大型碳纖維復(fù)合材料氣瓶在壓縮天然氣儲運領(lǐng)域中的研制與應(yīng)用進展

白潔　宇秋紅

摘 要：利用纖維纏繞成型技術(shù)制造的大型天然氣壓縮（ CNG）氣瓶具有較大的優(yōu)點，包括質(zhì)地輕巧，強度較高，耐疲勞性好而且具有一定的抗腐蝕性。上述優(yōu)點可以滿足遠(yuǎn)洋天然氣的開發(fā)以及長途陸路運輸。本文通過介紹目前發(fā)達國家以及我國現(xiàn)階段對于大型纖維復(fù)合材料氣瓶的研究及實際應(yīng)用情況，同時根據(jù)目前我國的實際生產(chǎn)需要提出了研制大型 CNG 復(fù)合材料氣瓶關(guān)鍵性突破性的核心技術(shù)和成型裝備。

關(guān)鍵詞：碳纖維；復(fù)合材料；CNG；氣瓶；纏繞

中圖分類號：TB332 文獻標(biāo)識碼：A

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展資源開發(fā)領(lǐng)域已經(jīng)從陸路開發(fā)向遠(yuǎn)洋開發(fā)邁進。我國對于海洋的開發(fā)較晚在相應(yīng)的技術(shù)領(lǐng)域缺乏一定的技術(shù)和經(jīng)驗，需要有先進的技術(shù)經(jīng)驗基礎(chǔ)作為遠(yuǎn)洋開發(fā)的前提條件。大型纖維復(fù)合材料制成的壓縮瓶可以滿足目前國際國內(nèi)對于天然氣的開采運輸?shù)南鄳?yīng)技術(shù)要求。目前我國開采遠(yuǎn)洋天然氣的水平較低，需要有先進的技術(shù)制度和相應(yīng)的可行的技術(shù)規(guī)范和成型裝備，能夠保證天然氣開采技術(shù)同國際先進水平持平，力爭在發(fā)展中不斷進步，不斷提升自身的實力。

1 國際上大型CNG氣瓶的儲運方式及需求

隨著能源消耗的逐漸增加，尤其是油氣能源消耗。各個國家除了在自己領(lǐng)土陸路的范圍內(nèi)進行油氣的開發(fā)外，已經(jīng)將開發(fā)的計劃實施應(yīng)用到了國土中的海洋部分。據(jù)調(diào)查顯示目前世界上的油氣儲量中海洋油氣儲量占有絕對地位，因此進行遠(yuǎn)洋油氣開發(fā)將成為未來油氣資源開發(fā)的主導(dǎo)。而且天然氣的價格比較實惠同時燃燒后不會產(chǎn)生較多的污染其中很多的包括一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、碳?xì)浠衔锏呐欧磐紵筒裼拖啾扰欧帕繉蟠蠼档汀Ｄ壳拔覈?jīng)濟的發(fā)展還處于市場經(jīng)濟的初級階段，國家在經(jīng)濟發(fā)展的同時十分重視能源的節(jié)約和充分利用，同時計劃實施可持續(xù)的發(fā)展戰(zhàn)略，因此開發(fā)遠(yuǎn)洋天然氣是符合經(jīng)濟的發(fā)展和國家計劃實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要。天然氣的開采同石油的開采是同時進行的，由于技術(shù)的原因很多天然氣不能內(nèi)采集只能是白白的燒掉或是重新注回地下，因此解決天然氣的采集與存儲成為油氣開發(fā)工作中亟待解決的問題。壓縮天然氣就是將天然氣進行加壓后成為高壓氣體保存在氣瓶中進行存儲。CNG氣瓶組成有合金鋼材的，也有塑料內(nèi)襯外纏繞纖維增強樹脂成型的復(fù)合材料的。后者造價較低同時質(zhì)地輕巧，強度較高，抗腐蝕性和安全性都較高。由于上述特點因此塑料內(nèi)襯外纏繞纖維增強樹脂成型的復(fù)合材料CNG氣瓶逐漸代替了合金鋼材料的氣瓶成為目前國際上通用的運輸載體。

