壓作用下除了有足夠的強度外，還應有良好的氣密性。但纖維增強樹脂基復合材料氣密性較差，壓力容器必須擁有能夠密封的內襯。復合壓力容器的內襯材料可以分為兩類：金屬材料和塑料材料。

3.1.2 纖維纏繞復合材料

1）纖維材料

復合壓力容器中復合材料纏繞層承擔絕大部分的壓力載荷，纖維是復合材料的主要承載部分。目前常用的纖維增強材料有玻璃纖維、碳纖維、凱芙拉（Kevlar）纖維等，主要產品形式為無捻粗紗。

2）樹脂粘結劑

樹脂粘結劑起粘接纖維的作用，以剪切力的形式向纖維傳遞載荷，并保護纖維免受外界環境的損傷。主要有環氧樹脂、酚醛樹脂、聚酸亞胺樹脂等，目前常用的是環氧樹脂，它具有粘結力大，制造工藝簡單，固化后收縮率小，硬度高，韌性好的特點。

3.2 復合材料設計與工藝

決定復合材料性能的不僅是增強纖維，樹脂基體也起著非常重要的作用。樹脂基體的選擇決定于纖維的種類和復合材料的性能要求，對于復合材料壓力容器所用樹脂通常采用環氧樹脂。在生產實踐中，應對復合材料的固化反應機理及固化反應動力學進行系統的分析研究，在樹脂配方的使用設計工藝時應充分考慮材料的配比、成本和性能等問題。

復合材料壓力容器的設計通常采用網格理論，但網格理論無法分析壓力容器封頭處的應力分布，由碳纖維和芳綸纖維增強的壓力容器又經常出現封頭早期破壞形式，因此，分析復合材料壓力容器封頭處的應力分布，從而給出合理的封頭補強形式尤為必要。用有限元方法對復合材料壓力容器封頭處的應力分布進行有效的分析可給出合理的封頭補強形式。

對于金屬內襯復合材料壓力容器的設計有別于橡膠或塑料內襯的壓力容器。一方面，金屬內襯本身在工作的時候承受一定的拉應力；另一方面，金屬內襯容易出現早期或疲勞開裂破壞形式。

本文討論了金屬內襯的纖維纏繞壓力容器設計方法，通過應變控制準則，有效的解決了壓力容器的設計問題。同時通過對金屬內襯斷裂延伸率的提高，預防了金屬內襯的早期開裂，提高了壓力容器的疲勞壽命及可靠性。

3.3 壓力容器焊接控制

編制壓力容器焊接工藝時，給出的焊接規范是一個范圍，這有利于焊工操作。但在實際焊接過程中，焊接參數是一個給定值（表值）。有的制造廠在焊接檢查記錄中填寫的焊接參數與焊接工藝一樣（是一個范圍）。這是不真實的，也是不負責任的。因此，焊接參數控制必須以焊機上的表讀顯示數值為準，焊接記錄也必須填寫這個表示值。這一點應當予以足夠的重視。焊接質量就是靠焊接參數來保證的。焊接參數記錄不能反映實際情況，甚至不按焊接參數施焊，那后果不堪設想，所以，必須真實記錄實際施焊參數。另外一個參數是焊接速度，這是焊接過程中保證線能量（焊接輸入熱）的關鍵環節。在制造低溫容器時，要求焊工一根焊條在保證焊接質量的前提下，盡量增加焊接長度。

3.4 熱處理控制

壓力容器制造過程中，有時需要進行熱處理。常見的熱處理有下述幾種：消除焊接殘余應力熱處理、正火熱處理、調質熱處理和固溶化熱處理等等。不管哪種熱處理，均要控制加熱（升溫）、保溫、降溫三個階段。應當強調的是，在調質處理的淬火階段和固溶化處理的降溫階段，要有足夠快的冷卻速度。這個冷卻速度，一般根據鋼的連續冷卻曲線來確定。因此，必須把握住這個至關重要的數值?？梢圆捎脟娏艽慊穑@比水池淬火冷卻速度更快，效果更好。

