薄壁金属内衬纤维复合材料缠绕压力容器及其制造工艺 |
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| 申请号 | CN201510756675.3 | 申请日 | 2015-11-09 | 公开(公告)号 | CN105443973A | 公开(公告)日 | 2016-03-30 |
| 申请人 | 大连理工大学; | 发明人 | 王博; 邹华民; 任明法; 黄诚; 张希; 周才华; 丛杰; 常鑫; 曹广龙; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种薄壁金属 内衬 纤维 复合材料 缠绕 压 力 容器 及其制造工艺，其特征在于，内衬筒身段为薄壁金属管状结构，且其壁面为波纹状；压力容器还包括包覆在内衬筒身段外部的弹性材料填充层；纤维复合材料缠绕层包覆在弹性材料填充层和内衬封头段的外部。压力容器的制造工艺为：S1、用薄壁金属材料制造内衬；S2、在内衬筒身段外部包覆弹性材料；S3、在弹性材料填充层外表面上分层缠绕经 树脂 浸渍过的纤维复合材料，并 固化 成型。本发明内衬和纤维复合材料缠绕层与邻接层之间不容易脱粘失效。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种薄壁金属内衬纤维复合材料缠绕压力容器，所述压力容器包括内衬和纤维复合材料缠绕层；所述内衬包括内衬筒身段，以及设置在所述内衬筒身段两端的内衬封头段；其特征在于，所述内衬筒身段为薄壁金属管状结构，且其壁面为波纹状；所述压力容器还包括包覆在所述内衬筒身段外部的弹性材料填充层；所述纤维复合材料缠绕层包覆在所述弹性材料填充层和内衬封头段的外部。 |
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| 说明书全文 | 薄壁金属内衬纤维复合材料缠绕压力容器及其制造工艺技术领域[0001] 本发明涉及压力容器领域，具体为一种薄壁金属内衬纤维复合材料缠绕压力容器及其制造工艺。 背景技术[0002] 金属内衬纤维复合材料缠绕压力容器由双层结构组成，内层为内衬，其材料可为铝合金、不锈钢、纯钛、钛合金及科乃尔合金等；外层为纤维复合材料缠绕层(即壳体)，其与内衬的组合方式为，在内衬外表面上缠绕一定层数经树脂浸渍过的纤维复合材料，并固化成型。压力容器的筒身段为圆筒状，两端具有半球形或椭球形的封头。作为压力流体储存装置，纤维复合材料缠绕层是内压载荷的主要承载结构，内衬也承担部分内压载荷，主要起密封介质，提供纤维复合材料缠绕芯模和对外接口的作用。 [0003] 由于金属材料和纤维复合材料的弹性性能相差较大，金属内衬纤维复合材料缠绕压力容器在重复加卸载循环过程中金属内衬与纤维复合材料缠绕层的变形不协调。在工作压力作用下，纤维复合材料缠绕层始终处在弹性变形内，而金属内衬则承担部分内压载荷并膨胀受拉进入塑性变形阶段，其应力水平相对较高。卸载时，复合材料层发生完全弹性回复，金属内衬只能发生弹性部分回复，很大一部分塑性变形无法恢复，金属内衬中出现残余压应力，致使在重复加卸载循环过程中，金属内衬受外压屈曲，造成金属内衬与纤维复合材料缠绕层间的界面脱粘失效，导致压力容器发生泄露，从而限制了压力容器的许用载荷，降低了压力容器的耐疲劳和抗爆破性能。为使金属内衬能够经历重复循环的拉压应力状态而不失效，常需要较厚的金属内衬，造成压力容器重量上升幅度较大。 发明内容[0004] 本发明的一个目的在于公开一种薄壁金属内衬纤维复合材料缠绕压力容器，该压力容器通过内衬筒身段的壁面为波纹状，且增加弹性材料填充层，在内压载荷重复加卸载循环过程中，内衬筒身段的应力水平得到显著降低，解决了内衬和纤维复合材料缠绕层与邻接层之间界面容易脱粘失效的问题。 [0005] 为解决技术问题，本发明采用的具体技术手段如下： [0006] 一种薄壁金属内衬纤维复合材料缠绕压力容器，所述压力容器包括内衬和纤维复合材料缠绕层；所述内衬包括内衬筒身段，以及设置在所述内衬筒身段两端的内衬封头段；其特征在于，所述内衬筒身段为薄壁金属管状结构，且其壁面为波纹状；所述压力容器还包括包覆在所述内衬筒身段外部的弹性材料填充层；所述纤维复合材料缠绕层包覆在所述弹性材料填充层和内衬封头段的外部。 [0007] 进一步地，所述壁面具有垂直于所述内衬筒身段的中心轴线的波纹。 [0008] 进一步地，所述壁面具有平行于所述内衬筒身段的中心轴线的波纹。 [0010] 进一步地，所述压力容器的外径为2r1，所述波形的曲率为ρ，其中，ρ≤5/r1。 [0011] 进一步地，所述压力容器的内径为2r2，所述内衬的厚度为a，其中，2×10-3r2≤a≤1×10-2r2。 [0012] 更进一步地，所述弹性材料填充层采用橡胶材料。 [0013] 本发明的另一个目的在于公开一种薄壁金属内衬纤维复合材料缠绕压力容器的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤： [0014] S1、用薄壁金属材料制造内衬，其中内衬筒身段为波纹状； [0015] S2、在内衬筒身段外部包覆弹性材料，弹性材料与内衬筒身段的外表面毗连，并充分填充内衬筒身段波纹的波谷，形成弹性材料填充层，为纤维复合材料缠绕层提供缠绕界面； [0016] S3、在所述弹性材料填充层外表面上分层缠绕经树脂浸渍过的纤维复合材料，并固化成型，形成纤维复合材料缠绕层。 [0017] 进一步地，纤维复合材料层采用反对称角铺设方式缠绕。 [0019] 本发明提供的压力容器的内衬筒身段为薄壁金属管状结构，且其壁面为波纹状，在内压载荷重复加卸载循环过程中，内衬筒身段的应力水平显著降低，内衬筒身段绝大部分区域可始终处在弹性变形内，仅在内衬筒身段的波纹的波峰与波谷过渡处的极少部分区域应力水平较高，可能会进入塑性变形阶段；减少了内衬承担的内压载荷，更充分地发挥内衬的密封作用，使内压载荷更加完整、均匀及平缓地经由弹性材料填充层传递给纤维复合材料缠绕层承担，避免了内衬中出现重复循环拉压应力状态，降低金属内衬工作失效及界面层之间发生脱粘现象的可能性，从而提高了压力容器的许用载荷及其耐疲劳和抗爆破性能。 [0020] 内衬和纤维复合材料缠绕层之间具有弹性材料填充层。由于纤维复合材料缠绕层与内衬的电极电位存在一定的差异，如果该压力容器是在潮湿的环境中工作，存在金属内衬被电化学腐蚀的危险，通过在内衬和纤维复合材料缠绕层之间加入绝缘的弹性材料填充层，不仅可以避免金属内衬被电化学腐蚀，而且可以改善内衬与纤维复合材料缠绕层之间的载荷传递状态，提高压力容器整体性能。 [0021] 本发明提供的压力容器的内衬筒身段的壁面为波纹状，其波形采用光滑平缓、曲率变化不大的正弦波形，可避免产生局部应力集中，并可将内压载荷完整、均匀地传递给外层结构。 [0023] 为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0024] 图1为本发明第一种实施方式的压力容器部分截面立体图； [0025] 图2为本发明第一种实施方式的内衬部分截面立体图； [0026] 图3为本发明第一种实施方式的压力容器横截面示意图； [0027] 图4为本发明第二种实施方式的内衬立体图； [0028] 图5为本发明第二种实施方式的压力容器轴截面示意图； [0029] 图6为反对称角铺设示例图。 [0030] 图中：1、内衬，10、内衬筒身段，11、内衬封头段，2、弹性材料填充层，3、纤维复合材料缠绕层，4、介质进出口。 具体实施方式[0031] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0032] 如图1-图3所示的第一种实施方式的薄壁金属内衬纤维复合材料缠绕压力容器，包括内衬1、弹性材料填充层2、纤维复合材料缠绕层3和介质进出口(未示出)。 [0033] 内衬1包括薄壁金属管状结构的内衬筒身段10，以及设置在内衬筒身段10两端的内衬封头段11。其中，内衬筒身段10的壁面为波纹状，其壁面具有垂直于内衬筒身段的中心轴线的波纹；波纹应采用光滑平缓、曲率变化不大的波形，避免出现尖角、产生局部应力集中，使内压载荷完整、均匀地传递给外层结构。内衬1的材料采用铝6061T6。设定压力容器的外径为2r1，内径为2r2，其中内径为压力容器内部的最小直径，波形的曲率为ρ，内衬1的厚度为a，详见图3。 [0034] 作为一种优选的实施方式，波纹的波形采用正弦波。 [0035] 作为另一种优选的实施方式，波形的曲率ρ≤5/r1。 [0036] 作为又一种优选的实施方式，内衬1的厚度要求为2×10-3r2≤a≤1×10-2r2。 [0037] 弹性材料填充层2包覆在内衬筒身段10的外部，弹性材料应将内衬1壁面的波纹的波谷充分填满，并使其外表面形成光滑的圆柱面，以给纤维复合材料缠绕层3提供缠绕界面。弹性材料填充层2所使用的材料应是弹性近似不可压缩的，其弹性模量应尽量小，通常应小于100MPa，以使内压载荷能够有效的传递给纤维复合材料层。 [0038] 作为一种优选的实施方式，弹性材料填充层2采用橡胶材料。 [0039] 纤维复合材料填充层3为在弹性材料填充层2外表面上缠绕一定层数经树脂浸渍过的纤维复合材料，并固化成型。其中纤维复合材料可选用碳纤维、芳纶纤维或玻璃纤维等，树脂基体材料可选用聚酯树脂、环氧树脂或酚醛树脂等。 [0040] 在缠绕纤维复合材料时，为保证压力容器质量，采用分层固化工艺，即在弹性材料填充层2上先缠绕一定厚度的纤维，使其固化，再缠绕第二次，使其固化，直至产品厚度达到设计要求。 [0041] 对纤维复合材料缠绕层3的设计要求为：各个铺层的铺层角度、铺层厚度以及纤维力学性质应当满足，当对压力容器施加内压载荷时，纤维复合材料缠绕层3(外壳)的筒身轴向的应变值要远小于环向应变值，通常轴向应变值应至少小于环向应变值一个数量级。有利于解决内衬和纤维复合材料缠绕层与邻接层之间界面容易脱粘失效的问题。 [0042] 需要说明的是：内衬1两端的内衬封头段11并不是波纹状，焊接在内衬筒身段10的两端，其与纤维复合材料缠绕层3的内表面紧密粘合，中间并没有弹性材料填充层2，封头段的内压载荷直接由内衬1传递给纤维复合材料缠绕层3。 [0043] 如图4和图5所示的第二种实施方式的薄壁金属内衬纤维复合材料缠绕压力容器，包括内衬1、弹性材料填充层2、纤维复合材料缠绕层3和介质进出口4和第一种实施方式的区别仅在于，内衬筒身段10的壁面的波形延伸方向不同，本实施方式的壁面具有平行于所述内衬筒身段10的中心轴线的波纹。 [0044] 此种实施方式对纤维复合材料缠绕层3的设计要求为：各个铺层的铺层角度、铺层厚度以及纤维力学性质应当满足，当对压力容器施加内压载荷时，纤维复合材料层(外壳)的筒身环向的应变值要远小于轴向应变值，通常环向应变值应至少小于轴向应变值一个数量级。有利于解决内衬和纤维复合材料缠绕层与邻接层之间界面容易脱粘失效的问题。 [0045] 相对于现有技术，本发明公开的压力容器的内衬1和纤维复合材料缠绕层3之间还具有弹性材料填充层2。