專利名稱：鋼內(nèi)膽大容積高壓纏繞氣瓶及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種儲存與運輸高壓氣體的鋼內(nèi)膽大容積高壓纏繞氣瓶結(jié)構(gòu)極其制作方法。
背景技術(shù)：
隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展與現(xiàn)代技術(shù)的推廣應(yīng)用，像氫氣、氦氣一類的氣體用量急劇加大，但這種氣體難以液化，氫氣的液化溫度在-252.8℃、氦氣的液化溫度在-268.9℃。實現(xiàn)儲存與運輸，最簡單、實用和經(jīng)濟(jì)的方法是提高儲運壓力。目前國際上運輸氫氣的壓力已經(jīng)提高到35MPa，并正在向45MPa以上的壓力發(fā)展。我國航天、航空、導(dǎo)彈發(fā)射和艦艇儲存特種需求氣體的壓力也都在35MPa以上。目前，我國尚沒有25MPa以上高壓氣體儲存與運輸?shù)臒o縫高壓容器，更不用說大容積的高壓氣瓶。為達(dá)到運輸與儲存使用的目的，以前曾經(jīng)使用過焊接結(jié)構(gòu)的單層或多層壓力容器。由于采用了焊接結(jié)構(gòu)，鋼材的強(qiáng)度較低，設(shè)備的重量較大，耐疲勞性能較差，投入運輸?shù)娜莘e也較小。450～1000升氣瓶目前只能靠進(jìn)口解決。水容積超過1000升、承壓能力在30MPa以上的高壓氣瓶，目前國內(nèi)根本沒有產(chǎn)品供應(yīng)。
為了提高氣瓶的容積和承壓能力，在本領(lǐng)域內(nèi)普遍采取的技術(shù)方案是盡可能的采取優(yōu)質(zhì)的高壓無縫鋼管，采用端頭旋壓縮頸方法加工成內(nèi)膽，再選用高強(qiáng)度纖維借助環(huán)氧樹脂類的黏合劑在內(nèi)膽外壁上纏繞并形成一層強(qiáng)化殼層，來提高現(xiàn)有內(nèi)膽的承壓能力。通過失效理論分析和破壞性實驗的對比，高壓無縫鋼管制成的內(nèi)膽其軸向的抗拉強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)大于徑向的抗裂強(qiáng)度?，F(xiàn)有技術(shù)中單一的角度交叉纏繞和所謂正交纏繞都沒有充分利用纖維的拉伸彈性模量，對內(nèi)膽的失效過程進(jìn)行針對性補(bǔ)償，從而造成復(fù)合型高壓氣瓶的重量大、成本高，水容積越大則問題越突出，根本原因是克服內(nèi)膽疲勞變形的貢獻(xiàn)沒有得到充分發(fā)揮。不同高強(qiáng)纖維在不同部位的作用沒能得到合理的分配，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計上的主要缺陷。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供一種1000～3000升大容積、耐壓20～70MPa儲存與運輸用的高壓氣瓶結(jié)構(gòu)極其制作方法。使該氣瓶具有與充裝氣體的相容性、承壓能力高、水容積大、防滲漏性能好、耐疲勞性能高、而重量相對較輕、安全可靠性。
