車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶的設計與制造

董 寧(沈陽特種設備檢測研究院，遼寧 沈陽 110035)

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車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶的設計與制造

董 寧
(沈陽特種設備檢測研究院，遼寧 沈陽 110035)

詳述了車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶的設計原則、材料選擇的要求、制造工藝方法和制造中應注意的問題，解析了車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶與單一材料結構的氣瓶在設計和制造上的不同。

車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶；纖維；纏繞層；內膽

車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶與汽車用壓縮天然氣鋼瓶相比具有以下優點：氣瓶重量輕、剛性好、強度高、氣密性好、可靠性高；金屬材料的疲勞破壞通常是沒有明顯預兆的突發性破壞，而復合材料中的增強物與基體的結合既能有效地傳遞載荷，又能阻止裂紋的擴展，提高了氣瓶的斷裂韌性；復合材料中的大量增強纖維使得材料過載而少數纖維斷裂時，載荷會迅速重新分配到未破壞的纖維上，使整個氣瓶在短期內不至于失去承載能力；復合材料氣瓶在受到撞擊或高速沖擊發生破壞時不會產生具有危險性的碎片，從而減少或避免了對人員的傷害；無需特殊處理就能滿足耐腐蝕性能。

1 車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶

1.1 車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶結構特征

車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶，也稱CNG-2型氣瓶(ISO 11439：2000《氣瓶—車用天然氣高壓氣瓶》的定義)，由鋼質內膽和纖維纏繞層兩部分組成。

車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶一般分為二種型式：雙口型(型式A)和單口型(型式B)。見圖1。

圖1 CNG-2型氣瓶型式

1.2 車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶的規格參數

根據《氣瓶安全技術監察規程》、《車用氣瓶安全技術監察規程》和GB 24160—2009《車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶》的規定：適用于設計、制造公稱工作壓力為20 MPa或25 MPa，公稱水容積為30～450 L，使用溫度一般地區為-40～65℃，設計使用壽命為15 a的環向纏繞氣瓶。

如果環向纏繞氣瓶設計超出現行國家標準范圍的，可由制造單位采用或者參照國際標準或國外先進標準制訂企業標準。企業標準應當經過國家質檢總局委托的國家氣瓶專業標準化機構技術評審和備案后方可用于汽車用壓縮天然氣鋼瓶制造。

2 車用壓縮天然氣鋼質內膽纖維環向纏繞氣瓶設計

根據薄膜應力理論，通過計算可以求得，氣瓶筒體的環向應力是縱向應力的2倍，所以環向是氣瓶的薄弱環節，氣瓶的破裂一般是沿筒體的縱向開裂，即是由于作用在筒體的環向應力達到材料的抗拉強度極限所引起的。由于纖維是環向纏繞，因此纏繞層只承擔環向應力；鋼質內膽除承擔完全的縱向應力外，還與纏繞層共同承擔環向應力。

環向纏繞氣瓶的設計應遵守“未爆先漏”(Leak- befroe-break，LBB)準則，即氣瓶材料具有足夠的韌性，快速斷裂前裂紋已穿透壁厚，導致泄漏發生，可避免突發快速斷裂，減少損失。

2.1 設計的一般要求

1. 設計使用壽命：GB 24160—2009《車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶》的規定的使用壽命為15 a。疲勞次數依據使用年限×1000次確定，即以平均每年1000次的使用次數模擬氣瓶的疲勞使用壽命。

2. 最大許用工作壓力：公稱工作壓力P是以20℃為基準溫度的限定充裝壓力，環向纏繞氣瓶允許達到的最大許用工作壓力Pm為公稱工作壓力P的1.3倍。這個壓力與內膽最小設計爆破壓力相等，由此可見環向纏繞氣瓶的安全系數是非常高的。

