國內復合材料氣瓶發展及氣瓶標準概況 zund G3 3XL-1600-Sandblast foil台中雷射切割雕刻代工－李哲榮焦點新聞熱搜

摘　要　本文通過對國內眾多復合材料氣瓶生產廠家的不同類型產品的介紹,簡述了目前國內這一行業的發展情況;同時對幾種主要類型氣瓶的標準進行了概述。
關鍵詞　氣瓶;復合材料;標準

1 　前　言

　　在經濟高速發展的現代社會中,氣瓶制造業被認為屬于朝陽工業范疇。氣體應用技術在發達已經達到很高的水平,全已有130 種氣體要用氣瓶充裝,也達到了80 余種。據統計,國民生產總值每增加1 % ,氣瓶需求量就增加1. 5 % ,而國際市場每年大約以5 %的速度增長。全年需求氣瓶量可達到500 萬支,產值約40 億美元。這其中一部分自然也包括了新興的以“輕質高強”為特點的復合材料氣瓶。據悉,全有300 萬只復合材料氣瓶在運行。
　　自上世紀后半葉以來,復合材料氣瓶在西方得到飛快的發展。以CNG氣瓶的研制和開發方面為例,美國的Lincol 公司、SCI 公司、和Hydospin 公司都走在前列。改革開放后的自然也應當有所作為,國內許多公司企業、科研院所以及高等院校也紛紛加入到這個行列中來,經過數年努力,他們都拿出了自己的產品或研究成果。下面就簡述國內有關單位復合材料氣瓶發展的概況。