由于纤维复合材料缠绕层3与内衬1的电极电位存在一定的差异，如果该压力容器是在潮湿的环境中工作，存在金属内衬1被电化学腐蚀的危险，通过在内衬1和纤维复合材料缠绕层3之间加入绝缘的弹性材料填充层2，不仅可以避免金属内衬1被电化学腐蚀，而且可以改善内衬1与纤维复合材料缠绕层3之间的载荷传递状态，提高压力容器整体性能。 [0046] 上述实施方式的压力容器的具体制造工艺为： [0047] 1、用薄壁金属材料制造内衬，其中内衬筒身段为波纹状。由于内衬筒身段为波纹状，内衬需要在特殊的机床上采用整体成型或焊接式成型，且内衬在成型后要经过一定压力的水压试验和气密性试验。 [0048] 2、在内衬筒身段外部粘合弹性材料，弹性材料与内衬筒身段的外表面毗连，并充分填充内衬筒身段波纹的波谷，形成弹性材料填充层，为纤维复合材料缠绕层提供缠绕界面。 [0049] 橡胶材料填充层采用注射成型工艺制造成型，注射成型是在闭模状态下,胶料通过预塑化系统将胶料塑化和定量，然后由注射系统将高压、高速、高温的物料注射入模腔，同时模腔的气体由排气系统排出，随后接着硫化，由此得到注射橡胶制品，得到的注射橡胶制品内层与压力容器的内衬形状相适配，外层为光滑圆柱面。 [0050] 作为一种优选的实施方式，在内衬筒身段外部粘合弹性材料前，先对内衬筒身段外表面采用细砂进行喷砂粗化处理，再进行磷化处理并辅以溶剂去油处理，主要作用是清除金属表面的油污及氧化膜，使金属呈露出新鲜的表面，进而改变金属表面的结构和极性，提高粘结力。对内衬筒身段进行表面处理后，在内衬筒身段外表面均匀涂抹粘合剂，粘合内衬筒身段和弹性材料，并根据所用粘合剂的特性决定粘合时间，等待内衬筒身段和弹性材料填充层粘合牢固。 [0052] 3、在弹性材料填充层外表面上分层缠绕经树脂浸渍过的纤维复合材料，并固化成型，形成纤维复合材料缠绕层。 [0053] 缠绕前仔细清洁弹性材料填充层外表面，并粘贴胶膜于弹性材料填充层外表面，以提供纤维复合材料层与弹性填充层良好粘接界面。 [0054] 在对弹性材料填充层外表面进行纤维复合材料缠绕和固化操作前，要求在内衬中放置特殊的支撑设备以防止内衬受外压屈曲。 [0055] 作为一种优选的实施方式，纤维复合材料缠绕层采用反对称角铺设方式缠绕，以避免纤维复合材料缠绕层(压力容器的筒身)发生扭转变形。 [0056] 这里需要解释的是：反对称角铺设方式是指纤维复合材料缠绕层与中面相对称的内外缠绕层的铺设角度大小相等，但正负号相反，且对应厚度相等。其中，铺设角度是指纤维的缠绕方向与筒身轴线的夹角，以绕筒身轴线逆时针转为正，顺时针转为负；中面为缠绕的总厚度的中间平面；角铺设是相对于正交铺设而言，正交铺设只有0°和90°，而角铺设可以是-90°到90°的任意铺设角度。反对称角铺设方式的实例详见图6。 [0057] 本发明提供的压力容器的内衬的波纹振幅及弹性材料填充层厚度相比压力容器的整体尺寸较小，内衬为波纹状对金属内衬的容积影响较小，压力容器的有效流体贮存容量无明显变化；由于内衬筒身段的应力水平明显降低，在保证金属内衬充分发挥密封作用的前提下，可大幅度减薄金属内衬的厚度，从而显著减轻金属内衬的重量，并且由于内衬所使用的金属大幅减少，选择较为昂贵但性能更好的惰性金属和合金更为可行。 [0058] 本发明的适用范围较广，各型号航天器及其分系统，以及新能源汽车均适用。如卫星飞船推进系统用气瓶和表面张力推进剂贮箱，空间站推进系统、流体管理系统、环境控制与生命保障系统、科学试验和商业试验系统用各类型压力容器，运载系统的各种气瓶、低温推进剂贮箱等。 [0059] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。 |
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