3. 溫度范圍：

1)氣體溫度：設計環向纏繞氣瓶時應考慮氣體溫度變化的影響：

(1)在靜止條件下，環向纏繞氣瓶內氣體的溫度變化應處于-40～65 ℃。

(2)在充裝和排放時，氣體溫度的變化可以超過-40～65 ℃。

2)纏繞氣瓶溫度：設計環向纏繞氣瓶時應考慮瓶體材料溫度變化的影響：

(1)環向纏繞氣瓶材料的溫度變化應處于-40～82 ℃；

(2)當溫度超過65 ℃時，應僅限于瓶體局部，或在相當短的時間內。除了在充裝和排放時的條件下，環向纏繞氣瓶的溫度不得超過65 ℃。

2.2 車用壓縮天然氣鋼質內膽纖維環向纏繞氣瓶材料選擇

車用壓縮天然氣鋼質內膽纖維環向纏繞氣瓶材料選擇包括內膽材料的選用、纖維的選用和樹脂基體的選用。

2.2.1 內膽材料的選用

1. 內膽材料的基本要求：車用壓縮天然氣鋼質內膽纖維環向纏繞氣瓶材料應具有較高強度、良好的塑性和足夠的韌性，以保證氣瓶的安全可靠。

由于環向纏繞氣瓶所充裝的介質為天然氣，盡管天然氣在充裝前經過脫硫、脫水、脫輕油處理，其硫化氫含量較低，但氣瓶中殘存有水時，水中溶入大量的硫化氫，會對氣瓶產生腐蝕作用，并可能產生硫化氫應力腐蝕(SCC)。這就要求嚴格限制材料的硫、磷含量，以提高材料的抗應力腐蝕性能。

2. 《車用氣瓶安全技術監察規程》和GB 24160—2009《車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶》對瓶體材料的一般規定：

1)應是電爐或氧氣轉爐冶煉的無時效性鎮靜鋼。

2)應選用優質鉻鉬鋼。

3)應具有良好的低溫沖擊性能。

4)應符合相應的國家標準或行業標準的規定，并有質量合格證明書。環向纏繞氣瓶制造單位應按爐罐號進行各項指標的驗證分析。

5)材料的化學成分限定如表1所示，其化學成分允許偏差應符合GB/T 222《鋼的成品化學成分允許偏差》的規定。

6)鋼坯低倍組織不允許有白點、殘余縮孔、分層、氣泡、異物和夾雜；中心疏松不應大于2.0級，偏析不應大于2.5級。

表1 鋼材化學成分

制造車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶材料的主要牌號為30CrMo。

2.2.2 纏繞層材料的選用

由于氣瓶反復地進行充裝，因此要求纏繞層在持續載荷和循環加載下應有非常高的安全可靠性，纖維和樹脂材料的選用和匹配直接影響環向纏繞氣瓶的安全性能。

2.2.2.1 纖維的選用

纖維增強層的主要作用是保證產品在受力的情況下，具有足夠的強度、剛度和穩定性。其中纖維是主要的承載體，樹脂只是對纖維起粘結作用，并在纖維之間起著分布和傳遞載荷的作用。因此選擇高強度、高彈性的增強纖維和性能良好的樹脂是提高結構承載能力的重要因素。復合材料所用的增強材料主要有三類：碳纖維、Kevlar纖維(也叫芳綸纖維)和玻璃纖維。

不論從設計優化方面考慮，還是從經濟方面考慮，選用玻璃纖維作為增強層材料性價比都是最高的。我國的環向纏繞氣瓶增強層材料一般都采用玻璃纖維。

玻璃纖維不燃燒，耐高溫性能好。它具有強度高、延伸率大、抗沖擊性能好、價格低廉等特點。但也存在彈性模量小、密度大、比剛度低、不耐磨、易折斷、易受機械損傷和長期放置強度稍有下降的缺點。

2.2.2.2 樹脂基體的選用

基體材料起粘接纖維的作用，以剪切力的形式向纖維傳遞載荷，并保護纖維免受外界環境的損傷。

根據環向纏繞氣瓶的使用特性，要求纏繞所用的樹脂須具有較高的韌性，否則在氣瓶受內壓作用時會因內膽和復合材料延伸率差別過大而在界面上產生軸向和環向應力，使復合材料層與內膽脫粘，不能作為一個整體同時受力，影響材料性能的發揮。

浸漬材料可以是熱固性或熱塑性樹脂。適合的基體材料有：環氧、改性環氧、聚酯和乙烯類熱固性樹脂和聚乙烯、聚酰胺熱塑性樹脂。

環向纏繞氣瓶采用的樹脂一般為環氧樹脂。

2.3 車用壓縮天然氣鋼質內膽纖維環向纏繞氣瓶的設計要求

GB 24160—2009《車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶》標準是修改采用ISO 11439：2000《氣瓶—車用天然氣高壓氣瓶》(英文版)有關CNG-2型氣瓶部分制訂的。ISO 11439標準屬于性能導向型標準，其原則是如果產品通過所有試驗，則產品是安全的。因此，ISO 11439標準不指定設計公式，而是要求對設計進行適當的分析驗證，保證產品可通過的有試驗。

