提高和穩(wěn)定鋁合金內(nèi)膽復(fù)合氣瓶疲勞壽命要點(diǎn)分析

李輝 張樹勇

摘 要：比照其它各類型氣瓶，簡要介紹了鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶的優(yōu)缺點(diǎn)；講述了提高鋁合金內(nèi)膽復(fù)合氣瓶疲勞壽命的工藝手段、施加預(yù)應(yīng)力的方法和注意要點(diǎn)；分析了鋁合金內(nèi)膽復(fù)合氣瓶設(shè)計(jì)、制造中影響氣瓶疲勞壽命的主要因素。

關(guān)鍵詞：鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶；綜合性能；疲勞壽命

1 鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶簡介

隨著我國汽車總量的不斷增加，尤其是城市個人擁有車輛的迅猛增長，汽車尾氣排放給城市帶來的污染日益加劇，因此清潔燃料汽車得到了快速發(fā)展。盛裝清潔燃料的壓力容器也從鋼質(zhì)氣瓶發(fā)展到環(huán)纏繞鋼質(zhì)氣瓶和纖維全纏繞復(fù)合氣瓶時代。氣瓶的重量大大減輕，安全性也大幅度提高。如今，纖維纏繞復(fù)合氣瓶已在國內(nèi)廣泛應(yīng)用，尤其是纖維全纏繞復(fù)合氣瓶的應(yīng)用，已經(jīng)成為未來發(fā)展的趨勢。

鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶，其內(nèi)膽是利用國外先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備經(jīng)反擠壓、引伸、強(qiáng)力旋壓以及旋壓收口等多道工序整體加工成型的，加工技術(shù)和能力是國內(nèi)領(lǐng)先的。復(fù)合氣瓶是按ISO11439-2000及DOT標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，并經(jīng)國內(nèi)外先進(jìn)的檢驗(yàn)檢測設(shè)備全程質(zhì)控，產(chǎn)品質(zhì)量可靠、性能穩(wěn)定、外型美觀。由于鋁合金具有良好的導(dǎo)熱性，復(fù)合氣瓶在遇到意外事故燃燒時，能順利將熱量傳遞給瓶閥并打開易熔塞安全泄壓；由于采用了高強(qiáng)度、高模量及低密度的碳纖維作為增強(qiáng)材料，彌補(bǔ)了玻璃纖維在這些方面的不足，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更加合理，安全性、可靠性大大提高；鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶由于其重量輕、性能穩(wěn)定及安全可靠還不斷應(yīng)用于其它領(lǐng)域，如呼吸器等。

鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶的不足之處是價格偏高，其價格的高低主要取決于國際市場上碳纖維的價格。隨著碳纖維價格的大幅度下調(diào)，其材料成本已有明顯下降，價格也在逐步走低，同時，隨著國內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平的不斷提高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不斷優(yōu)化，單只氣瓶的碳纖維用量也將逐漸減少，氣瓶的銷售價格將有明顯的下降，必將成為用戶歡迎的高端產(chǎn)品！

2 鋁合金內(nèi)膽復(fù)合氣瓶疲勞壽命分析

我們知道，復(fù)合氣瓶的安全性高是因?yàn)槠涫问綖閮?nèi)膽疲勞裂紋逐漸擴(kuò)展直至泄漏的形式——即“破裂前泄漏”失效模式。而如何使鋁合金內(nèi)膽復(fù)合氣瓶的疲勞壽命達(dá)到或超過有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，是該產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造的技術(shù)核心。

2.1 施加預(yù)應(yīng)力

鋁合金內(nèi)膽復(fù)合氣瓶的疲勞問題即是內(nèi)膽的疲勞問題。內(nèi)膽在工作壓力作用下，處于拉應(yīng)力狀態(tài)，拉應(yīng)力越大其疲勞壽命越短，反之越長。因此，降低工作壓力下內(nèi)膽的拉應(yīng)力成為提高復(fù)合氣密使用壽命的重要手段。為了降低工作壓力下內(nèi)膽的拉應(yīng)力，通常采用為內(nèi)膽施加預(yù)應(yīng)力的方法，以使內(nèi)膽在零壓力下處于壓應(yīng)力狀態(tài)，從而降低工作壓力下內(nèi)膽的拉應(yīng)力。施加預(yù)應(yīng)力的方法通常有二種，即纖維施加張力和自緊。

