關(guān)于復(fù)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(shè)備有限公司,山東　東營　257067）

關(guān)于復(fù)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(shè)備有限公司,山東東營257067）

摘要：壓力容器的可靠性決定了內(nèi)容物體的穩(wěn)定性，其安全性將直接影響到整個空間系統(tǒng)的安全。由于壓力容器受外界儲存環(huán)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(jù)國內(nèi)外研究來看，一般情況下，沖擊損傷可以造成高壓容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)突變，整體結(jié)構(gòu)材料的受力強度和穩(wěn)定性嚴重降低、為了保障壓力容器的整體安全，使用復(fù)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(jù)碳合金、環(huán)氧復(fù)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(wěn)定性的方法。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；纏繞方法；沖擊損傷；壓力容器

1　復(fù)合材料壓力容器的特點

復(fù)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(shù)較高，在遭遇了外力沖擊的情況下，復(fù)合材料纏繞處理法容器具有穩(wěn)定性較高的特點，可以在比較惡劣的儲存環(huán)境下，保證壓力容器失效模式安全等等優(yōu)點。正因為如此，復(fù)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(huán)境的空間系統(tǒng)中得到了比較廣泛的應(yīng)用。其中，最典型的復(fù)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(nèi)存上纏繞在符合材料的基礎(chǔ)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(fù)合材料內(nèi)存的纏繞壓力容器的制造。復(fù)合材料壓力容器（COPVs）一般會被安排在國家高精尖領(lǐng)域的制造項目中，復(fù)合材料的壓力容器技術(shù)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(nèi)外壁的影響

碳合金和環(huán)氧復(fù)合材料壓力容器在受到了外力沖擊之后，最為直接的結(jié)構(gòu)就是在容器的內(nèi)壁出現(xiàn)不均勻的裂縫，產(chǎn)生各種明顯的受損狀況下的缺陷。比如，在金屬容器的內(nèi)壁會出現(xiàn)襯體凹凸不平的現(xiàn)象。環(huán)氧符合材料由于纖維分層材料的特點顯著，會出現(xiàn)復(fù)合層與壓力容器的內(nèi)襯脫離粘黏、容器內(nèi)壁基體發(fā)生開裂和顯著分層，這些都是典型的壓力容器受到?jīng)_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(nèi)壁出現(xiàn)明顯的纖維斷裂現(xiàn)象。

2.2復(fù)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(fù)合材料纏繞壓力的標準性測試，為壓力容器沖擊損傷狀態(tài)下，復(fù)合材料纏繞壓力容器加強的技術(shù)進行了研究和分析。美國航天公司抽調(diào)全國技術(shù)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(huán)氧壓力容器（Copvs）進行了高頻次的沖擊試驗。根據(jù)研究實驗的過程，獲得了大量碳合金/環(huán)氧（Copvs）的實驗數(shù)據(jù)，使用復(fù)合材料可以顯著緩解沖擊損傷的效力。根據(jù)復(fù)合材料纏繞技術(shù)中，壓力容器沖擊損傷的實驗中得到了測試結(jié)果表明，用不同能量的沖擊碳元素/環(huán)氧壓力容器（Copvs）產(chǎn)生的具體損傷效果很不一樣，沒有使用復(fù)合材料的壓力容器在沖擊能量加大時，會出現(xiàn)內(nèi)壁爆裂的現(xiàn)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(fù)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(xiàn)集中施壓的現(xiàn)象。由于復(fù)合材料在接頭處內(nèi)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(huán)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。勘測科學家通過肉眼對壓力容器的內(nèi)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(fā)現(xiàn)在受力情況下，復(fù)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(jīng)濟技術(shù)的發(fā)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(nèi)襯的凹陷翹張屈合以及壓力容器的復(fù)合層分層進行準確探傷。采用超聲反射發(fā)可以對沖擊傷后的COPVS中出現(xiàn)的分層狀況進行精準測算，可以對內(nèi)襯復(fù)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(nèi)襯處理過程中，嚴格按照罐體設(shè)計和復(fù)合材料纏繞處理的相關(guān)工藝質(zhì)量標準，展開標準化生產(chǎn)的細節(jié)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(fù)合層部分，展開實時的聲波探傷和外觀質(zhì)量檢查，直接剔除復(fù)合層表面或者壓力容器內(nèi)部存在裂紋和部分氣孔脫層的產(chǎn)品，從源頭上加強對于壓力容器的質(zhì)量管控，提高容器整體數(shù)量上的優(yōu)良率和抗沖擊性能。由于產(chǎn)品的設(shè)計在抵御撞擊損傷的作用比較明顯，因此要考慮到COPVs在內(nèi)襯泄露失效和動力學環(huán)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(chǎn)、試驗和搬運的操作過程中，提高其抗風險失效的安全系數(shù)。

4　結(jié)束語

從高壓容器內(nèi)襯纏繞的復(fù)合材料來看，我們國家一般采用了碳合金材料與環(huán)氧復(fù)合材料，作為高壓容器的內(nèi)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與緩擊沖壓的比模量。另外，使用碳合金和環(huán)氧符合材料的多層纏繞技術(shù)，可以使壓力容器在空間運行的過程中實現(xiàn)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。

參考文獻：

[1]王小永.碳/環(huán)氧復(fù)合材料纏繞壓力容器的沖擊損傷效果及無損檢測評價技術(shù)[J].無損檢測,2013,30(03):183-185.

[2]任明法,楊留鑫,孫冬生等.復(fù)合材料纏繞壓力容器沖擊損傷分析[J].壓力容器,2012,29(10):29-35.

[3]王小永,劉志棟,池秀芬等.低能量沖擊對碳/環(huán)氧復(fù)合材料纏繞壓力容器的結(jié)構(gòu)損傷及強度影響分析[J].強度與環(huán)境,2011,34(03):38-45.

[4]張永明.車用纖維環(huán)向纏繞復(fù)合材料氣瓶碰撞試驗損傷容限研究[D].華東理工大學,2011,13(10):29-33.

[5]張永明,李培寧.纖維環(huán)向纏繞復(fù)合材料氣瓶沖擊損傷容限研究[J].壓力容器,2011,28(10):22-26,14.

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