2 　國內復合材料氣瓶研發概況

2. 1 　北京天海工業有限公司
　　北京天海工業有限公司自稱是“鋼質無縫氣瓶大制造企業”。該公司能設計、生產種類繁多的氣瓶,今已有七條生產線,年產100 萬只氣瓶。其中一條就是從美國引進的纖維纏繞氣瓶及呼吸氣瓶生產線。該公司生產車用壓縮天然氣、機動車用液化石油氣鋼瓶和纏繞氣瓶。鋼質纏繞氣瓶已取得美國NGV2 - 2000 標準設計和制造許可證。現在市面出租車上所用的CNG(壓縮天然氣) 氣瓶,多是“天海”的產品,即所謂“CNG- 2 型”氣瓶,也就是鋼質內膽外加環向纖維纏繞形式的氣瓶。纖維采用的是玻璃纖維,基體用環氧樹脂。
2. 2 　重慶益峰高壓容器有限公司
　　重慶益峰公司是由原兵工企業“重慶益民機械廠”控股的合資企業,現已成為上海華盛企業(集團)有限公司旗下的子公司。“益峰”在復合材料CNG氣瓶方面也是將產品定位在鋼質內膽外纏繞增強纖維的氣瓶位置上,也是“CNG- 2”類型。但是,這類氣瓶還難以減低重量,于是,將目光放在“鋁內膽”纏繞氣瓶上。有關人士說:“今后益峰公司會利用華盛集團在齊齊哈爾市的鋁內膽生產基地,結合自身的技術優勢,發展出適應市場高端用戶需求的鋁膽纏繞氣瓶,但由于受價格因素的制約(鋁內膽氣瓶的價格要高出鋼內膽氣瓶好幾倍) ,批量投放市場尚需一
定時間。”這種鋁內膽外加纖維纏繞的氣瓶類型屬于所謂“CNG- 3 型”復合材料氣瓶。
2. 3 　西安天潔航天科技有限公司
　　西安天潔航天科技有限公司是原七機部43 所下屬的一個股份公司。該公司依托于航天用固體火箭發動機的纖維纏繞技術, 獨立開發了“CNG - 4型”,即所謂“全塑復合材料氣瓶”。這類氣瓶的特點是內膽采用了抗疲勞性能極好的聚乙烯塑料,外加玻璃纖維纏繞而成。其纏繞形式要比“CNG- 2 型”復雜,包括縱向纖維層和環向纖維層兩種方式的結構。該公司曾設計生產能力為年產氣瓶2 萬只。其氣瓶產品行銷于本省和四川一帶。不幸的是2004年在成都市發生了一次爆瓶(造成一死一傷) 的重大事故,被亮黃牌,公司受到很大的沖擊,被迫停產。也使“CNG- 4”背上了“塑料瓶安全性能不可靠”的壞名聲。其實,任何一種氣瓶使用不當都會產生問題。該公司至今也不知是否已走出了低谷?
2. 4 　四川格瑞復合材料有限公司
　　該公司是自貢鹽業“久大”集團下屬的一個子公司。該公司于2000 年從德國引進纏繞設備和氣瓶制造技術,也生產“CNG- 4 型”全塑氣瓶,設計生產能力為50 升玻璃鋼氣瓶年產5 萬只。自制內膽,材料為高密度聚乙烯,滾塑成型。初期生產玻璃鋼氣瓶,后來制造碳纖維復合材料氣瓶。氣瓶行銷于本省及中原一帶。2004 年在鄭州市曾發生“3. 15”氣瓶充氣時爆炸造成人員傷亡重大事故。但究竟是氣瓶“自爆”還是“被炸”,原因不清。由于收益回報方面的原因,該公司業已于2005 年春暫停運作。
　　其實,對于CNG氣瓶,人們還沒有足夠清醒的認識:車用壓縮天然氣(CNG) 屬于高壓、易燃、易爆氣體。CNG汽車的貯氣瓶是用于天然氣的高壓縮容器,具有爆炸性的危險性。天然氣的主要成分甲烷屬一級可燃氣體,甲類火災危險性,爆炸極限為5 % - 15 %(V/ V) ,小點火能量僅0. 28mJ ,燃燒速度快,且熱值高。極易燃燒、爆炸,并且擴散能力強,火勢蔓延迅速,一旦發生火災難以施救。
　　成都玻璃鋼氣瓶爆炸被炒作得沸沸揚揚,其實同一時期鋼瓶與復合材料瓶事故的比較,據悉四川自施行CNG以來已爆瓶八只:七只鋼瓶,一只復合材料瓶。
2. 5 　上海康巴賽特高壓容器制造公司
　　該公司已被航天機電整體收購,成立了航天機電康巴賽特高壓容器分公司。初始,公司將產品定位于CNG氣瓶的開發,但由于市場初次開發被社會認可尚待時日,公司運作幾至到了難以維持的地步。于是公司調整了開發思路,先從市場迫切需要而制造難度較低的呼吸氣瓶入手,終于有了轉機走出低谷。現在已自稱是“國內大的纖維纏繞呼吸氣瓶提供商之一”了。
2. 6 　上海德坤復合氣瓶有限公司