2.1.1 纖維施加張力。在纏繞時為纖維施加張力，其張力可以盡可能的大，但必須考慮二個因素。第一，對于玻璃纖維，由于其強(qiáng)度相對較低，若施加的張力過大，則會造成纖維的靜態(tài)蠕變，隨著氣瓶使用時間的增加，纖維強(qiáng)度會不斷下降，使氣瓶提前失效或發(fā)生爆炸危險。對于碳纖維，由于其強(qiáng)度相對比較高，張力可以大一些。但不論是玻璃纖維還是碳纖維，還必須同時考慮第二個因素；在纏繞過程中，纖維的張力越大其磨損就越嚴(yán)重，尤其是碳纖維更加明顯。所以，纏繞過程中當(dāng)纖維受磨擦起毛比較嚴(yán)重時，則纖維施加的張力必須減小，這一方面，應(yīng)根據(jù)不同的設(shè)備摸索出各類纖維施加張力的最大值。

2.1.2 自緊。氣瓶在纏繞、固化后，為氣瓶施加高于試驗(yàn)壓力值的壓力，使鋁合金內(nèi)膽的拉應(yīng)力越過其屈服點(diǎn)，產(chǎn)生永久殘余變形，進(jìn)而使纏繞纖維發(fā)生應(yīng)變、張力增加，達(dá)到使內(nèi)膽獲得壓應(yīng)力的目的。自緊壓力值可以通過應(yīng)力分析獲得，但還必須得到試驗(yàn)的驗(yàn)證。自緊壓力值不能過大，至少不應(yīng)使內(nèi)膽在自緊后產(chǎn)生宏觀上的失穩(wěn)現(xiàn)象。

自緊壓力值是建立在一定的內(nèi)膽壁厚和一定的內(nèi)膽及復(fù)合層力學(xué)性能基礎(chǔ)上的，如何使每只氣瓶的內(nèi)膽都能獲得相對穩(wěn)定的、滿足設(shè)計(jì)要求的預(yù)應(yīng)力，不但對內(nèi)膽設(shè)計(jì)提出了要求，尤其對內(nèi)膽和復(fù)合層制造工藝過程的質(zhì)量控制比之金屬氣瓶提出了更高的要求。

2.2 鋁合金內(nèi)膽設(shè)計(jì)壁厚取值原則及設(shè)計(jì)壁厚制造公差和偏差控制

2.2.1 內(nèi)膽設(shè)計(jì)壁厚取值原則。當(dāng)內(nèi)膽的力學(xué)性能確定以后，全纏繞復(fù)合氣瓶內(nèi)膽的設(shè)計(jì)壁厚取值多大為合理。從材料成本考慮，內(nèi)膽越厚復(fù)合氣瓶綜合材料成本越小、質(zhì)量越大；反之綜合材料成本越大、質(zhì)量也越小。從理論上分析及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理性考慮，全纏繞復(fù)合氣瓶內(nèi)膽設(shè)計(jì)壁厚的上限值，應(yīng)以內(nèi)膽承載不超過30%為宜；下限值以復(fù)合氣瓶在試驗(yàn)壓力下內(nèi)膽的應(yīng)力不超過屈服點(diǎn)為宜。

2.2.2內(nèi)膽設(shè)計(jì)壁厚制造公差和偏差控制。內(nèi)膽的設(shè)計(jì)壁厚制造公差及壁厚偏差，應(yīng)根據(jù)內(nèi)膽的設(shè)計(jì)壁厚及內(nèi)膽的承載情況而定。其原則是，在制造公差及偏差范圍內(nèi)的內(nèi)膽，其最小壁厚處，應(yīng)保證自緊壓力下應(yīng)力超過屈服點(diǎn)且不會產(chǎn)生宏觀失穩(wěn)現(xiàn)象；而最大壁厚處的應(yīng)力不應(yīng)低于屈服點(diǎn)應(yīng)力。在通過應(yīng)力分析確定自緊壓力時，應(yīng)同時計(jì)算和確定內(nèi)膽設(shè)計(jì)壁厚制造公差和偏差。內(nèi)膽的設(shè)計(jì)壁厚制造公差及壁厚偏差相對較小，而且在生產(chǎn)制造過程中必須得到嚴(yán)格控制，否則某些氣瓶的內(nèi)膽就有可能在自緊時不能獲得設(shè)計(jì)要求的預(yù)應(yīng)力，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的疲勞壽命而提前泄漏失效；或是在自緊時內(nèi)膽應(yīng)力過大產(chǎn)生屈服破壞，使氣瓶報廢。