本發(fā)明的關(guān)鍵設(shè)計思想是加大高強(qiáng)纖維對徑向抗裂強(qiáng)度的補(bǔ)償兼顧對軸向抗拉強(qiáng)度的補(bǔ)償，強(qiáng)化合理分配纏繞中各層纖維之間的受力，加強(qiáng)關(guān)聯(lián)性和相互補(bǔ)償?shù)囊恢滦缘慕Y(jié)構(gòu)特征，使內(nèi)膽在反復(fù)充、放高壓氣體的過程中所產(chǎn)生的彈性形變嚴(yán)格控制在理論規(guī)范值之內(nèi)。具體的制作方法步驟如下①根據(jù)設(shè)計容量選取配套長度的高壓無縫鋼管采用旋壓縮口、熱處理調(diào)質(zhì)、整形機(jī)加工制成能與高壓進(jìn)、出氣閥和端口塞對接的內(nèi)膽，②借助旋轉(zhuǎn)支架將內(nèi)膽定位在旋轉(zhuǎn)支架的旋轉(zhuǎn)軸上，
③將高強(qiáng)纖維從卷軸引出，借助膠輥和壓膠對輥導(dǎo)向?qū)⒔z后的高強(qiáng)纖維設(shè)定在內(nèi)膽上，④調(diào)整高強(qiáng)纖維的初始纏繞螺旋角度不小于30度，纖維的預(yù)應(yīng)張力在纖維束抗拉強(qiáng)度的5-20％之間，⑤按照以上設(shè)定的條件在內(nèi)膽兩縮口之間按照順、逆時針方向交替無間隙密繞，⑥每次纏繞方向交替完成后纏繞角度增加0.5-1.5度，然后繼續(xù)按照順、逆時針方向交替無間隙密繞，⑦在纏繞角度增加到75-88度之間時，維持在最終角度上反復(fù)密饒直至達(dá)到強(qiáng)化復(fù)合層所設(shè)計的厚度，⑧將纏繞好的內(nèi)膽置入固化爐中烘干、固化，整形處理。
以上的步驟中包括在無縫鋼管兩端通過旋壓加工成為兩端的縮肩和瓶頸，再經(jīng)過回火處理借助機(jī)加工平頭、攻絲形成能與密封端塞和閥門固定連接的內(nèi)膽。將高強(qiáng)纖維設(shè)定在內(nèi)膽上一般是借助專用夾具將高強(qiáng)纖維端頭固定在內(nèi)膽的瓶頸上。初始纏繞螺旋角度不小于30度和施加高強(qiáng)纖維的預(yù)應(yīng)張力是本發(fā)明的關(guān)鍵。結(jié)合纏繞螺旋角度的均勻變大和正、反向交替、交叉纏繞可以更合理的分配各層間的纖維在充氣過程中的受力狀態(tài)的一致性，實現(xiàn)較少的纖維達(dá)到較理想的增強(qiáng)效果。
使用以上的制作步驟加工出的鋼內(nèi)膽大容積高壓纏繞氣瓶，結(jié)構(gòu)中包括旋壓縮口高壓無縫鋼管內(nèi)膽，和內(nèi)膽外壁纏繞固化形成強(qiáng)化復(fù)合殼層，借助兩端縮口瓶頸的內(nèi)螺紋固定前端塞和后端塞，前端塞上設(shè)置進(jìn)、出氣閥門和排污裝置，在后端塞上設(shè)置安全泄放裝置，本發(fā)明中的強(qiáng)化復(fù)合殼層外還增加了一層保護(hù)層。該保護(hù)層的作用是防止沖擊性的損傷切斷強(qiáng)化復(fù)合殼層中的纖維，從而形成局部的疲勞失效點，導(dǎo)致整個強(qiáng)化復(fù)合殼層對內(nèi)膽的抗壓補(bǔ)償效果。
本發(fā)明的積極效果提供了完整的大容積(1000～3000升)、高壓(20～70MPa)儲存與運輸高壓氣體的氣瓶的結(jié)構(gòu)和加工技術(shù)方案。所制造出來的氣瓶具有與充裝氣體的相容性、承壓能力高、水容積大、防滲漏性能好、耐疲勞性提高、重量相對減輕、安全可靠性增強(qiáng)。
下面結(jié)合附圖及實施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的目的是如何實現(xiàn)的。
圖1鋼內(nèi)膽大容積高壓全纏繞氣瓶示意圖。
圖2鋼內(nèi)膽大容積高壓環(huán)纏繞氣瓶示意圖。
附圖中1是由高壓無縫鋼管制成的內(nèi)膽，2是強(qiáng)化復(fù)合殼層，3是保護(hù)層，4是密封前端塞，5是密封后端塞，6是高壓氣體的進(jìn)、出口閥門，7是排污裝置，8是設(shè)置在在后端塞5上的安全泄放裝置。
