淺析40 MPa呼吸器用復合氣瓶的設計、制造過程質量控制要點

張瑜

摘 要：隨著我國經濟建設的快速發展，城市化和工業化進程不斷加快，高層、大型復雜建筑越來越多，火災規模越來越大，進入縱深越來越遠，對呼吸器用復合氣瓶[1]的使用時間，質量等要求也越來越高。

關鍵詞：呼吸器 復合氣瓶 質量 控制

中圖分類號：TH49 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（b）-0216-01

目前，國外空氣呼吸器普遍使用額定工作壓力為20 MPa、30 MPa的復合氣瓶，國內亦然。美國SCOTT公司與Luxfer Inc.氣瓶公司共同研發，于2012年1月開發出了額定工作壓力為5500 PSI（約38 MPa）的空氣呼吸器用復合氣瓶，獲得了美國職業安全與衛生研究院（NIOSH）和美國消防協會（NFPA）認可。此氣瓶外形輪廓減小了11%，重量減輕了15%，有效降低了使用者的疲勞感。

上海天海復合氣瓶有限公司則是：在氣瓶容積不變的前提下，通過提升氣瓶的工作壓力（40 MPa）來增加氣瓶的儲氣量，從而有效增加使用時間。兩者目的不同，但手段相同，都是通過提升氣瓶的額定壓力來達到目的。

1 40 MPa氣瓶的設計過程質量控制要點

由于復合氣瓶目前都需要采用專業的設計分析軟件（如ANSYS）對氣瓶進行分析計算，確定高壓氣瓶的應力載荷分布、復合層材料的厚度以及纏繞方式等，同時根據試驗進一步驗證理論設計的正確性，所以40 MPa氣瓶的設計過程質量控制要點在于通過分析計算結果，選擇適合的原材料、工藝方案及驗證方式確保復合氣瓶質量。

1.1 復合氣瓶的結構

本文探討的復合氣瓶是由無縫鋁合金內膽外表面采用碳纖維、玻璃纖維進行有序鋪層纏繞而成的高壓復合氣瓶[2]。鋁內膽碳纖維全纏繞復合氣瓶，主要承載結構是由鋁內膽和碳纖維纏繞層。

鋁內膽外碳纖維纏繞層是由縱向纏繞纖維層和環向纏繞纖維層按優化設計鋪層次序進行交替纏繞而成，玻璃纖維纏繞層及外層涂層作為保護碳纖維承載結構層的保護層。

1.2 40 MPa復合氣瓶的工藝方案

（1）無縫鋁合金內膽內膽合理的構形是氣瓶設計的起點，設計時需要綜合考慮性能、氣瓶外形和工藝等要求。采用鋁板拉伸成型的無縫，首先鋁板拉伸形成杯狀胚料，并通過多次拉伸成型鋁合金內膽工藝技術，不同于鋁錠沖壓技術，該加工工藝能使鋁板通過多次拉伸、均勻變薄，并對封頭部分采用漸變后設計，提高鋁合金內膽壁厚的均勻性及可控性。

（2）碳纖維纏繞層，高壓碳纖維全纏繞復合氣瓶是用碳纖維在外層進過優化鋪層纏繞而成的復合氣瓶，其中碳纖維的壓力承載達到75%～95%。所以碳纖維的鋪層設計尤為重要。碳纖維纏繞層不僅對氣瓶的疲勞壽命及爆破壓力有著巨大的影響，影響氣瓶失效模式。

1.3 40 MPa復合氣瓶的性能實驗驗證方式選擇

鋁內膽碳纖維全纏繞復合氣瓶為金屬材料和非金屬材料共同組成，不能夠通過簡單的理論計算公式進行分析，對于此類氣瓶一般都是采用試驗導向型進行驗證設計的符合性。

由于國內外市場還沒有40 MPa高壓力的鋁內膽碳纖維全纏繞復合氣瓶用于空氣呼吸器的實例，同時國內亦沒有空氣呼吸器氣瓶相關標準。為此，根據國際上相關產品標準ISO 11119-2-2002《復合結構氣瓶 規范和試驗方法第2部分：金屬內膽承載全纏繞纖維增強復合氣瓶》確定氣瓶的主要參數及對產品的符合性、安全性進行驗證實驗項目[3]。

2 40 MPa復合氣瓶制造過程質量控制要點

2.1 40 MPa復合氣瓶內膽制造過程質量控制要點

（1）鋁內膽成型工藝，鋁合金內膽在整個復合氣瓶結構中起密封作用。由于復合氣瓶需要進行多次的充氣放氣過程（按照復合氣瓶10～15年的使用壽命，平均每天2次充氣放氣，約7300～10000次），對氣瓶內膽的壁厚度均勻性具有較高的要求。壁厚均勻性越好，對于使用壽命具有顯著提高。

（2）熱處理控制，無縫鋁內膽制造過程中，需要進行固溶化熱處理。在熱處理過程中，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處理的降溫階段，要有足夠快的冷卻速度。

2.2 40 MPa復合氣瓶制造過程質量控制要點

（1）原材料控制，鋁合金內膽和復合材料是40 MPa復合氣瓶的最重要組成部分，40 MPa復合氣瓶使用的復合材料包括碳纖維、玻璃纖維、環氧樹脂、固化劑等。在制造過程中，原材料的控制直接決定著產品質量的好壞。所以一定要建立原材料的進廠檢驗規程及原材料的保存、發放領用、過期處理等程序。

（2）自緊/水壓試驗控制，水壓試驗是使用水對氣瓶進行加壓到試驗壓力，并保持試驗壓力一定的時間，最后卸去壓力并觀察氣瓶膨脹量、變形量等數據的試驗。

氣瓶自緊是使用水對氣瓶進行加壓到自緊壓力，并保持自緊壓力一定的時間，使內膽充份膨脹產生塑性變形及產生屈服的試驗。

（3）疲勞、爆破試驗控制，疲勞試驗是模擬氣瓶在使用壽命期間，不斷進行加壓卸壓的試驗。以驗證氣瓶滿足壽命要求。

爆破試驗是通過不斷對氣瓶加壓直至爆破，觀察爆破數據以驗證氣瓶的安全性。

從通過自緊/水壓試驗合格的一批氣瓶抽出氣瓶做疲勞、爆破試驗，理論上每一只氣瓶的耐壓性和壽命的差異性幾乎不大。只有使用同一制造工藝，相同的材料才能使氣瓶的水壓數據保持在一個相同的區間。因此關注疲勞、爆破試驗數據同樣重要。

參考文獻

[1] 國家標準.呼吸器用復合氣瓶（GB28053-2011）[S].

[2] 企業標準.鋁內膽碳纖維全纏繞呼吸器用高壓復合氣瓶（Q/JB THB0033-2012）[S].北京天海工業有限公司.

[3] Gas cylinders of composite construction-Specification and test methods -Part 2：Fully wrapped fiber reinforced composite gas cylinders with load-sharing metal liners.ISO 11119-2：2002[S].endprint