2.3.1 設計文件鑒定與型式試驗

車用壓縮天然氣鋼質內膽纖維環向纏繞氣瓶產品應當按照《氣瓶設計文件鑒定規則》(TSG R1003)、《氣瓶型式試驗規則》(TSG R7002)的規定，由國家質檢總局核準的機構進行氣瓶產品設計文件鑒定和型式試驗，型式試驗的結果應當作為設計文件鑒定的依據。對首次申請制造許可的氣瓶制造單位或者需申請增項的氣瓶制造單位，必須在所涉及的氣瓶產品通過了設計文件鑒定和型式試驗后，方可進行制造許可評審。對已經取得制造許可的氣瓶制造單位，其新開發的氣瓶產品在批量制造前也必須通過設計文件鑒定和型式試驗。

2.3.2 環向纏繞氣瓶的強度設計理論

目前，對環向纏繞氣瓶的力學計算，一般都是采用網格理論分析。其基本假設如下：

1. 瓶體是由連續纖維纏繞構成，纖維分布均勻、對稱。

2. 對樹脂不計承載能力。

3. 纖維只承受拉應力，沒有抵抗彎曲和剪切變形的能力。

在單向受力情況下，要求纖維安放在主應力方向上，纖維用量則可由受力大小來計算。

2.3.3 車用壓縮天然氣鋼質內膽纖維環向纏繞氣瓶設計的一般規定

GB 24160—2009《車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶》對車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶的設計作了如下規定：

1. 不提供設計公式，但要求設計時進行適當的計算、分析和論證，以使環向纏繞氣瓶能順利地通過本標準所規定的材料、型式和批量等試驗。

2. 設計應保證環向纏繞氣瓶在正常使用期間，由于承壓部件質量退化而引起的失效模式為“未爆先漏”。如果金屬內膽發生泄漏，只應是由于疲勞裂紋的擴展所致。

3. 應對內膽材料的實測抗拉強度進行控制，熱處理后內膽材料的最大抗拉強度不得超過880 MPa。如果設計規定的抗拉強度上限大于880 MPa，氣瓶制造企業應對其限定的最高硫、磷含量的材料進行耐硫化物應力腐蝕試驗，在提供充分有效的試驗數據前提下，報氣瓶設計鑒定機構批準后，可適當提高材料的抗拉強度上限，但應不大于950 MPa。

設計時，內膽材料屈服強度的保證值應不超過抗拉強度保證值的90%。

4. 環向纏繞氣瓶水壓試驗壓力Ph為公稱工作壓力P的1.5倍。

5. 內膽最小設計爆破壓力應為環向纏繞氣瓶公稱工作壓力P的1.3倍。

6. 環向纏繞氣瓶最小設計爆破壓力不應小于表2中的給定值。為保證在承受持續載荷和循環載荷條件下復合材料纏繞層的設計具有高度可靠性，纖維應力比應滿足表2規定。

表2 環向纏繞氣瓶纖維應力比和最小設計爆破壓力

7. 應力分析：應采用能用于材料非線性分析的軟件(專用計算機程序或有限元分析程序)，建立計算復合材料力學性能的適當模型，對環向纏繞氣瓶進行自緊壓力、自緊后零壓力、工作壓力和最小設計爆破壓力下的應力分析，確定纏繞層和內膽中的應力分布，纖維應力比應符合表2的規定。

3 車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶的制造

3.1 車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶制造基本過程

車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶制造的工藝流程見圖2。

圖2 CNG-2氣瓶制造工藝流程

3.2 車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶制造的典型簡要工藝

1. 內膽制造：內膽制造與汽車用壓縮天然氣鋼瓶制造的工藝相同，只是增加了底部密封性試驗。

2. 玻璃纖維纏繞：環向纏繞氣瓶采用的線型為環向纏繞，纏繞時內膽沿自己軸線做勻速轉動，繞絲頭在平行于內膽軸線方向均勻緩慢地移動，內膽每轉一周，繞絲頭向前移動一個紗片寬度，如此循環直至紗片均勻布滿內膽筒身為止。

環向纏繞只在筒身進行，不能纏繞封頭，鄰近紗片之間相接而不相交。纏繞角度一般為85°～90°(相對于環向)。環向纏繞的纖維方向既為筒體的一個主應力方向，較好地利用了纖維的單向強度，但沒有對軸向進行加強。

環向纏繞氣瓶纏繞時應注意下列因素的影響：

1) 膠液含量的變化及分布對環向纏繞氣瓶質量的影響較大：其一，會直接影響環向纏繞氣瓶的厚度控制；其二，若含膠量過高，纏繞層的強度會降低，含膠量過低，則耐老化性能及剪切強度又會下降，同時也影響纖維強度的發揮。因此，需嚴格控制纖維纏繞含膠量，保證整個過程中的含膠量均勻。影響含膠量的因素較多，主要有膠液黏度、纏繞張力、浸膠時間等。同時膠液溫度也與環向纏繞氣瓶質量有關。

