大型碳纖維復合材料氣瓶在壓縮天然氣儲運領域中的研制與應用進展

白潔　宇秋紅

摘 要：利用纖維纏繞成型技術制造的大型天然氣壓縮（ CNG）氣瓶具有較大的優點，包括質地輕巧，強度較高，耐疲勞性好而且具有一定的抗腐蝕性。上述優點可以滿足遠洋天然氣的開發以及長途陸路運輸。本文通過介紹目前發達國家以及我國現階段對于大型纖維復合材料氣瓶的研究及實際應用情況，同時根據目前我國的實際生產需要提出了研制大型 CNG 復合材料氣瓶關鍵性突破性的核心技術和成型裝備。

關鍵詞：碳纖維；復合材料；CNG；氣瓶；纏繞

中圖分類號：TB332 文獻標識碼：A

隨著經濟的快速發展資源開發領域已經從陸路開發向遠洋開發邁進。我國對于海洋的開發較晚在相應的技術領域缺乏一定的技術和經驗，需要有先進的技術經驗基礎作為遠洋開發的前提條件。大型纖維復合材料制成的壓縮瓶可以滿足目前國際國內對于天然氣的開采運輸的相應技術要求。目前我國開采遠洋天然氣的水平較低，需要有先進的技術制度和相應的可行的技術規范和成型裝備，能夠保證天然氣開采技術同國際先進水平持平，力爭在發展中不斷進步，不斷提升自身的實力。

1 國際上大型CNG氣瓶的儲運方式及需求

隨著能源消耗的逐漸增加，尤其是油氣能源消耗。各個國家除了在自己領土陸路的范圍內進行油氣的開發外，已經將開發的計劃實施應用到了國土中的海洋部分。據調查顯示目前世界上的油氣儲量中海洋油氣儲量占有絕對地位，因此進行遠洋油氣開發將成為未來油氣資源開發的主導。而且天然氣的價格比較實惠同時燃燒后不會產生較多的污染其中很多的包括一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、碳氫化合物的排放同燃燒汽油柴油相比排放量將會大大降低。目前我國經濟的發展還處于市場經濟的初級階段，國家在經濟發展的同時十分重視能源的節約和充分利用，同時計劃實施可持續的發展戰略，因此開發遠洋天然氣是符合經濟的發展和國家計劃實施可持續發展戰略的需要。天然氣的開采同石油的開采是同時進行的，由于技術的原因很多天然氣不能內采集只能是白白的燒掉或是重新注回地下，因此解決天然氣的采集與存儲成為油氣開發工作中亟待解決的問題。壓縮天然氣就是將天然氣進行加壓后成為高壓氣體保存在氣瓶中進行存儲。CNG氣瓶組成有合金鋼材的，也有塑料內襯外纏繞纖維增強樹脂成型的復合材料的。后者造價較低同時質地輕巧，強度較高，抗腐蝕性和安全性都較高。由于上述特點因此塑料內襯外纏繞纖維增強樹脂成型的復合材料CNG氣瓶逐漸代替了合金鋼材料的氣瓶成為目前國際上通用的運輸載體。

2 國際上大型碳纖維復合材料CNG氣瓶的研制與應用進展

外國發達國家在大型復合材料CNG氣瓶的研制和開發方面走在世界的前列，尤其是工業發展較快經濟水平較高的國家。我國對于大型復合材料CNG氣瓶的制造還處在探索階段，對于該項技術的掌握還沒有達到能夠獨立進行大型復合材料CNG氣瓶的生產制造。對于發達的經濟技術水平較高的國家在利用天然氣有一定的歷史的國家已經具備了生產大型天然氣壓縮瓶的能力。例如美國，挪威，加拿大這些國家在被制造大型天然氣壓縮瓶的材料一般采用纖維纏繞成型技術，使用的主要是樹脂體系。材料一般為大絲束纖維。隨著經濟的發展和用戶的使用要求大型復合材料CNG氣瓶在體積、質量和選材不斷推陳出新，體積方面從開始的一立方米到現在的幾十立方米，質量也在不斷的提高質地更加輕巧，更具有耐腐蝕性和強度。例如在氣瓶的內襯使用熱塑性塑料，筒體的體殼部分采用纖維環氧樹脂預浸料干法纏繞成型法。氣瓶兩端的封頭采用的是不銹鋼材質或鋁合金材質，封頭與筒體是粘在一起提高了氣瓶的整體性和封閉性。國際上對于壓縮天然氣瓶的研究開發速度很快，有設計顯示在未來十年將研制出氣瓶同船體結合為一體的專業運輸船，為天然氣的輸送創造更多的方便。

3 研發大型碳纖維復合材料氣瓶的關鍵技術、關鍵裝備及標準規范

3.1 大型復合材料CNG氣瓶制造的關鍵技術。（1）大型內襯的生產技術。對于大型復合材料天然氣壓縮氣瓶來說制造其內襯成為關鍵技術，對于內襯的制造目前主要采用的熱塑性塑料，比如常用的高密度聚乙烯（HDPE）。但在進行生產的過程中必須要保證良好的密封性和優異的氣密性，有較高的強度和剛度，同時生產氣瓶材料的韌性和抗腐蝕性，抗疲勞性都要符合要求。大型復合材料CNG氣瓶的內襯很多時候也會采用金屬內襯。金屬內襯外纏繞碳纖維成型的天然氣壓縮氣瓶具有較大的體積，一般采用旋壓收口，如何保證收口后金屬內膽的尺寸精度，瓶嘴裂紋以及穩定性是內襯成型的關鍵技術。（2）纏繞結構設計技術。纖維纏繞成型的結構設計一般依據的是網格理論。通過計算可以得到內襯的復合材料氣瓶在加壓和泄壓過程中的變形特性，可以進行氣瓶強度設計，從而可以設計纖維纏繞的相關參數，包括纖維纏繞厚度、纏繞線型、纏繞角度等。大型復合材料CNG氣瓶對長期疲勞使用壽命的要求較高，如何通過復合材料的理論計算與結構設計滿足其長期儲壓以及反復沖壓的使用要求，是大型復合材料CNG氣瓶結構設計的難點。（3）多絲束碳纖維的纏繞頭展紗技術。為了簡化纏繞成型工藝，提高產品的質量，一般優選纖維預浸法纏繞大型復合材料CNG氣瓶。但是預浸紗的展紗寬度直接影響了單層復合材料的厚度，并且還會影響復合材料層的致密程度，影響纖維強度的發揮。

3.2 大型復合材料CNG氣瓶制造的關鍵設備。為了實現上述的關鍵技術，大型復合材料CNG氣瓶制造必須采用很多生產設備，主要包括大型纏繞機、大張力控制系統、大型樹脂混合攪拌器、大型加熱固化裝置和CAQ在線質量檢測系統等土藝設備，還包括壓力循環測試裝置、氣密試驗裝置、水壓試驗裝置、聲發射檢測裝置和無損探傷檢測儀等分析檢測設備。其中，大型纏繞機是大型復合材料CNG氣瓶造的最關鍵設備之一。

結語

總而言之，隨著經濟的發展人類可利用的石油資源日趨枯竭，世界各國在尋求經濟發展的過程中都在尋求新的可利用能源和新的可持續發展政策。在這種形勢下大力發展和應用復合材料CNG氣瓶，對于節約能源、保護環境具有重要意義。

參考文獻

[1]江懷友，趙文智，裘悍楠，齊仁理，李治，潘繼平.世界海洋油氣資源現狀和勘探特點及方法[J].中國石油勘探，2008 （03）：27-34.