具體實施方法在上述的鋼內(nèi)膽大容積高壓纏繞氣瓶的制作方法中所說的高強(qiáng)度纖維是玻璃纖維、或聚丙烯腈預(yù)氧化纖維、或碳纖維、或石墨纖維，或是以上任何一種纖維所編織成的條帶或布。各種纖維的抗拉強(qiáng)度和彈性摸量相差較大、但價格相差也較大。一般的選取碳纖維來制作強(qiáng)化復(fù)合殼層(2)。
高壓無縫鋼管的性質(zhì)和耐壓也有較大差異，往往根據(jù)技術(shù)要求進(jìn)行選擇是采用型號為4130X、或30CrMo、或35CrMo、或4142、或4145、或SA372的無縫鋼管，厚度選取范圍是8-25mm與設(shè)計氣瓶的亦與工作壓力相匹配。
為了使完全固化后的強(qiáng)化復(fù)合殼層(2)與內(nèi)膽外壁之間實現(xiàn)無隙配合，以保證強(qiáng)化復(fù)合殼層(2)對內(nèi)膽抗壓能力的有效補(bǔ)償，在制作方法步驟⑧中的整形處理中還要包括自緊力處理，自緊力處理壓力為水壓試驗壓力的1.05～1.15倍，自緊力處理的時間最好是出爐36小時之內(nèi)。
在制作方法步驟③-⑦中高強(qiáng)纖維所采用的是碳纖維，所形成的強(qiáng)化復(fù)合殼層(2)厚度是內(nèi)膽(1)壁厚的1-1.5倍，完成之后再換用玻璃纖維重復(fù)步驟③-⑦，其中步驟③中涉及到的環(huán)氧樹脂中或添加阻燃劑，步驟④中的初始纏繞角度不小于70度，最終形成的阻燃保護(hù)殼層(3)的厚度是強(qiáng)化復(fù)合殼層(2)厚度的1/8-1/10。
為了大幅度提高氣瓶的耐壓能力可以采取碳纖維和石墨纖維混用的技術(shù)方案，具體在步驟③-⑦中高強(qiáng)纖維所采用的碳纖維中初始纏繞部分由石墨纖維替代，所形成是石墨纖維加強(qiáng)殼層，是內(nèi)膽(1)壁厚的0.2-0.5倍。然后采用碳纖維繼續(xù)纏繞操作，最終所形成的混合的強(qiáng)化復(fù)合殼層總厚度是內(nèi)膽壁厚的0.8-1.0倍?？梢栽谳^薄、較輕的狀態(tài)達(dá)到較高的耐壓效果。
結(jié)合附圖可以看出用以上方法制作出的鋼內(nèi)膽大容積高壓纏繞氣瓶，具有與現(xiàn)有技術(shù)完全不同結(jié)構(gòu)。它的結(jié)構(gòu)中包括旋壓縮口高壓無縫鋼管內(nèi)膽1，和內(nèi)膽1外壁纏繞固化形成強(qiáng)化復(fù)合殼層2，借助兩端縮口瓶頸的內(nèi)螺紋固定前端塞4和后端塞5，前端塞上設(shè)置進(jìn)、出氣閥門6和排污裝置7，在后端塞5上設(shè)置安全泄放裝置8，其特征在于強(qiáng)化復(fù)合殼層2外還增加了一層保護(hù)層3。
該強(qiáng)化復(fù)合殼層2中的高強(qiáng)纖維是采用碳纖維，保護(hù)層3中采用玻璃纖維加工，高壓無縫鋼管是采用型號為4130X、或30CrMo、或35CrMo、或4142、或4145、或SA372的無縫鋼管，厚度選取范圍是8-25mm，與設(shè)計氣瓶的工作壓力相匹配，強(qiáng)化復(fù)合殼層2是管壁厚度的1-1.5倍，保護(hù)層3是強(qiáng)化復(fù)合殼層厚度的1/8-1/10。
強(qiáng)化復(fù)合殼層2中的采用的碳纖維接近內(nèi)膽部分由石墨纖維替代，形成加強(qiáng)殼層，它是內(nèi)膽壁厚的0.2-0.5倍，所形成的混合強(qiáng)化復(fù)合殼層2總厚度是內(nèi)膽壁厚的0.8-1.0倍。