2) 纏繞張力、纏繞速度對環向纏繞氣瓶質量的影響：纏繞張力是纏繞工藝的重要參數，張力大小、各束纖維張力的均勻性以及各纏繞層之間纖維張力的均勻性等都直接影響著環向纏繞氣瓶的質量，因此采用專用設備控制其纏繞張力的大小和變化。限制纏繞速度，同時氣瓶內膽旋轉速度也不能過高，否則膠液會在離心力的作用下，向外遷移和濺灑。纏繞角是纖維纏繞方向與氣瓶內膽縱向之間的夾角，對于環向纏繞氣瓶，其纏繞角接近90°，纏繞角與纖維纏繞紗片寬度有直接關系，纏繞時控制紗片寬度，以便纖維受力最大限度地用于環向。

3) 注意線性和紗寬的穩定性。纏繞時注意表面狀態，采用刮膠方式纏繞；出現線形不規則或不平要及時處理，纏繞結束結頭要平整。

3. 固化：復合材料的固化是指其中的樹脂基體在加熱、加壓下或在固化劑、紫外光作用下，進行化學反應，交聯固化成為不溶不熔物質的一大類合成樹脂, 再受熱也不軟化，也不能溶解。這些樹脂在固化前一般為分子量不高的固體或粘稠液體；在成型過程中能軟化或流動，具有可塑性，可制成一定形狀，同時又發生化學反應而交聯固化；有時放出一些副產物，如水等。此反應是不可逆的，一經固化，再加壓加熱也不可能再度軟化或流動；溫度過高,則分解或碳化。這也就是與熱塑性樹脂的基本區別。固化后的樹脂能在復合材料中起到很好的傳遞載荷，提高力學性能的作用。

環向纏繞氣瓶在固化時，為防止樹脂流淌，固化時應旋轉加熱。為了避免產生熱應力，固化時應分階段逐步升溫加熱固化。固化溫度的最高值應大于固化物的玻璃化轉變溫度，以保證固化物的耐溫性。

4. 整修：環向纏繞氣瓶在固化完成后需進行整修，修磨氣瓶底部流膠所造成的膠液，修磨后壁厚不得小于設計厚度。修復封頭兩端掉漆部位。

5. 底部密封性試驗、內膽性能試驗、無損檢測、內膽水壓爆破試驗、纏繞層層間剪切強度試驗、纏繞層抗拉強度試驗、水壓爆破試驗、自緊、水壓試驗、氣密性試驗。

3.3 車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶制造過程中常見的缺陷

1. 內膽底部漏：系鋼管收底時，溫度不夠，或氧化皮夾在里面造成未熔合。

2. 鋼管旋壓成型工序，在瓶底、瓶肩內表面易產生皺折、裂紋，造成應力集中。

3. 內膽熱處理工序，其力學性能均勻性、一致性不易得到保證。

4. 纏繞、固化工序，易出現固化不徹底、纏繞層黏合不好的現象。

4 結束語

本文詳述了車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶的設計原則、材料選擇的要求、制造工藝方法和制造中應注意的問題，解析了車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶與單一材料結構的氣瓶在設計和制造上的不同之處，謹希望為同行提供一點借鑒和參考。

[1] TSG R0006—2014 氣瓶安全技術監察規程[S].

[2] TSG R0009—2009 車用氣瓶安全技術監察規程[S].

[3] GB 24160—2009 車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶[S].

[4] 氣瓶檢驗員培訓教材[Z]. 中國特種設備檢驗協會.

Primary Discussion on Construction and Designing of Hoop Wrapped Fibre Reinforced Composite Gas Cylinders with Metal Liners of Compressed Natural Gas for Automotive Vehicles

DONG Ning

(Shenyang Institute of Special Equipment Inspection & Research, Shenyang 110035, China)

The author conducts a detailed analysis of designing principles for wrapped composite gas cylinder, the author also gives a detailed analysis of its material choices, process and other matters needing attention. The author offers better understanding of differences in the construction and designing between fibre reinforced composite gas cylinder and single material-based gas cylinder.

hoop wrapped fibre reinforced composite gas cylinders with metal liners of compressed natural gas for automotive vehicles; fibre; overwrap; liner

2016-10-31

TH49

A

1007-7804(2016)06-0022-05

10.3969/j.issn.1007-7804.2016.06.007

董 寧(1962)，男，工程師，現就職于沈陽特種設備檢測研究院。電子郵箱：dongning20132013@163.com。