2 國際上大型碳纖維復(fù)合材料CNG氣瓶的研制與應(yīng)用進展

外國發(fā)達國家在大型復(fù)合材料CNG氣瓶的研制和開發(fā)方面走在世界的前列，尤其是工業(yè)發(fā)展較快經(jīng)濟水平較高的國家。我國對于大型復(fù)合材料CNG氣瓶的制造還處在探索階段，對于該項技術(shù)的掌握還沒有達到能夠獨立進行大型復(fù)合材料CNG氣瓶的生產(chǎn)制造。對于發(fā)達的經(jīng)濟技術(shù)水平較高的國家在利用天然氣有一定的歷史的國家已經(jīng)具備了生產(chǎn)大型天然氣壓縮瓶的能力。例如美國，挪威，加拿大這些國家在被制造大型天然氣壓縮瓶的材料一般采用纖維纏繞成型技術(shù)，使用的主要是樹脂體系。材料一般為大絲束纖維。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和用戶的使用要求大型復(fù)合材料CNG氣瓶在體積、質(zhì)量和選材不斷推陳出新，體積方面從開始的一立方米到現(xiàn)在的幾十立方米，質(zhì)量也在不斷的提高質(zhì)地更加輕巧，更具有耐腐蝕性和強度。例如在氣瓶的內(nèi)襯使用熱塑性塑料，筒體的體殼部分采用纖維環(huán)氧樹脂預(yù)浸料干法纏繞成型法。氣瓶兩端的封頭采用的是不銹鋼材質(zhì)或鋁合金材質(zhì)，封頭與筒體是粘在一起提高了氣瓶的整體性和封閉性。國際上對于壓縮天然氣瓶的研究開發(fā)速度很快，有設(shè)計顯示在未來十年將研制出氣瓶同船體結(jié)合為一體的專業(yè)運輸船，為天然氣的輸送創(chuàng)造更多的方便。

3 研發(fā)大型碳纖維復(fù)合材料氣瓶的關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵裝備及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

3.1 大型復(fù)合材料CNG氣瓶制造的關(guān)鍵技術(shù)。（1）大型內(nèi)襯的生產(chǎn)技術(shù)。對于大型復(fù)合材料天然氣壓縮氣瓶來說制造其內(nèi)襯成為關(guān)鍵技術(shù)，對于內(nèi)襯的制造目前主要采用的熱塑性塑料，比如常用的高密度聚乙烯（HDPE）。但在進行生產(chǎn)的過程中必須要保證良好的密封性和優(yōu)異的氣密性，有較高的強度和剛度，同時生產(chǎn)氣瓶材料的韌性和抗腐蝕性，抗疲勞性都要符合要求。大型復(fù)合材料CNG氣瓶的內(nèi)襯很多時候也會采用金屬內(nèi)襯。金屬內(nèi)襯外纏繞碳纖維成型的天然氣壓縮氣瓶具有較大的體積，一般采用旋壓收口，如何保證收口后金屬內(nèi)膽的尺寸精度，瓶嘴裂紋以及穩(wěn)定性是內(nèi)襯成型的關(guān)鍵技術(shù)。（2）纏繞結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)。纖維纏繞成型的結(jié)構(gòu)設(shè)計一般依據(jù)的是網(wǎng)格理論。通過計算可以得到內(nèi)襯的復(fù)合材料氣瓶在加壓和泄壓過程中的變形特性，可以進行氣瓶強度設(shè)計，從而可以設(shè)計纖維纏繞的相關(guān)參數(shù)，包括纖維纏繞厚度、纏繞線型、纏繞角度等。大型復(fù)合材料CNG氣瓶對長期疲勞使用壽命的要求較高，如何通過復(fù)合材料的理論計算與結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足其長期儲壓以及反復(fù)沖壓的使用要求，是大型復(fù)合材料CNG氣瓶結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點。（3）多絲束碳纖維的纏繞頭展紗技術(shù)。為了簡化纏繞成型工藝，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，一般優(yōu)選纖維預(yù)浸法纏繞大型復(fù)合材料CNG氣瓶。但是預(yù)浸紗的展紗寬度直接影響了單層復(fù)合材料的厚度，并且還會影響復(fù)合材料層的致密程度，影響纖維強度的發(fā)揮。

3.2 大型復(fù)合材料CNG氣瓶制造的關(guān)鍵設(shè)備。為了實現(xiàn)上述的關(guān)鍵技術(shù)，大型復(fù)合材料CNG氣瓶制造必須采用很多生產(chǎn)設(shè)備，主要包括大型纏繞機、大張力控制系統(tǒng)、大型樹脂混合攪拌器、大型加熱固化裝置和CAQ在線質(zhì)量檢測系統(tǒng)等土藝設(shè)備，還包括壓力循環(huán)測試裝置、氣密試驗裝置、水壓試驗裝置、聲發(fā)射檢測裝置和無損探傷檢測儀等分析檢測設(shè)備。其中，大型纏繞機是大型復(fù)合材料CNG氣瓶造的最關(guān)鍵設(shè)備之一。

結(jié)語

總而言之，隨著經(jīng)濟的發(fā)展人類可利用的石油資源日趨枯竭，世界各國在尋求經(jīng)濟發(fā)展的過程中都在尋求新的可利用能源和新的可持續(xù)發(fā)展政策。在這種形勢下大力發(fā)展和應(yīng)用復(fù)合材料CNG氣瓶，對于節(jié)約能源、保護環(huán)境具有重要意義。

參考文獻

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