　　該公司是一家中美合資公司。公司引進了德國纖維纏繞機和美國的制造技術,用以生產鋁內膽碳纖維纏繞的復合材料氣瓶。該公司自述“選取了要求嚴的美國標準DOT - CFFC2000”作為自己的參照標準。鑒于國產鋁內膽的不均勻性,公司采用了美國進口鋁內膽,為保證氣瓶的質量打下了基礎。該公司的空氣呼吸氣瓶,從2L 到12L 已經基本開發完畢。下一個目標自然是CNG氣瓶。
2. 7 　北京科泰克科技有限責任公司
　　北京科泰克將數十年金屬旋壓技術,揉和了復合材料纏繞技術用于壓力容器的制造,從事鋁合金內膽、車用復合氣瓶、呼吸氣瓶等產品的開發、生產和銷售。該公司已擁有“車用復合氣瓶”和“復合氣瓶用鋁膽”兩項專利。僅CNG氣瓶已有從30L到250L 范圍27 個規格的產品。尤其是對外可供應鋁膽成品,公司從2005 年開始建設第二條鋁膽生產線,值得關注。
2. 8 　黑龍江華安工業(集團) 公司
　　地處北國的齊齊哈爾“華安”公司也研發了鋁內膽纖維纏繞復合材料氣瓶。有玻璃纖維和碳纖維兩種類型,50L 、70L 和90L 三種規格的CNG氣瓶,并且向外頻發招商引資合作開發的信息。
2. 9 　沈陽中復科金壓力容器有限公司
　　該公司由連云港中復連眾復合材料集團有限公司、科學院金屬研究所和沈陽科金新材料公司等組建的股份有限公司。碳纖維纏繞氣瓶和纏繞氣瓶用鋁合金內膽是公司的主導產品之一。僅鋁合金內膽而言,從1. 4L 到20L 就有14 個規格之多。鋁內膽作為獨立的產品銷售。
2. 10 　其它廠商和公司
　　由中材科技股份有限公司與北京玻璃鋼研究院復合材料有限公司組成“中材科技(蘇州) 有限公司”,注冊資金1 億元。將以高壓復合材料氣瓶為主導產品。　　
　　蚌埠高新技術開發區,有招商引資項目:年產碳纖維氣瓶2 萬只,CNG氣瓶4 千只。區內有碳纖維工業園區,安徽華皖碳纖維有限公司:年產200 噸聚丙烯腈基碳纖維。
　　湖南湘潭有招商項目:復合材料氣瓶。
　　此外,還有許多新興的廠家,皆躍躍欲試,今不冗敘。倒是有許多有很強研究能力的大學和研究院所值得介紹。
2. 11 　哈爾濱工業大學
　　哈爾濱工業大學下屬的復合材料研究所,對復合材料高壓氣瓶做如下研究:根據復合材料特有的性質,建立更合理的模型。包括:研究纏繞層材料的粘彈性本構關系;在考慮固化度、化學反應熱、纖維張力、樹脂粘度和固化反應等因素下考察纏繞和固化過程中樹脂的流動模型;研究纏繞張力對內膽約束塑性變形的影響;考慮材料、工藝和結構一體化分析與優化的設計方法。為求得驗證,曾制造出體積為20 升、質量小于6kg、工作壓力為40MPa 、爆破壓力為70MPa 的復合材料高壓氣瓶對外進行展示。
2. 12 　南京航空航天大學
　　南京航空航天大學對復合材料氣瓶做過市場考察,認為5L 助力車液化氣瓶、8L 家用氧氣瓶和2L攜帶式氧氣瓶很有市場前景,僅后者市場需求量約2 萬只/ 年以上。在技術可行性分析方面,他們認為:復合材料纏繞氣瓶的關鍵技術是疲勞設計技術和制造技術,疲勞設計技術包括內襯設計、接嘴設計和纏繞線型設計技術。進入市場的策略是:首先研制壓力等級較低的液化氣瓶,積累經驗后再開展壓力等級較高的便攜式復合材料氧氣瓶和家用氣瓶。這是一個很實際的策略。
2. 13 　北京玻璃鋼研究院
　　北京玻璃鋼研究院早年間就曾研制過復合材料氧氣瓶,積累了許多經驗。現今,在復合材料氣瓶研究方面,他們認為,對內膽采用了變壁厚的設計,將使結構更加合理。另外,他們認為生產這類氣瓶的關鍵技術包括:鋁合金內膽的成形工藝、熱處理工藝及強化工藝方法與參量;鋁合金內膽結構的優化設計,張力纏繞工藝與內膽的變形匹配等。
2. 14 　西安向陽公司
