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1、提高和稳定铝合金内胆复合气瓶疲劳寿命要点分析 摘 要：比照其它各类型气瓶，简要介绍了铝合金内胆碳纤维全缠绕复合气瓶的优缺点；讲解并描述了提高铝合金内胆复合气瓶疲惫寿命的工艺手段、施加预应力的方法和留意要点；分析了铝合金内胆复合气瓶设计、制造中影响气瓶疲惫寿命的主要因素。 关键词：铝合金内胆碳纤维全缠绕复合气瓶；综合性能；疲惫寿命 1 铝合金内胆碳纤维全缠绕复合气瓶简介 随着我国汽车总量的不断增加，尤其是城市个人拥有车辆的迅猛增长，汽车尾气排放给城市带来的污染日益加剧，因此清洁燃料汽车得到了快速发展。盛装清洁燃料的压力容器也从钢质气瓶发展到环缠绕钢质气瓶和纤维全缠绕复合气瓶时代。气瓶的重量大大减
2、轻，平安性也大幅度提高。如今，纤维缠绕复合气瓶已在国内广泛应用，尤其是纤维全缠绕复合气瓶的应用，已经成为将来发展的趋势。 铝合金内胆碳纤维全缠绕复合气瓶，其内胆是利用国外先进的生产设备经反挤压、引伸、强力旋压以及旋压收口等多道工序整体加工成型的，加工技术和实力是国内领先的。复合气瓶是按ISO11439-2000及DOT标准设计生产的，并经国内外先进的检验检测设备全程质控，产品质量牢靠、性能稳定、外型美观。由于铝合金具有良好的导热性，复合气瓶在遇到意外事故燃烧时，能顺当将热量传递给瓶阀并打开易熔塞平安泄压；由于采纳了高强度、高模量及低密度的碳纤维作为增加材料，弥补了玻璃纤维在这些方面的不足，使产
3、品结构更加合理，平安性、牢靠性大大提高；铝合金内胆碳纤维全缠绕复合气瓶由于其重量轻、性能稳定及平安牢靠还不断应用于其它领域，如呼吸器等。 铝合金内胆碳纤维全缠绕复合气瓶的不足之处是价格偏高，其价格的凹凸主要取决于国际市场上碳纤维的价格。随着碳纤维价格的大幅度下调，其材料成本已有明显下降，价格也在逐步走低，同时，随着国内产品设计水平的不断提高，结构设计的不断优化，单只气瓶的碳纤维用量也将渐渐削减，气瓶的销售价格将有明显的下降，必将成为用户欢迎的高端产品！ 2 铝合金内胆复合气瓶疲惫寿命分析 我们知道，复合气瓶的平安性高是因为其失效形式为内胆疲惫裂纹渐渐扩展直至泄漏的形式即“裂开前泄漏”失效模式。
4、而如何使铝合金内胆复合气瓶的疲惫寿命达到或超过有关标准的要求，是该产品设计、制造的技术核心。 2.1 施加预应力 铝合金内胆复合气瓶的疲惫问题即是内胆的疲惫问题。内胆在工作压力作用下，处于拉应力状态，拉应力越大其疲惫寿命越短，反之越长。因此，降低工作压力下内胆的拉应力成为提高复合气密运用寿命的重要手段。为了降低工作压力下内胆的拉应力，通常采纳为内胆施加预应力的方法，以使内胆在零压力下处于压应力状态，从而降低工作压力下内胆的拉应力。施加预应力的方法通常有二种，即纤维施加张力和自紧。 2.1.1 纤维施加张力。在缠绕时为纤维施加张力，其张力可以尽可能的大，但必需考虑二个因素。第一，对于玻璃纤维，由
5、于其强度相对较低，若施加的张力过大，则会造成纤维的静态蠕变，随着气瓶运用时间的增加，纤维强度会不断下降，使气瓶提前失效或发生爆炸危急。对于碳纤维，由于其强度相对比较高，张力可以大一些。但不论是玻璃纤维还是碳纤维，还必需同时考虑其次个因素；在缠绕过程中，纤维的张力越大其磨损就越严峻，尤其是碳纤维更加明显。所以，缠绕过程中当纤维受磨擦起毛比较严峻时，则纤维施加的张力必需减小，这一方面，应依据不同的设备摸索出各类纤维施加张力的最大值。 2.1.2 自紧。气瓶在缠绕、固化后，为气瓶施加高于试验压力值的压力，使铝合金内胆的拉应力越过其屈服点，产生永久残余变形，进而使缠绕纤维发生应变、张力增加，达到使内胆
6、获得压应力的目的。自紧压力值可以通过应力分析获得，但还必需得到试验的验证。自紧压力值不能过大，至少不应使内胆在自紧后产生宏观上的失稳现象。 自紧压力值是建立在肯定的内胆壁厚和肯定的内胆及复合层力学性能基础上的，如何使每只气瓶的内胆都能获得相对稳定的、满意设计要求的预应力，不但对内胆设计提出了要求，尤其对内胆和复合层制造工艺过程的质量限制比之金属气瓶提出了更高的要求。 2.2 铝合金内胆设计壁厚取值原则及设计壁厚制造公差和偏差限制 2.2.1 内胆设计壁厚取值原则。当内胆的力学性能确定以后，全缠绕复合气瓶内胆的设计壁厚取值多大为合理。从材料成本考虑，内胆越厚复合气瓶综合材料成本越小、质量越大；反