鋼內(nèi)膽大容積高壓纏繞氣瓶，中的強(qiáng)化復(fù)合殼層2或保護(hù)層3的加工制作均按照以上所說的制作方法中的步驟①-⑧加工而成的。
權(quán)利要求
1.一種鋼內(nèi)膽大容積高壓纏繞氣瓶的制作方法，包括采用旋壓縮口高壓無縫鋼管做內(nèi)膽(1)，借助于浸潤環(huán)氧樹脂的高強(qiáng)度纖維在內(nèi)膽外壁纏繞固化形成強(qiáng)化復(fù)合殼層(2)，其特征在于該方法通過以下步驟實現(xiàn)①根據(jù)設(shè)計容量選取配套長度的高壓無縫鋼管采用旋壓縮口、熱處理調(diào)質(zhì)、整形機(jī)加工制成能與高壓進(jìn)、出氣閥和端口塞對接的內(nèi)膽，②借助旋轉(zhuǎn)支架將內(nèi)膽(1)定位在旋轉(zhuǎn)支架的旋轉(zhuǎn)軸上，③將高強(qiáng)纖維從卷軸引出，借助膠輥和壓膠對輥導(dǎo)向?qū)⒔z后的高強(qiáng)纖維設(shè)定在內(nèi)膽上，④調(diào)整高強(qiáng)纖維的初始纏繞螺旋角度不小于30度，纖維的預(yù)應(yīng)張力在纖維束抗拉強(qiáng)度的5-20％之間，⑤按照以上設(shè)定的條件在內(nèi)膽(1)兩縮口之間按照順、逆時針方向交替無間隙密繞，⑥每次纏繞方向交替完成后纏繞角度增加0.5-1.5度，然后繼續(xù)按照順、逆時針方向交替無間隙密繞，⑦在纏繞角度增加到75-88度之間時，維持在最終角度上反復(fù)密饒直至達(dá)到強(qiáng)化復(fù)合層所設(shè)計的厚度，⑧將纏繞好的內(nèi)膽置入固化爐中烘干、固化，整形處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說的鋼內(nèi)膽大容積高壓纏繞氣瓶的制作方法，其特征在于所說的高強(qiáng)度纖維是玻璃纖維、或聚丙烯腈預(yù)氧化纖維、或碳纖維、或石墨纖維，或是以上任何一種纖維所編織成的條帶或布。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所說的鋼內(nèi)膽大容積高壓纏繞氣瓶的制作方法，其特征在于所說的高壓無縫鋼管是采用型號為4130X、或30CrMo、35CrMo或4142、或4145、或SA372的無縫鋼管，厚度選取范圍是8-25mm與設(shè)計氣瓶的工作壓力相匹配。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所說的鋼內(nèi)膽大容積高壓纏繞氣瓶的制作方法，其特征在于在步驟⑧中的整形處理中還包括自緊力處理，自緊處理壓力為水壓試驗壓力的1.05～1.15倍，自緊力處理的時間最好是出爐36小時之內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所說的鋼內(nèi)膽大容積高壓纏繞氣瓶的制作方法，其特征在于在步驟③-⑦高強(qiáng)纖維所采用的是碳纖維，所形成的強(qiáng)化復(fù)合殼層(2)厚度是內(nèi)膽(1)壁厚的1-1.5倍，完成之后換用玻璃纖維重復(fù)步驟③-⑦，其中步驟③中涉及到的環(huán)氧樹脂中應(yīng)添加阻燃劑，步驟④中的初始纏繞角度不小于70度，最終形成的阻燃保護(hù)殼層(3)的厚度是強(qiáng)化復(fù)合殼層(2)厚度的1/8-1/10。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所說的鋼內(nèi)膽大容積高壓纏繞氣瓶的制作方法，其特征在于在步驟③-⑦高強(qiáng)纖維所采用的碳纖維中初始部分由石墨纖維替代形成加強(qiáng)殼層是內(nèi)膽(1)壁厚的0.2-0.5倍，所形成的混合強(qiáng)化復(fù)合殼層總厚度是內(nèi)膽壁厚的0.8-1.0倍。