　　西安向陽公司所屬“陜西非金屬材料研究所”,即航天部四院第43 研究所。該所擅長于纖維纏繞高壓容器的設計和制造。對于全塑復合材料CNG氣瓶而言,他們認為:首先是金屬瓶口的材料和設計形狀;其次是瓶口與非金屬內膽的結合及氣密可靠性;第三是低溫下內膽與復合材料的剝離;第四是非金屬內膽要求所選用的樹脂體系只能是中、低溫固化體系,而這類樹脂體系將不利于材料性能的發揮,從而導致水爆壓力和疲勞壽命的穩定性較差。與43 所毗鄰的41 所更擅長于纏繞結構的理論分析。有專家認為高壓復合材料氣瓶的初期設計,仍可用業界工程人士所掌握的“網格理論”進行,提出了氣瓶爆破的薄弱環節仍然在封頭,因此,可用加大纏繞角的辦法增加封頭纖維承受環向應力的能力。這在纏繞工藝中與所謂“擴口纏繞”或“多角度纏繞”的辦法相吻合。出于對材料性能發揮優的考慮,可采用“混雜纏繞”的方法。一般而言,用玻纖和碳纖維二相混雜纏繞適宜于CNG氣瓶的制造。
2. 15 　重慶汽車研究所
　　　汽車工業總公司重慶汽車研究所對鋼質內膽環向纖維纏繞氣瓶進行了系統的研究,對氣瓶設計、結構和受力情況進行了有限元分析;對氣瓶進行了優化設計,對氣瓶的制造工藝提出了全面分析,提出了優化制造工藝;對鋼內膽和復合材料層在疲勞試驗中的模量匹配問題進行了深入研究,綜合考慮了表面的壓應力、疲勞應力、鋼和玻纖的彈性模量及其在疲勞中應變量和變形匹配,提出和完善復合材料纏繞工藝。
2. 16 　北京航空制造工程研究所
　　該所的研究人員認為:CNG- 3 型氣瓶(鋁內膽,纖維全纏繞) 是制造技術為復雜的一種。傳統工程意義的“網格理論”,對復合材料氣瓶的設計與分析計算已無法滿足要求。對于鋁內膽復合材料氣瓶,在高壓下,鋁內膽很快進入塑性,而纖維復合材料增強層卻還處于線性狀態。因此,這種組合模型表明至少在一個材料方向上呈現出應力- 應變關系的非線性。不僅如此,就是作為增強層的復合材料本身在高壓下就有“非線性、大變形”的特點。可見,在建立分析模型時必須要考慮這些特點。
　　另外,鋁內膽有相當好的力學性能,能單獨承載一部分載荷。因此,可以在纖維纏繞時對鋁內膽施加“預應力”,其結果是固化后的氣瓶在氣瓶初始未充氣狀態時就處于“壓應力”狀態。這就帶來了提高靜強度和疲勞強度的好處。
　　研究者基于ISO 11439 標準對“CNG- 3 型”氣瓶的要求,進行了材料非線性有限元分析的探索,并充分利用國際知名軟件ANSYS 作為二次開發平臺,開發了適于“CNG- 3 型”氣瓶的應力分析與性能評定軟件。
2. 17 　哈爾濱玻璃鋼研究院
　　原哈爾濱玻璃鋼研究所的工程技術人員,早在上世紀七十年代就對帶有金屬內襯的高壓容器進行了深入研究,并提出了“彈性設計”和“半彈性設計”兩種辦法:
　　(1) 當纖維材料與內襯材料的彈性模量相近或高于內襯材料的彈性模量時:可采用彈性設計方法。應用這種方法設計的產品,即使在大于其工作壓力的條件下,內襯中的大應力也不會超過其彈性極限,即不允許內襯發生塑性流變。
　　(2) 當纖維材料比內襯材料的彈性模量低,而內襯材料的延伸率又較高時,可采用半彈性設計方法。應用這種方法設計的產品,在工作內壓作用下多次重復使用的內襯中大應力不會超過其彈性極限,而當壓力超過工作內壓時,內襯中的應力才超過彈性極限,內襯材料發生塑性流變。
　　要完成上述設計任務,必須在纖維上施加一定的張力,即讓襯里承受“自緊力”產生受壓縮的“預應力”。因此,提出了纖維張力計算公式。
　　后來,有學者發揮了均衡型網格纏繞對襯層材料選擇的認識:在可供選擇的襯層材料中,應使材料的均衡彈性伸長率與纖維的延伸率為宜。分為三檔:對于檔接近,可以較好地發揮襯層助力;對于第二檔,則可降低纖維張力和減小襯層厚度。理論上當時的材料匹配為佳。(注: ―――襯層材料的延伸率;―――纖維的延伸率)
　　一般而言,玻璃纖維、鋁內襯和碳纖維它們的彈性模量各不相同,因變形問題而導致的模量匹配顯得復雜而重要,襯層材料的質地和厚度也不是隨意設置的。這也正是復合材料氣瓶設計與制造的魅力之所在。
2. 18 　其它院校
　　武漢理工大學　有自行研制的張力、含膠量微機控制系統;有高壓氣瓶纖維纏繞設備和工藝一體化制造技術。
　　四川大學　四川大學科技園發出招商消息:復合材料高壓(CNG氣瓶) 容器生產線。其經濟效益分析:產值:12500 萬元;利稅:6500 萬元。