3.5 無損檢測控制

無損檢測就是我們通常稱之為探傷。在壓力容器制造過程中常用的探傷方法有射線、超聲波、磁粉、滲透幾種。這幾種探傷方法可分別檢測母材、焊縫、表面和近表面的缺陷，確保壓力容器的質量。

首先要明確設計要求的探傷方法及合格標準，看其是否能執行，有時也會出現圖紙要求的特殊探傷方法。

其次，無損檢測往往實踐經驗顯得更為重要。同一臺儀器，不同的人操作，結果可能不一樣。經驗豐富的人，往往正確準確，特別是超聲波探傷。

第三，控制探傷儀器和器材的質量，這對探傷結果的評定是至關重要的，質量不好的器材，會導致誤判。

第四，不斷開發新技術，為壓力容器質量安全提供更多的保障技術和手段，有的制造廠開發出長方形截面長形內壓容器角對接焊縫射線探傷技術，使這類承受高壓力容器的角對接焊縫質量得到保證。

3.6 焊縫返修控制

3.6.1 焊縫返修必須編制返修工藝，經焊接責任人審核后依據返修工藝進行返修，對焊接接頭的同一部位的返修次數超過2次以上的返修，需經單位技術總負責人批準。

3.6.2 返修的現場記錄應詳細，至少包括坡口型式、尺寸、返修長度、焊接工藝參數（焊接電流、電弧電壓、焊接速度、預熱溫度、層間溫度、后熱溫度和保溫時間，焊材牌號及規格，焊接溫度等）和施焊者及鋼印等。

3.6.3 要求焊后熱處理的壓力容器，應在熱處理前焊接返修；如在熱處理后進行返修，返修后應再作熱處理。

3.6.4 有抗晶間腐蝕要求的奧氏體不銹鋼制壓力容器，返修部位仍需保證原有的抗晶間腐蝕性能。

3.6.5 壓力試驗后需返修的返修部位，必須按原質量要求經無損檢測合格，由于焊接接頭或接管泄漏而進行返修的，或返修深度大于1/2壁厚的壓力容器，還需重新進行壓力試驗。

3.7 復合材料壓力容器性能檢測

圖1 復合材料壓力容器示意圖

圖2

圖3 連接環示意圖

如何獲取復合材料壓力容器制造過程信息，提高其穩定性，一直是復合材料壓力容器工作者關注的重要課題。復合材料壓力容器成型工藝過程中包含復雜的物理化學變化，影響產品質量的因素十分復雜。傳統的工藝過程控制無法得到加工材料內部狀態變化的信息。光纖傳感技術是近年來隨著智能材料與結構在各行各業的廣泛應用而興起的一種全新的監測手段。光纖傳感器具有體積小、重量輕、抗電磁干擾、信噪比高、測量對象范圍廣、與基體材料相容性好等特點，最適合于埋入式測量，因而使復合材料固化工藝過程的監測成為可能。

根據復合材料的特點，用多種手段對復合材料的工藝全過程、多種參量進行在線監控。將光纖智能化在線監測技術引入復合材料壓力容器生產工藝中，將大大提高復合材料成型工藝過程的效率，提高產品質量和性能，降低工藝成本。實時獲取復合材料壓力容器服役條件下的狀態信息，對提高結構安全與可靠性、降低維護成本以及理論模型的發展具有重要意義。通常所采用的一些復合材料結構的損傷檢測方法成本較高，設備復雜，不能實時在線監測。迫切需要建立一種有效的復合材料結構在線監測系統，實現快速、準確檢測損傷的形成以及損傷的位置。因此，將材料開發、力學設計與在線監測技術有機結合，針對一些特殊的復合材料壓力容器服役環境有必要采用氦檢漏技術、聲發射技術、高精度變形測量技術、光纖健康監測技術等，建立一套滿足復合材料壓力容器使用性能評價方法，為復合材料壓力容器的工程應用提供相關的配套技術，保障其在特殊環境應用的可靠性和安全性。

復合材料壓力容器結構設計理論的發展，薄壁金屬內襯成型技術的創新，纏繞成型工藝仿真技術的實現以及性能監測與評價體系的建立，為最大化地優化了復合材料壓力容器個方面性能，解決了如航天，深海潛水等科學。