7、之综合材料成本越大、质量也越小。从理论上分析及产品结构的合理性考虑，全缠绕复合气瓶内胆设计壁厚的上限值，应以内胆承载不超过30%为宜；下限值以复合气瓶在试验压力下内胆的应力不超过屈服点为宜。 2.2.2内胆设计壁厚制造公差和偏差限制。内胆的设计壁厚制造公差及壁厚偏差，应依据内胆的设计壁厚及内胆的承载状况而定。其原则是，在制造公差及偏差范围内的内胆，其最小壁厚处，应保证自紧压力下应力超过屈服点且不会产生宏观失稳现象；而最大壁厚处的应力不应低于屈服点应力。在通过应力分析确定自紧压力时，应同时计算和确定内胆设计壁厚制造公差和偏差。内胆的设计壁厚制造公差及壁厚偏差相对较小，而且在生产制造过程中必需得到
8、严格限制，否则某些气瓶的内胆就有可能在自紧时不能获得设计要求的预应力，达不到设计要求的疲惫寿命而提前泄漏失效；或是在自紧时内胆应力过大产生屈服破坏，使气瓶报废。 2.3 铝合金内胆热处理力学性能的限制 铝合金内胆热处理后的力学性能是内胆同时也是复合气瓶的一项重要指标。在制定复合气瓶相关标准或确定产品图时，一般只规定出内胆热处理后的最低力学性能保证值。而在最低保证值之上，热处理后的力学性能值是有比较大的改变的，即力学性能值浮动范围比较大。那么，由于内胆力学性能的改变，就会有可能导致2.2中所叙述的现象发生。因此，在制定内胆热处理工艺规范时，应依据热处理设备的状况，在满意相关标准的前提下给出内胆热
9、处理后力学性能上、下限值并有效限制。在为复合气瓶供应应力分析力学性能数据时，应给出内胆力学性能保证值的中间值及中间值或接近中间值状态下的铝合金材料的“应力-应变曲线”。 2.4缠绕复合层力学性能限制 在全缠绕复合气瓶中，缠绕复合层担当着绝大部分载荷。因此，缠绕复合层的力学性能对气瓶的强度及其疲惫寿命起着极其重要的作用。当复合气瓶爆破试验满意设计要求后，如何限制缠绕复合层的力学性能范围就显得非常重要。 2.4.1 纤维强度限制。缠绕复合层的强度主要来自增加材料纤维，通常新生态纤维的强度会随着放置时间的增加而降低。同时放置纤维的环境如温度、湿度等因素也会对纤维强度的降低产生比较大的影响。爆破试验表
10、明，当纤维超期放置后，复合气瓶的爆破压力将下降5%10%，甚至更多。因此，在气瓶缠绕生产前应对纤维进行拉伸强度、弹性模量等力学性能进行检测，其测试结果以不超过新生态纤维力学性能值与纤维最低力学性能保证值之平均值的3%5%为宜，但复合气瓶的强度设计裕度应充分满意此项要求。同时，为应力分析供应的纤维力学性能值以及用层合板测试的相关力学性能值都应以上述纤维力学性能平均值为准。 2.4.2 树脂含量限制。缠绕复合层的树脂含量不同纤维的含量也就不同，复合层的力学性能也就随之变更。通常，当树脂的温度肯定，缠绕张力肯定及纱带纤维排列密度肯定，缠绕复合层的树脂含量就不会有太大的变更，也就完全可以满意设计的要求
11、。以上分析的各个要素都不是孤立存在的，它们相互影响，交织作用，在设计生产中应综合、平衡考虑。 影响铝合金内胆全缠绕复合气瓶疲惫寿命的因素许多，上面分析的只是其中的几个重要方面。其它方面如内胆内外表面质量、最大缺陷尺寸的确定、限制及检测、缠绕复合层裂纹容限的限制等，在设计及生产制造中也都是不行忽视的因素。总之，铝合金内胆纤维全缠绕复合气瓶是一个渗透了多学科、多种生产工艺技术，具有高技术含量的高压容器产品。随着用户对产品的不断了解及需求量的不断增加，铝合金内胆纤维全缠绕复合气瓶必将成为用户欢迎的产品。 参考文献 1周海成.汽车用压缩自然气气瓶发展综述J.中国气瓶，2001. 作者简介：李辉，11012年毕业于佳木斯工学院，焊接工艺与设备专业，工学学士学位，11016年毕业于黑龙江社科院经济管理专业，探讨生学历。齐齐哈尔市特种设备检验探讨所，高级工程师。11012年至今始终从事特种设备检验探讨工作。 第7页 共7页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页