復合材料壓力容器及其相關問題研究

馮永輝

摘要：纖維增強聚合物基復合材料（FRP），包括 FWRP 壓力容器獨具下列特點：FRP 由纖維（增強相）和聚合物（基體相）組成，復合材料性能離散性大;各向異性;FRP 與制品同時生成（FWRP 壓力容器纏繞成型簽的纖維與樹脂都是單相材料，只有經過纏繞工藝成型為 FWRP 壓力容器時，復合材料亦形成了）;成型工藝過程控制對制品性能影響極大;環境（溫度、濕度、介質等）對 FRP 性能有影響。

關鍵詞：壓力容器;復合材料;設計理論;強度;剛度;耐久性;保護層;安全性;氣密性

中圖分類號：TH49?文獻標識碼：A

1 壓力容器簡介

壓力容器（Pressure Vessel）是一種在工業生產過程中能夠承受較大壓力的密閉容器，主要的用于固態、液態、氣態等化學物質的反應、分離、傳質傳熱、儲存和運輸等生產工藝過程[1]。壓力容器已經被石油化工、冶金、機械、建筑、食品、服裝紡織和醫藥等工業技術生產行業所廣泛地使用，例如核反應堆壓力設備、液體噴射壓力設備、石油分離反應器、合成尿素壓力設備和臨界萃取釜都是常見的壓力容器。由于壓力容器要承受內部物質帶來的各種載荷和外部支撐力的作用，基于其特殊的使用工況，在實際應用過程中對壓力容器的要求越來越苛刻，例如對承壓要求從原來的 10 MPa 增加到 100 MPa，循環疲勞壽命要求在 105～108之間，對高溫和有害物質也有著一些十分嚴格的要求[2]。由于特殊工況的作用，壓力容器是工業生產中比較容易出現破壞的設備，在壓力容器的破壞形式當中，塑形破壞、脆性破壞和疲勞破壞這三種破壞形式最為常見。傳統壓力容器大多是以金屬或合金作為容器壁而制造出的容器，結構相對簡單，承載壓力可以簡化為均勻受力，從而轉換為薄膜應力近似計算。而越來越多的復雜工況導致了傳統壓力容器不能滿足某些特殊的工藝過程的需要，例如石油化工中需要耐 1000℃的壓力容器，核反應堆中大多數壓力容器對耐液態鈉腐蝕的要求苛刻。這些極限的工況對壓力容器提出了巨大的挑戰，因此，以復合材料壓力容器為代表的新型壓力容器被廣泛地關注[3]。這些復合材料的使用，可以有效地滿足壓力容器在使用過程中對壓力載荷大、耐高溫、耐腐蝕的要求，進入 21 世紀以來，復合材料壓力容器的研究得到了廣泛重視，其在市場中占據的份額也在不斷上升。

2 復合壓力容器的結構及分類

根據國際標準 ISO11119，壓力容器從結構形式上可分為四類，第一類是全金屬型壓力容器;第二類是金屬內襯環向纏繞復合材料增強型復合壓力容器;第三類是金屬內襯全纏繞復合材料增強型復合壓力容器，第四類是塑料內襯全纏繞復合材料增強型復合壓力容器。由于復合壓力容器不僅兼顧了金屬內襯的良好加工性、氣密性、耐蝕性和高強度、高韌性等特點，又綜合了復合材料重量輕、安全性好以及良好的可設計性等優點，使其具有高承壓能力、高疲勞壽命、質輕、耐腐等優良性能，在相同容積和壓力條件下，復合壓力容器比鋼質壓力容器的重量可減輕 1/3～2/3;同時復合材料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，從而降低或避免了對人員的傷害，復合壓力容器比金屬壓力容器具有更好的使用安全性。纖維纏繞復合壓力容器實體結構是由內襯層、纖維纏繞增強層和外保護層組成。

2.1內襯層復合壓力容器

內襯層內壁直接與介質接觸，它的主要作用是氣密、防腐、耐溫和耐壓。因此要求內襯材料具有優良的氣密性、耐腐蝕性、耐溫和高強度、高韌性等特點。

2.2 纖維纏繞

增強復合材料層纖維纏繞增強復合材料層的主要作用是保證壓力容器在受力的情況下，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措施，通常采用高強玻璃纖維/環氧樹脂或碳纖維/環氧樹脂高性能復合材料。

2.3外保護層

為了提高復合壓力容器抗外載荷沖擊特性，通常在外表面纏繞數層抗沖擊性能較好的高強玻璃纖維復合材料，同時進行外涂層表面處理。

3復合壓力容器的材料

復合壓力容器主要由內襯和纖維纏繞復合材料增強層組成。內襯材料的選取與復合材料的材料設計直接影響了壓力容器的性能，所以在設計復合壓力容器前，應根據需要謹慎選擇復合壓力容器的材料。

