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1、*,Click to edit Master text styles,Second Level,Third Level,Fourth Level,Fifth Level,DBPVI,Click to edit Master text styles,Second Level,Third Level,Fourth Level,Fifth Level,車用,CNG,纏繞氣瓶,設(shè)計制造,大連市鍋爐壓力容器檢驗研究院,韓 冰,2016.8.13,2,DBPVI,姓 名：韓冰,工作單位：大連市鍋爐壓力容器檢驗研究院,通訊地址：遼寧省大連市西崗區(qū)新河街,20,號,辦公電話：,0411-82479193,移動

2、電話：,13841127626,E-MAIL,：,hb_,1,車用,CNG,纏繞氣瓶簡介,2,車用,CNG,纏繞氣瓶結(jié)構(gòu)特征,3,車用,CNG,纏繞氣瓶設(shè)計,4,車用,CNG,纏繞氣瓶制造及制造過程中常見缺陷,5,車用,CNG,纏繞氣瓶檢驗,6,車用,CNG,纏繞氣瓶出廠文件和制造原始標志,1,車用,CNG,纏繞氣瓶簡介,4,DBPVI,一、車用壓縮天然氣鋼質(zhì)內(nèi)膽環(huán)向纏繞氣瓶與汽車用壓縮天然氣鋼瓶相比具有以下優(yōu)點：氣瓶重量輕、剛性好、強度高、氣密性好、可靠性高。二、金屬材料的疲勞破壞通常是沒有明顯預(yù)兆的突發(fā)性破壞，而復(fù)合材料中的增強物與基體的結(jié)合既能有效地傳遞載荷，又能阻止裂紋的擴展，提高了氣

3、瓶的斷裂韌性。三、復(fù)合材料中的大量增強纖維使得材料過載而少數(shù)纖維斷裂時，載荷會迅速重新分配到未破壞的纖維上，使整個氣瓶在短期內(nèi)不至于失去承載能力。四、復(fù)合材料氣瓶在受到撞擊或高速沖擊發(fā)生破壞時不會產(chǎn)生具有危險性的碎片，從而減少或避免了對人員的傷害；無需特殊處理就能滿足耐腐蝕性能。,5,DBPVI,6,DBPVI,2,車用,CNG,纏繞氣瓶結(jié)構(gòu)特征,8,DBPVI,車用,CNG,纏繞氣瓶結(jié)構(gòu)分類,一般分為二種型式：雙口型（型式,A,）和單口型（型式,B,），見下圖所示。,9,DBPVI,車用,CNG,纏繞氣瓶的規(guī)格參數(shù),GB24160-2009車用壓縮天然氣鋼質(zhì)內(nèi)膽環(huán)向纏 繞氣瓶的規(guī)定：適用于設(shè)

4、計、制造公稱工作壓力為 20MPa 或 25MPa，公稱水容積為 30450L，使 用溫度一般地區(qū)為-4065，設(shè)計使用壽命為 15 年的環(huán)向纏繞氣瓶。,10,DBPVI,車用,CNG,纏繞氣瓶型號的表示方法,11,DBPVI,示例：公稱工作壓力為,20 MPa,，公稱水容積為,50 L,，內(nèi)膽公稱外徑為,325 mm,，纖維采用玻璃纖維，結(jié)構(gòu)型式為,A,型的車用壓縮天然氣鋼質(zhì)內(nèi)膽玻璃纖維環(huán)向纏繞氣瓶，其型號標記為：,CNG2-G-325-50-20A,。,3,車用,CNG,纏繞氣瓶設(shè)計,12,DBPVI,盛裝可燃氣體的高壓纏繞氣瓶內(nèi)膽應(yīng)當選用鋼或者鋁合金等金屬材料；纏繞氣瓶鋼質(zhì)內(nèi)膽用材，應(yīng)當

5、是電爐或氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉的無時效性鎮(zhèn)靜鋼；,鋼內(nèi)膽用材料抗拉強度大于880MPa，應(yīng)當滿足相應(yīng)要求。,纏繞材料應(yīng)當選用玻璃纖維、芳綸纖維或者碳纖維；纏繞氣瓶承載層應(yīng)當采用單一纖維環(huán)向纏繞或者全纏繞，不得采用兩種以上(包括兩種)類型的纖維混纏。,13,DBPVI,氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程,中對于材料和設(shè)計的規(guī)定,氣瓶的實際爆破安全系數(shù)：,車用鋼質(zhì)內(nèi)膽玻璃纖維環(huán)向纏繞氣瓶：,2.5,車用鋼質(zhì)內(nèi)膽碳纖維及芳綸纖維環(huán)向纏繞氣瓶：,2.35,瓶體金屬材料屈服強度的設(shè)計選用值與抗拉強度的比值：,0.90,設(shè)計使用年限：,15,年,14,DBPVI,對設(shè)計的一般要求,根據(jù)薄膜應(yīng)力理論，通過計算可以求得，氣瓶筒體的環(huán)