2.3 鋁合金內(nèi)膽熱處理力學(xué)性能的控制

鋁合金內(nèi)膽熱處理后的力學(xué)性能是內(nèi)膽同時也是復(fù)合氣瓶的一項(xiàng)重要指標(biāo)。在制定復(fù)合氣瓶相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或確定產(chǎn)品圖時，一般只規(guī)定出內(nèi)膽熱處理后的最低力學(xué)性能保證值。而在最低保證值之上，熱處理后的力學(xué)性能值是有比較大的變化的，即力學(xué)性能值浮動范圍比較大。那么，由于內(nèi)膽力學(xué)性能的變化，就會有可能導(dǎo)致2.2中所敘述的現(xiàn)象發(fā)生。因此，在制定內(nèi)膽熱處理工藝規(guī)范時，應(yīng)根據(jù)熱處理設(shè)備的狀況，在滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的前提下給出內(nèi)膽熱處理后力學(xué)性能上、下限值并有效控制。在為復(fù)合氣瓶提供應(yīng)力分析力學(xué)性能數(shù)據(jù)時，應(yīng)給出內(nèi)膽力學(xué)性能保證值的中間值及中間值或接近中間值狀態(tài)下的鋁合金材料的“應(yīng)力-應(yīng)變曲線”。

2.4纏繞復(fù)合層力學(xué)性能控制

在全纏繞復(fù)合氣瓶中，纏繞復(fù)合層承擔(dān)著絕大部分載荷。因此，纏繞復(fù)合層的力學(xué)性能對氣瓶的強(qiáng)度及其疲勞壽命起著極其重要的作用。當(dāng)復(fù)合氣瓶爆破試驗(yàn)滿足設(shè)計(jì)要求后，如何控制纏繞復(fù)合層的力學(xué)性能范圍就顯得十分重要。

2.4.1 纖維強(qiáng)度控制。纏繞復(fù)合層的強(qiáng)度主要來自增強(qiáng)材料——纖維，通常新生態(tài)纖維的強(qiáng)度會隨著放置時間的增加而降低。同時放置纖維的環(huán)境如溫度、濕度等因素也會對纖維強(qiáng)度的降低產(chǎn)生比較大的影響。爆破試驗(yàn)表明，當(dāng)纖維超期放置后，復(fù)合氣瓶的爆破壓力將下降5%～10%，甚至更多。因此，在氣瓶纏繞生產(chǎn)前應(yīng)對纖維進(jìn)行拉伸強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能進(jìn)行檢測，其測試結(jié)果以不超過新生態(tài)纖維力學(xué)性能值與纖維最低力學(xué)性能保證值之平均值的3%～5%為宜，但復(fù)合氣瓶的強(qiáng)度設(shè)計(jì)裕度應(yīng)充分滿足此項(xiàng)要求。同時，為應(yīng)力分析提供的纖維力學(xué)性能值以及用層合板測試的相關(guān)力學(xué)性能值都應(yīng)以上述纖維力學(xué)性能平均值為準(zhǔn)。

2.4.2 樹脂含量控制。纏繞復(fù)合層的樹脂含量不同纖維的含量也就不同，復(fù)合層的力學(xué)性能也就隨之改變。通常，當(dāng)樹脂的溫度一定（粘度也就一定），纏繞張力一定及紗帶纖維排列密度一定，纏繞復(fù)合層的樹脂含量就不會有太大的改變，也就完全可以滿足設(shè)計(jì)的要求。以上分析的各個要素都不是孤立存在的，它們相互影響，交織作用，在設(shè)計(jì)生產(chǎn)中應(yīng)綜合、平衡考慮。

影響鋁合金內(nèi)膽全纏繞復(fù)合氣瓶疲勞壽命的因素很多，上面分析的只是其中的幾個重要方面。其它方面如內(nèi)膽內(nèi)外表面質(zhì)量、最大缺陷尺寸的確定、控制及檢測、纏繞復(fù)合層裂紋容限的控制等，在設(shè)計(jì)及生產(chǎn)制造中也都是不可忽視的因素?？傊?，鋁合金內(nèi)膽纖維全纏繞復(fù)合氣瓶是一個滲透了多學(xué)科、多種生產(chǎn)工藝技術(shù)，具有高技術(shù)含量的高壓容器產(chǎn)品。隨著用戶對產(chǎn)品的不斷了解及需求量的不斷增加，鋁合金內(nèi)膽纖維全纏繞復(fù)合氣瓶必將成為用戶歡迎的產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

[1]周海成.汽車用壓縮天然氣氣瓶發(fā)展綜述[J].中國氣瓶，2001（2）.

作者簡介：李輝，1992年畢業(yè)于佳木斯工學(xué)院，焊接工藝與設(shè)備專業(yè)，工學(xué)學(xué)士學(xué)位，1996年畢業(yè)于黑龍江社科院經(jīng)濟(jì)管理專業(yè)，研究生學(xué)歷。齊齊哈爾市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究所，高級工程師。1992年至今一直從事特種設(shè)備檢驗(yàn)研究工作。