4 復合材料壓力容器的設計及其典型結構

4.1 復合材料壓力容器的設計

復合材料壓力容器一般采用纖維纏繞工藝方法制造，由連續纖維提產品所需的強度和剛度。制造時一般采用延展性好的金屬材料如鋁、塑性塑料或橡膠傲內襯以滿足容器的氣密性能和疲勞性能要求。設計上一般采用網絡理論，進行網絡分析。

網絡理論認為由纖維連續纏繞而成的（壓力容器）器纖維分布均勻，同時受力，不計基體剛度，載荷全部由纖維承擔。筒身可以進行螺旋纏繞、螺旋纏繞加環向纏繞、螺旋纏繞加縱向鋪放、縱向鋪放加環向纏繞。封頭的形狀不能預先給定，必須通過計算決定，且網絡徽元必須以均衡型條件為前提，只能進行螺旋或平面纏繞，不能進行環向纏繞。通過網絡分析獲得纏繞纖維的纏繞方向、纖維厚度和纖維應力。

4.2 復合材料壓力容器的典型結構

由于復合材料不同于鋼材的制造工藝壓，不能在筒體上方便地開孔、接管等，復合材料壓力容器必須考慮復合材料的特有性能，其結構的連接、密封等都有不同于鋼材的方法。

圖1介紹一個典型的軸對稱圓柱形筒體復合材料壓力容器的結構和制造過程。典型的壓力容器通常由接頭2，上部3，中部4和下部5構成，6和7分別表示的是短纖維復合填料和長纖維復合加強件。圖2表示的接頭是由短纖維復合材料層包圍的金屬適配器，用以連接管子、閥門等，以便裝載和排出物料，由于復合材料不適合經常的螺紋裝配，需要使用金屬。在這種情況下，連接部分必須保證安全，由短纖維和樹脂組成的填料能夠較好地填進槽中，將長纖維加強件和金屬適配器緊密地連接起來。

本例的容器下部是向內的，這適合于低壓的情況,而向外則適合于高壓的情況上部和中部、中部和下部之間通過金屬環連接，結構見圖3。該結構的壓力容器在制造時，用工具鋼或碳鋼做模.模通常分為上、下兩個部分，嚴格定義內部空心部分的形狀。將待成型的容器做成上面所述的形狀，化工裝備在其內部放置一個用尼龍做成的袋子，袋子端部有一個用以接受壓縮空氣的接頭。然后將成型的容器放進模中，通入壓縮空氣，使得容器的材料膨脹，緊貼模的內壁，最終制成所需的容器。由經典的應力分析可知，承受內壓圓柱殼的周向應力、軸向應力和長度無關，容器的容積可以在不影響應力的情況下通過改變而改變，該結構的容器的改變是通過圖3中所示的金屬連接環的使用而實現。

結束語

復合材料壓力容器生產技術的不斷發展和復合材料結構設計理論、制備工藝、性能評價方法的不斷突破，使得復合材料壓力容器性能越來越高，從而能夠適應更多的使用環境。社會經濟的發展和全球化給我國壓力容器行業帶來了新的發展機遇，同時也給復合材料壓力容器的帶來了新的挑戰。作為生產者的我們應嚴格把好壓力容器的生產質量關，以身作則，兢兢業業，生產出優質、安全的產品，為企業提高效益的同時，為社會創造財富。

[1] 張天平.空間應用復合材料壓力容器研制技術[J].上海航天，2002，3:54-62.

[2] 陳建良，童永光.復合材料在壓力容器中的應用[J].壓力容器，2001，18(6):47-50.

[3] 廖英強，劉勇瓊.纖維纏繞壓力容器的可靠性分析[J].宇航材料工藝，2008（6）：7-9.

[4] .劉餳禮，王秉權.復合材料力學基礎[M].北京中國建筑工業出版社，1984.

[5] .張天平.空間應用復合材料壓力容器研制技術[J].上海航天，2002（1）：54-58.

[6] 蒙曉影.復合材料的特性及其力學性能的試驗評價方法 [J].赤峰學院學報，2005，21（3）：77-77，2007（4）：54-57.

[7] 王鳳生，吳大華，包河山.壓力容器設計方法探討[J].一重技術，2004（1）：5-7.