提高和穩(wěn)定鋁合金內膽復合氣瓶疲勞壽命要點分析

李輝 張樹勇

摘 要：比照其它各類型氣瓶，簡要介紹了鋁合金內膽碳纖維全纏繞復合氣瓶的優(yōu)缺點；講述了提高鋁合金內膽復合氣瓶疲勞壽命的工藝手段、施加預應力的方法和注意要點；分析了鋁合金內膽復合氣瓶設計、制造中影響氣瓶疲勞壽命的主要因素。

關鍵詞：鋁合金內膽碳纖維全纏繞復合氣瓶；綜合性能；疲勞壽命

1 鋁合金內膽碳纖維全纏繞復合氣瓶簡介

隨著我國汽車總量的不斷增加，尤其是城市個人擁有車輛的迅猛增長，汽車尾氣排放給城市帶來的污染日益加劇，因此清潔燃料汽車得到了快速發(fā)展。盛裝清潔燃料的壓力容器也從鋼質氣瓶發(fā)展到環(huán)纏繞鋼質氣瓶和纖維全纏繞復合氣瓶時代。氣瓶的重量大大減輕，安全性也大幅度提高。如今，纖維纏繞復合氣瓶已在國內廣泛應用，尤其是纖維全纏繞復合氣瓶的應用，已經成為未來發(fā)展的趨勢。

鋁合金內膽碳纖維全纏繞復合氣瓶，其內膽是利用國外先進的生產設備經反擠壓、引伸、強力旋壓以及旋壓收口等多道工序整體加工成型的，加工技術和能力是國內領先的。復合氣瓶是按ISO11439-2000及DOT標準設計生產的，并經國內外先進的檢驗檢測設備全程質控，產品質量可靠、性能穩(wěn)定、外型美觀。由于鋁合金具有良好的導熱性，復合氣瓶在遇到意外事故燃燒時，能順利將熱量傳遞給瓶閥并打開易熔塞安全泄壓；由于采用了高強度、高模量及低密度的碳纖維作為增強材料，彌補了玻璃纖維在這些方面的不足，使產品結構更加合理，安全性、可靠性大大提高；鋁合金內膽碳纖維全纏繞復合氣瓶由于其重量輕、性能穩(wěn)定及安全可靠還不斷應用于其它領域，如呼吸器等。

鋁合金內膽碳纖維全纏繞復合氣瓶的不足之處是價格偏高，其價格的高低主要取決于國際市場上碳纖維的價格。隨著碳纖維價格的大幅度下調，其材料成本已有明顯下降，價格也在逐步走低，同時，隨著國內產品設計水平的不斷提高，結構設計的不斷優(yōu)化，單只氣瓶的碳纖維用量也將逐漸減少，氣瓶的銷售價格將有明顯的下降，必將成為用戶歡迎的高端產品！

2 鋁合金內膽復合氣瓶疲勞壽命分析

我們知道，復合氣瓶的安全性高是因為其失效形式為內膽疲勞裂紋逐漸擴展直至泄漏的形式——即“破裂前泄漏”失效模式。而如何使鋁合金內膽復合氣瓶的疲勞壽命達到或超過有關標準的要求，是該產品設計、制造的技術核心。

2.1 施加預應力

鋁合金內膽復合氣瓶的疲勞問題即是內膽的疲勞問題。內膽在工作壓力作用下，處于拉應力狀態(tài)，拉應力越大其疲勞壽命越短，反之越長。因此，降低工作壓力下內膽的拉應力成為提高復合氣密使用壽命的重要手段。為了降低工作壓力下內膽的拉應力，通常采用為內膽施加預應力的方法，以使內膽在零壓力下處于壓應力狀態(tài)，從而降低工作壓力下內膽的拉應力。施加預應力的方法通常有二種，即纖維施加張力和自緊。

2.1.1 纖維施加張力。在纏繞時為纖維施加張力，其張力可以盡可能的大，但必須考慮二個因素。第一，對于玻璃纖維，由于其強度相對較低，若施加的張力過大，則會造成纖維的靜態(tài)蠕變，隨著氣瓶使用時間的增加，纖維強度會不斷下降，使氣瓶提前失效或發(fā)生爆炸危險。對于碳纖維，由于其強度相對比較高，張力可以大一些。但不論是玻璃纖維還是碳纖維，還必須同時考慮第二個因素；在纏繞過程中，纖維的張力越大其磨損就越嚴重，尤其是碳纖維更加明顯。所以，纏繞過程中當纖維受磨擦起毛比較嚴重時，則纖維施加的張力必須減小，這一方面，應根據(jù)不同的設備摸索出各類纖維施加張力的最大值。

2.1.2 自緊。氣瓶在纏繞、固化后，為氣瓶施加高于試驗壓力值的壓力，使鋁合金內膽的拉應力越過其屈服點，產生永久殘余變形，進而使纏繞纖維發(fā)生應變、張力增加，達到使內膽獲得壓應力的目的。自緊壓力值可以通過應力分析獲得，但還必須得到試驗的驗證。自緊壓力值不能過大，至少不應使內膽在自緊后產生宏觀上的失穩(wěn)現(xiàn)象。

自緊壓力值是建立在一定的內膽壁厚和一定的內膽及復合層力學性能基礎上的，如何使每只氣瓶的內膽都能獲得相對穩(wěn)定的、滿足設計要求的預應力，不但對內膽設計提出了要求，尤其對內膽和復合層制造工藝過程的質量控制比之金屬氣瓶提出了更高的要求。