3 　復合材料氣瓶標準概況

　　復合材料氣瓶,無論是呼吸氣瓶、消防氣瓶,還是車用壓縮天然氣(CNG) 氣瓶,其標準都是非常重要的指導生產的規范性文件。目前,我國還缺乏自己的氣瓶標準。這就需要向先進學習和借鑒。
3. 1 　呼吸氣瓶
　　美國于1975 年研制出鋁內膽、S 玻纖纏繞的復合材料氣瓶,并于1976 年DOT 獲準生產,用于商用高壓氣體貯存,如消防呼吸氣瓶、家用氣瓶及各種壓縮氣驅動系統等。
　　DOT FRP - 1 即《FRP 纖維增強FC 型復合材料氣瓶基本要求》,它由美國壓縮氣體協會(CGA) 于1970 年開發。早用玻璃纖維,安全系數為3. 33 ,后修改3. 5 ;爾后加進了芳綸纖維項目。該標準規定氣瓶使用壽命要求為15 年,每三年有一次在用檢查和水壓試驗。容積范圍為小于等于90. 7L 、工作壓力范圍為6. 2～34. 5MPa 。
　　DOT FRP - 2《FRP 纖維增強3HW型復合材料氣瓶基本要求》,是由CGA 在1982 年制定的。其使用與FRP - 1 類同。本標準初僅用于玻纖鋁內膽環向纏繞,安全系數2. 65。后來允許用鋼內膽。其容積范圍及工作壓力范圍與FRP - 1 相同。
　　為了使氣瓶減重,可采用碳纖維取代玻璃纖維。1994 年碳纖維鋁內膽全纏繞復合材料氣瓶在歐洲獲準使用,相繼在美國于1997 年也被獲準使用。該種氣瓶只有相同容積鋁瓶或鋼瓶重量的34 % ,比S玻纖氣瓶重量輕15 %～30 %。
　　在歐洲碳纖維復合氣瓶主要標準, 是英國HSEA1 - FW2、歐洲標準化技術委員會(CEN) 編制的復合材料氣瓶規范PREN12245《全纏繞復合材料氣瓶》。在美國則是DOT - CFFC 無縫鋁內膽碳纖維全纏繞氣瓶,現行的版本是1999 年第三次修訂版《全纏繞碳纖維增強鋁內膽氣瓶的基本要求》。氣瓶的大水容積≤90. 7L ,工作壓力≤34. 5MPa 。
3. 2 　車用壓縮天然氣氣瓶
　　車用壓縮天然氣氣瓶即CNG氣瓶。1992 年美國標準所(ANSI) 制定頒布了ANSI/ AGANGV2 -1992 車用壓縮天然氣氣瓶標準,它是建立在鋼質氣瓶標準US DOT 3AA、鋁質氣瓶標準US DOT 3A1 和全纏繞氣瓶設計標準草案FRP - 1 和環纏繞FRP - 2氣瓶設計標準草案的基礎上的標準。該標準首次將CNG氣瓶劃分為四類。現行版本為NGV2 - 2000。
　　(1) CNG- 1 型:金屬(鋼或鋁) 氣瓶;
　　(2) CNG- 2 型:金屬(鋼或鋁) 內膽環向纖維纏繞氣瓶;
　　(3) CNG- 3 型:金屬(鋼或鋁) 內膽全纖維纏繞氣瓶(包括縱向纖維層和環向纖維層) ;
　　(4) CNG- 4 型:塑料內膽全纏繞氣瓶(所謂全塑復合材料氣瓶) 。
　　這種分類法刻劃了CNG氣瓶發展的各個歷史階段,得到了全的普遍認可,加拿大的CSA、國際ISO、歐洲的CEN 和日本的MITI 都采用了這種分類法,這也得到我國業界的認同。
　　美國ANSI 的NGV2 - 1992 是上部全面的CNG氣瓶專用標準,它主張以性能試驗為宗旨的標準思想,同時又輔之以對設計、制造、材料和試驗方法的基本規定形成一個開放性體系。這個體系既要保證氣瓶的基本安全性能,又能夠不會束縛開發商采用新技術、新材料的積極性。國際ISO 采納了NGV2 的結構框架,但兩者稍有異同。
　　1989 年ISO/ TC58/ SC3/ WG17 著手《車用壓縮天然氣氣瓶》國際標準的制定工作,于1992 年提出標準化草案,經過多次修改ISO 11439《車用壓縮天然氣高壓氣瓶》現已被包括在內的大多數認可。該標準版已于2000 年9 月15 日正式頒布。
　　可以說ISO 11439《車用壓縮天然氣氣瓶》是建立在過去20 年來各國經驗的基礎上而制定的,彌足珍貴。因此,國內企業車用壓縮天然氣氣瓶標準也都依它為藍本,作為本企業的重要參照。(注:我國目前尚未制定CNG氣瓶的標準)
3. 3 　壓縮氣體和液化氣體用復合材料氣瓶
　　隨著復合材料氣瓶技術的發展和在氣體工業中應用的擴展,國際標準化組織( ISO) 于2002 年批準了一套纖維纏繞復合材料氣瓶標準: ISO 1119《復合結構氣瓶―――規范和試驗方法》,它包括:
　　部分: ISO 1119 - 1《環向纏繞復合氣瓶》
　　第二部分: ISO 1119 - 2《承載金屬內膽纖維纏繞增強全纏繞復合氣瓶》
　　第三部分: ISO 1119 - 3《非金屬內膽和不承載金屬內膽纖維增強全纏繞復合氣瓶》。
　　ISO 1119 標準適用于水容積≤450L ,用于儲存和運送壓縮氣體和液化氣體,其水壓試驗壓力≤650bar 。ISO 1119 標準規定設計壽命從10 年到不限;對設計壽命超過十年的,若要繼續使用應重新進行評定。無縫內襯材料可以是鋼、不銹鋼或鋁合金。纏繞纖維可為玻纖、碳纖和有機纖維或其混雜等等。這顯而易見是一個純粹以復合材料為特質的氣瓶標準。

