關于復合材料纏繞壓力容器沖擊損傷的幾點思考

晉來法（山東科瑞油氣工藝設備有限公司,山東　東營　257067）

關于復合材料纏繞壓力容器沖擊損傷的幾點思考

晉來法
（山東科瑞油氣工藝設備有限公司,山東東營257067）

摘要：壓力容器的可靠性決定了內容物體的穩定性，其安全性將直接影響到整個空間系統的安全。由于壓力容器受外界儲存環境的影響比較大，此類容器對于外界的沖擊損傷非常敏感。根據國內外研究來看，一般情況下，沖擊損傷可以造成高壓容器內部結構突變，整體結構材料的受力強度和穩定性嚴重降低、為了保障壓力容器的整體安全，使用復合材料纏繞的方法，可以有效減少壓力容器的沖擊損傷。本文根據碳合金、環氧復合等材料的主要特征做出探討，提出選用正確的配比材料的纏繞方法，有效緩解沖擊力，提高壓力容器穩定性的方法。

關鍵詞：復合材料；纏繞方法；沖擊損傷；壓力容器

1　復合材料壓力容器的特點

復合材料壓力容器因為具有重量輕的特點，并且它的壓力承擔容限指數較高，在遭遇了外力沖擊的情況下，復合材料纏繞處理法容器具有穩定性較高的特點，可以在比較惡劣的儲存環境下，保證壓力容器失效模式安全等等優點。正因為如此，復合材料纏繞的壓力容器以其較高的抗沖擊損傷的性能，不斷得到了廣大用戶的信賴，在宇宙中高壓真空環境的空間系統中得到了比較廣泛的應用。其中，最典型的復合材料壓力容器（Copvs）是指，通過在壓力容器的薄壁金屬（或者塑膠）內存上纏繞在符合材料的基礎罐體中，通過充分浸染和涂漬大量高強度的纖維，最終完成復合材料內存的纏繞壓力容器的制造。復合材料壓力容器（COPVs）一般會被安排在國家高精尖領域的制造項目中，復合材料的壓力容器技術更是得到了廣泛的運用。

2　沖擊效果損傷

2.1外力沖擊對內外壁的影響

碳合金和環氧復合材料壓力容器在受到了外力沖擊之后，最為直接的結構就是在容器的內壁出現不均勻的裂縫，產生各種明顯的受損狀況下的缺陷。比如，在金屬容器的內壁會出現襯體凹凸不平的現象。環氧符合材料由于纖維分層材料的特點顯著，會出現復合層與壓力容器的內襯脫離粘黏、容器內壁基體發生開裂和顯著分層，這些都是典型的壓力容器受到沖擊損傷的效果表征。在外界壓力過大和沖擊損傷更加劇烈的時候，壓力容器還會因為承受過高的符合，容器內壁出現明顯的纖維斷裂現象。

2.2復合材料纏繞壓力的標準性測試

在上個世紀九十年代的中后期，美國的國家航空公司開展了一項針對航天器復合材料纏繞壓力的標準性測試，為壓力容器沖擊損傷狀態下，復合材料纏繞壓力容器加強的技術進行了研究和分析。美國航天公司抽調全國技術骨干，對將近220個直徑約為150-500MM的球形壓力容器和圓柱體碳合金/環氧壓力容器（Copvs）進行了高頻次的沖擊試驗。根據研究實驗的過程，獲得了大量碳合金/環氧（Copvs）的實驗數據，使用復合材料可以顯著緩解沖擊損傷的效力。根據復合材料纏繞技術中，壓力容器沖擊損傷的實驗中得到了測試結果表明，用不同能量的沖擊碳元素/環氧壓力容器（Copvs）產生的具體損傷效果很不一樣，沒有使用復合材料的壓力容器在沖擊能量加大時，會出現內壁爆裂的現象。

3　沖擊損傷效果的影響因素以其檢測

3.1沖擊位置的影響

對于球形的復合材料纏繞壓力容器而言，沖擊位置會在對受壓容器的靠近接頭位置出現集中施壓的現象。由于復合材料在接頭處內壁纏繞侵染效果比較好，因此，此處的沖擊損傷反而比較小，主要原因就是由于碳合金與環氧壓力材料與接頭處連接，使得此處的高度顯著增加。

3.2沖擊損傷檢測

目視法是檢測壓力容器COPVS沖擊損傷的最簡單和直接有效的方法?？睖y科學家通過肉眼對壓力容器的內部進行檢查，或者借助放大鏡對容器外表面的壁襯進行檢測，可以發現在受力情況下，復合材料表面纖維的具體受損傷的情況。使用找色繩頭或者酒精擦拭，可以顯著加強目視法沖擊探傷的效果和準確度。由于經濟技術的發展和科技研究的深入，目前一些有條件的探傷沖擊檢測中，大多使用超聲探測對內襯的凹陷翹張屈合以及壓力容器的復合層分層進行準確探傷。采用超聲反射發可以對沖擊傷后的COPVS中出現的分層狀況進行精準測算，可以對內襯復合材料的纏繞狀況進行準確的定量檢測。

3.3減輕沖擊損傷

為了提高材料纏繞處理方法壓力容器的抗沖擊效果，必須要在壓力容器的加壓過程和材料內襯處理過程中，嚴格按照罐體設計和復合材料纏繞處理的相關工藝質量標準，展開標準化生產的細節管控，從而有效減弱因為高速撞擊造成的壓力容器損傷。比如，對加壓容器的復合層部分，展開實時的聲波探傷和外觀質量檢查，直接剔除復合層表面或者壓力容器內部存在裂紋和部分氣孔脫層的產品，從源頭上加強對于壓力容器的質量管控，提高容器整體數量上的優良率和抗沖擊性能。由于產品的設計在抵御撞擊損傷的作用比較明顯，因此要考慮到COPVs在內襯泄露失效和動力學環境壓力驟增的情況下的容器承受過載的能力。在壓力容器的生產、試驗和搬運的操作過程中，提高其抗風險失效的安全系數。

4　結束語

從高壓容器內襯纏繞的復合材料來看，我們國家一般采用了碳合金材料與環氧復合材料，作為高壓容器的內部填充支持物，它與其它的鋼、碳合金等金屬合成材料相比，具有更高的結構穩定性與緩擊沖壓的比模量。另外，使用碳合金和環氧符合材料的多層纏繞技術，可以使壓力容器在空間運行的過程中實現有效的減重目標，保證符合材料纏繞處理方法壓力容器的抗壓強度。

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作者簡介：晉來法（1980-），山東壽光人，本科，設計工程師，研究方向:壓力容器設計。