2.2 鋁合金內膽設計壁厚取值原則及設計壁厚制造公差和偏差控制

2.2.1 內膽設計壁厚取值原則。當內膽的力學性能確定以后，全纏繞復合氣瓶內膽的設計壁厚取值多大為合理。從材料成本考慮，內膽越厚復合氣瓶綜合材料成本越小、質量越大；反之綜合材料成本越大、質量也越小。從理論上分析及產品結構的合理性考慮，全纏繞復合氣瓶內膽設計壁厚的上限值，應以內膽承載不超過30%為宜；下限值以復合氣瓶在試驗壓力下內膽的應力不超過屈服點為宜。

2.2.2內膽設計壁厚制造公差和偏差控制。內膽的設計壁厚制造公差及壁厚偏差，應根據(jù)內膽的設計壁厚及內膽的承載情況而定。其原則是，在制造公差及偏差范圍內的內膽，其最小壁厚處，應保證自緊壓力下應力超過屈服點且不會產生宏觀失穩(wěn)現(xiàn)象；而最大壁厚處的應力不應低于屈服點應力。在通過應力分析確定自緊壓力時，應同時計算和確定內膽設計壁厚制造公差和偏差。內膽的設計壁厚制造公差及壁厚偏差相對較小，而且在生產制造過程中必須得到嚴格控制，否則某些氣瓶的內膽就有可能在自緊時不能獲得設計要求的預應力，達不到設計要求的疲勞壽命而提前泄漏失效；或是在自緊時內膽應力過大產生屈服破壞，使氣瓶報廢。

2.3 鋁合金內膽熱處理力學性能的控制

鋁合金內膽熱處理后的力學性能是內膽同時也是復合氣瓶的一項重要指標。在制定復合氣瓶相關標準或確定產品圖時，一般只規(guī)定出內膽熱處理后的最低力學性能保證值。而在最低保證值之上，熱處理后的力學性能值是有比較大的變化的，即力學性能值浮動范圍比較大。那么，由于內膽力學性能的變化，就會有可能導致2.2中所敘述的現(xiàn)象發(fā)生。因此，在制定內膽熱處理工藝規(guī)范時，應根據(jù)熱處理設備的狀況，在滿足相關標準的前提下給出內膽熱處理后力學性能上、下限值并有效控制。在為復合氣瓶提供應力分析力學性能數(shù)據(jù)時，應給出內膽力學性能保證值的中間值及中間值或接近中間值狀態(tài)下的鋁合金材料的“應力-應變曲線”。

2.4纏繞復合層力學性能控制

在全纏繞復合氣瓶中，纏繞復合層承擔著絕大部分載荷。因此，纏繞復合層的力學性能對氣瓶的強度及其疲勞壽命起著極其重要的作用。當復合氣瓶爆破試驗滿足設計要求后，如何控制纏繞復合層的力學性能范圍就顯得十分重要。

2.4.1 纖維強度控制。纏繞復合層的強度主要來自增強材料——纖維，通常新生態(tài)纖維的強度會隨著放置時間的增加而降低。同時放置纖維的環(huán)境如溫度、濕度等因素也會對纖維強度的降低產生比較大的影響。爆破試驗表明，當纖維超期放置后，復合氣瓶的爆破壓力將下降5%～10%，甚至更多。因此，在氣瓶纏繞生產前應對纖維進行拉伸強度、彈性模量等力學性能進行檢測，其測試結果以不超過新生態(tài)纖維力學性能值與纖維最低力學性能保證值之平均值的3%～5%為宜，但復合氣瓶的強度設計裕度應充分滿足此項要求。同時，為應力分析提供的纖維力學性能值以及用層合板測試的相關力學性能值都應以上述纖維力學性能平均值為準。

2.4.2 樹脂含量控制。纏繞復合層的樹脂含量不同纖維的含量也就不同，復合層的力學性能也就隨之改變。通常，當樹脂的溫度一定（粘度也就一定），纏繞張力一定及紗帶纖維排列密度一定，纏繞復合層的樹脂含量就不會有太大的改變，也就完全可以滿足設計的要求。以上分析的各個要素都不是孤立存在的，它們相互影響，交織作用，在設計生產中應綜合、平衡考慮。

影響鋁合金內膽全纏繞復合氣瓶疲勞壽命的因素很多，上面分析的只是其中的幾個重要方面。其它方面如內膽內外表面質量、最大缺陷尺寸的確定、控制及檢測、纏繞復合層裂紋容限的控制等，在設計及生產制造中也都是不可忽視的因素。總之，鋁合金內膽纖維全纏繞復合氣瓶是一個滲透了多學科、多種生產工藝技術，具有高技術含量的高壓容器產品。隨著用戶對產品的不斷了解及需求量的不斷增加，鋁合金內膽纖維全纏繞復合氣瓶必將成為用戶歡迎的產品。

參考文獻

[1]周海成.汽車用壓縮天然氣氣瓶發(fā)展綜述[J].中國氣瓶，2001（2）.

作者簡介：李輝，1992年畢業(yè)于佳木斯工學院，焊接工藝與設備專業(yè)，工學學士學位，1996年畢業(yè)于黑龍江社科院經濟管理專業(yè)，研究生學歷。齊齊哈爾市特種設備檢驗研究所，高級工程師。1992年至今一直從事特種設備檢驗研究工作。