4 　結　語

　　復合材料氣瓶屬于朝陽產業,目前正方興未艾。我國的復合材料氣瓶產業,剛剛起步,稍受挫折。但我國的纖維纏繞技術根基深厚,氣瓶制造只要堅持下去,必有成績和回報。

參　考　文　獻

　　1 　凱克咨詢. 壓縮天然氣汽車氣瓶的開發現狀及其安全可靠性.http :/ / www. newmaker. com
　　2 　張建偉等. CNG塑料內襯纖維增強氣瓶的設計制造和使用的安全. http :/ / www. china - frp. com
　　3 　王秉權. 纖維纏繞內壓容器的力學分析(內部資料)
　　4 　劉錫禮. 襯層不超出彈性范圍的纖維纏繞內壓容器分析(內部資料)
　　5 　陳汝訓. 具有襯里的纖維纏繞壓力容器分析. 固體火箭技術,1999 , (4) :51 - 56
　　6 　陳汝訓. 復合材料天然氣氣瓶設計的幾個問題. 宇航材料工藝,2001 , (5) :55 - 57
　　7 　陳汝訓. 混雜纖維纏繞殼體設計. 固體火箭技術,2001 , (3) :10 - 13
　　8 　岳中第等. 基于ISO 11439 標準及ANSYS 平臺的CNG氣瓶有限元應力分析. 航空制造技術,2002 專刊:32
　　9 　周海成等. 纖維纏繞復合材料氣瓶的發展及其標準情況. 壓力容器,2004 , (9) :32 - 36
　　10 　林再文,李濤,孫浩偉等. 幾種纖維復合材料壓力容器的性能對比研究. 纖維復合材料,2005 ,22 (1) :21
　　11 　費春東,楊麗萍,孫博等. 不等極孔壓力容器纏繞線型的理論分析與計算. 纖維復合材料,2006 ,23 (1) :41
　　12 　李小明,邱桂杰,劉錦霞. 某型復合材料氣瓶優化設計. 纖維復合材料,2007 ,24 (1) :21
　　13 　胡照會,王榮國,馬李等. CFRP 壓力容器固化成型過程中邊界條件的確定. 纖維復合材料,2007 ,24 (1) :26
　　注:文中大量非技術信息源于互聯網的公開披露,故未能一一注明出處。

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