7.鋼內(nèi)膽大容積高壓纏繞氣瓶，結(jié)構(gòu)中包括旋壓縮口高壓無縫鋼管內(nèi)膽(1)，和內(nèi)膽(1)外壁纏繞固化形成強(qiáng)化復(fù)合殼層(2)，借助兩端縮口瓶頸的內(nèi)螺紋固定前端塞(4)和后端塞(5)，前端塞上設(shè)置進(jìn)、出氣閥門(6)和排污裝置(7)，在后端塞(5)上設(shè)置安全泄放裝置(8)，其特征在于強(qiáng)化復(fù)合殼層(2)外還增加了一層保護(hù)層(3)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所說的鋼內(nèi)膽大容積高壓纏繞氣瓶，其特征在于強(qiáng)化復(fù)合殼層(2)中的高強(qiáng)纖維是采用碳纖維，保護(hù)層(3)中采用玻璃纖維加工，高壓無縫鋼管是采用型號為4130X、或30CrMo、35CrMo或4142、或4145、或SA372的無縫鋼管，厚度選取范圍是8-25mm與設(shè)計氣瓶的工作壓力相匹配，強(qiáng)化復(fù)合殼層(2)是管壁厚度的1-1.5倍，保護(hù)層(3)是強(qiáng)化復(fù)合殼層厚度的1/8-1/10。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所說的鋼內(nèi)膽大容積高壓纏繞氣瓶，其特征在于強(qiáng)化復(fù)合殼層(2)中的采用的碳纖維接近內(nèi)膽部分由石墨纖維替代，形成加強(qiáng)殼層，它是內(nèi)膽壁厚的0.2-0.5倍，所形成的混合強(qiáng)化復(fù)合殼層(2)總厚度是內(nèi)膽壁厚的0.8-1.0倍。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所說的鋼內(nèi)膽大容積高壓纏繞氣瓶，其特征在于是按照權(quán)利要求1所說的制作方法中的加工步驟加工而成的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋼內(nèi)膽大容積高壓纏繞氣瓶結(jié)構(gòu)極其制作方法。結(jié)構(gòu)中包括高壓無縫鋼管制成的內(nèi)膽、外壁纏繞固化形成強(qiáng)化復(fù)合殼層及保護(hù)層。采用以下步驟加工①選取配套高壓無縫鋼管采用旋壓縮口、熱處理調(diào)質(zhì)、整形機(jī)加工制成內(nèi)膽，②旋轉(zhuǎn)支架將內(nèi)膽定位，③將高強(qiáng)纖維經(jīng)膠輥導(dǎo)向設(shè)定在內(nèi)膽上，④初始纏繞螺旋角度不小于40度，預(yù)應(yīng)張力為纖維束抗拉強(qiáng)度的5－15％之間，⑤在內(nèi)膽兩縮口之間按照順、逆時針方向交替無間隙密繞，⑥每次方向交替完成后纏繞角度增加0.5－1.5度，⑦在纏繞角度增加到75－85度之間時，維持至強(qiáng)化復(fù)合層設(shè)計厚度，⑧置入固化爐中烘干、固化，整形處理。
文檔編號F17C1/06GK1908501SQ200610048148
公開日2007年2月7日 申請日期2006年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月15日
發(fā)明者胡鴻賓, 王紅霞, 張洪, 王會賞, 翟蘭惠 申請人:石家莊安瑞科氣體機(jī)械有限公司