3.1內襯材料復合壓力容器

在高壓作用下除了有足夠的強度外，還應有良好的氣密性。但纖維增強樹脂基復合材料氣密性較差，壓力容器必須擁有能夠密封的內襯。復合壓力容器的內襯材料可以分為兩類：金屬材料和塑料材料。

3.2 纖維纏繞復合材料

3.2.1 纖維材料

復合壓力容器中復合材料纏繞層承擔絕大部分的壓力載荷，纖維是復合材料的主要承載部分。目前常用的纖維增強材料有玻璃纖維、碳纖維、凱芙拉（Kevlar）纖維等，主要產品形式為無捻粗紗。

3.2.2 樹脂粘結劑

樹脂粘結劑起粘接纖維的作用，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。主要有環氧樹脂、酚醛樹脂、聚酸亞胺樹脂等，目前常用的是環氧樹脂，它具有粘結力大，制造工藝簡單，固化后收縮率小，硬度高，韌性好的特點。

4 復合壓力容器的成型

4.1 環向纏繞

環向纏繞是沿內襯圓周方向進行的纏繞。其特點為：纏繞只能在筒身段進行，不能纏到封頭上去，纖維纏繞的角度通常接近 90°。

4.2縱向纏繞

縱向纏繞又稱平面纏繞，纖維纏繞軌跡是一條單圓平面封閉曲線。在縱向纏繞中，導絲頭在固定平面內作勻速圓周運動，芯模繞自軸慢速旋轉。

4.3螺旋纏繞

螺旋纏繞也稱測地線纏繞。纏繞時芯模繞自軸勻速轉動，導絲頭按特定速度沿芯模軸線方向往復運動。這樣就在芯模的筒身和封頭上實現了螺旋纏繞，其纏繞角度約為 12°～70°。在實際的纏繞成型中，一般采用多種線型進行纏繞，這樣可以充分發揮復合材料各向異性的特點，如螺旋加環向纏繞、螺旋加縱向纏繞等。

5復合材料壓力容器的設計理論

（1）將設計參量：材料性能、載荷、結構尺寸、制造工藝與環境影響全認定為確定單值量。這對結構可靠性產生嚴重后果。FRP 與金屬材料即使兩種材料強度數學期望值相同，但由于 FPR 具有離散型大的特點，它們的可靠性可能相差極大。

（2）傳統設計是用一個安全系數來代替未知量的保守方法。把諸多不確定量用一個安全系數掩蓋起來是不科學的：安全系數是根據經驗粗略確定的。人為選定與精確計算不相配。安全系數不能作為度量結構可靠度的統一尺度，即對不同類型結構或不同受力狀態的同一結構，采用相同安全系數，并不具有相同安全度。加大結構安全系數，未必能按比例增大結構安全度，對于存在不同符號應力疊加情況的結構，問題更突顯。

（3）基于前述 FRP 與制品同時生成之特點，制造工藝過程控制（如固化制度、纖維纏繞張力控制等）不單影響 FWRP 壓力容器的結構抗力，而且同時還影響結構載荷反應（各纏繞層纖維應力狀態）。這種影響有時甚至成為失效的關鍵。工藝過程的隨機性必然使 FWRP 壓力容器承載能力發生隨機性。這一有別金屬材料的特性，安全系數是根本不能科學量化體現的。

（3）由于 FRP 各向異性，因此對載荷與纏繞角變化非常敏感。此二項隨機性變化影響的科學量化，安全系數也是無能為力。

（4）對于承受內壓作用的圓柱形薄壁 GFWRP 壓力容器，在實際承載過程中，其破壞過程因涉及基體開裂、裂紋擴展、纖維斷裂及分層等導致分析變得復雜，這需要從宏觀和細觀力學性能分析入手，將復合材料壓力容器在內壓作用下產生的材料非線性和幾何非線性相結合進行分析計算，這也是纖維纏繞復合材料壓力容器結構設計和分析的重要依據。

結束語

纖維增強復合材料（Fiber Reinforced Plastics，GFRP）以其比強度和比模量高、結構可設計性好及耐腐蝕性能好，等諸多優點而廣泛地應用在航空航天、汽車、造船、化工、建筑等軍工和民用領域。隨著復合材料氣瓶的廣泛應用，通過科學合理的設計方法進行結構優化設計來減輕結構重量，提高性價比，對實現安全和經濟的有效統一具有重大意義。

參考文獻：

[1]?張國杰，趙振遠. 壓力容器設計若干技術問題解析[J]. 化工管理，2016，16（9）：77-77.

[2]?張磊，謝文喆. 壓力容器設計及容易忽視的問題[J]. 石化技術，2016，23（10）：203-203.

[3]?李國樹，楊宇清. 復合材料壓力容器耐腐蝕性評價探討[J]. 纖維復合材料，2016，33（2）：6-10.

（作者身份證號碼：130528198204184817）