6、向應(yīng)力是縱向應(yīng)力的 2 倍，所以環(huán)向是氣 瓶的薄弱環(huán)節(jié)，氣瓶的破裂一般是沿筒體的縱向開裂，即是由于作用在筒體的環(huán)向應(yīng)力達到材料的抗,拉強度極限所引起的。由于纖維是環(huán)向纏繞，因此纏繞層只承擔環(huán)向應(yīng)力；鋼質(zhì)內(nèi)膽除承擔完全的縱 向應(yīng)力外，還與纏繞層共同承擔環(huán)向應(yīng)力。環(huán)向纏繞氣瓶的設(shè)計應(yīng)遵守“未爆先漏”（Leak-before-break，LBB）準則，即氣瓶材料具有足夠 的韌性，快速斷裂前裂紋已穿透壁厚，導(dǎo)致泄漏發(fā)生，可避免突發(fā)快速斷裂，減少損失。,15,DBPVI,（1）設(shè)計使用壽命,GB24160-2009車用壓縮天然氣鋼質(zhì)內(nèi)膽環(huán)向纏繞氣瓶的規(guī)定的使用壽命為 15 年。疲勞次數(shù) 依據(jù)使用年限10

7、00 次確定，即以平均每年 1000 次的使用次數(shù)模擬氣瓶的疲勞使用壽命。,（2）最大許用工作壓力,公稱工作壓力 P 是以 20為基準溫度的限定充裝壓力，環(huán)向纏繞氣瓶允許達到的大許用工作壓 力 Pm為公稱工作壓力 P 的 1.3 倍。這個壓力與內(nèi)膽小設(shè)計爆破壓力相等，由此可見環(huán)向纏繞氣瓶的 安全系數(shù)是非常高的。,16,DBPVI,（3）溫度范圍,氣體溫度：設(shè)計環(huán)向纏繞氣瓶時應(yīng)考慮氣體溫度變化的影響：a）在靜止條件下，環(huán)向纏繞氣瓶內(nèi)氣體的溫度變化應(yīng)處于-40 65 范圍之內(nèi)。b）在充裝和排放時，氣體溫度的變化可以超過-40 65 的范圍。纏繞氣瓶溫度：設(shè)計環(huán)向纏繞氣瓶時應(yīng)考瓶體慮材料溫度變化的影

8、響：a）環(huán)向纏繞氣瓶材料的溫度變化應(yīng)處于-40 82 范圍之內(nèi)；b）當溫度超過 65時，應(yīng)僅限于瓶體局部，或在相當短的時間內(nèi)。除了在充裝和排放時的條件 下，環(huán)向纏繞氣瓶的溫度不得超過 65。,17,DBPVI,（,4,）氣體成分,應(yīng)符合,GB 18047,車用壓縮天然氣,的規(guī)定要求。,（,5,）外表面,設(shè)計環(huán)向纏繞氣瓶時，應(yīng)考慮其連續(xù)承受機械損傷或化學(xué)侵蝕的能力。環(huán)向纏繞氣瓶外表面應(yīng)能 適應(yīng)下列工作環(huán)境：間斷地浸入水中，或者道路濺水；車輛在海洋附近行駛，或者在用鹽融化冰的路面上行駛；陽光中的紫外線輻射；礫石的沖擊；接觸酸和堿溶液、肥料；汽車用液體的侵蝕，包括汽油、液壓油、電池酸、乙二醇和油；接

9、觸排放的廢氣,18,DBPVI,對氣瓶材料的選擇,1內(nèi)膽材料的選用,（1）內(nèi)膽材料的基本要求：車用壓縮天然氣鋼質(zhì)內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞氣瓶材料應(yīng)具有較高強度、良好的塑性和足夠的韌性，以 保證氣瓶的安全可靠。由于環(huán)向纏繞氣瓶所充裝的介質(zhì)為天然氣，盡管天然氣在充裝前經(jīng)過脫硫、脫水、脫輕油處理，其硫化氫含量較低，但氣瓶中殘存有水時，水中溶入大量的硫化氫，會對氣瓶產(chǎn)生腐蝕作用，并可能 產(chǎn)生硫化氫應(yīng)力腐蝕（SCC）。這就要求嚴格限制材料的硫、磷含量，以提高材料的抗應(yīng)力腐蝕性能。,（2）車用氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程和 GB24160-2009車用壓縮天然氣鋼質(zhì)內(nèi)膽環(huán)向纏繞氣瓶 對鋼質(zhì)內(nèi)膽材料的一般規(guī)定：,應(yīng)是電爐或

10、氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉的無時效性鎮(zhèn)靜鋼。應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)鉻鉬鋼。應(yīng)具有良好的低溫沖擊性能。應(yīng)符合其相應(yīng)的國家標準或行業(yè)標準的規(guī)定，并有質(zhì)量合格證明書。環(huán)向纏繞氣瓶制造單位應(yīng) 按爐罐號進行各項指標的驗證分析。材料的化學(xué)成分限定符合標準的要求，其化學(xué)成分允許偏差應(yīng)符合 GB/T 222鋼的成品化學(xué)成 分允許偏差的規(guī)定。鋼坯低倍組織不允許有白點、殘余縮孔、分層、氣泡、異物和夾雜；中心疏松不應(yīng)大于 2.0 級，偏析不應(yīng)大于 2.5 級。,無縫鋼管的直線度應(yīng)不大于 1.5mm/m，圓度應(yīng)不大于外徑允許偏差的 80%。鋼管的內(nèi)外表面 不得有裂紋、折疊、軋折、離層和結(jié)疤。若有缺陷必須完全清除，清除處應(yīng)光滑，清除后的實際壁厚

11、 不得小于壁厚允許的小值。無縫鋼管應(yīng)由鋼廠按 GB/T 5777無縫鋼管超聲波探傷檢驗方法的規(guī) 定逐根進行縱向和橫向超聲波探傷檢驗，應(yīng)符合驗收等級 C5 的規(guī)定。,2纏繞層材料的選用,由于氣瓶反復(fù)地進行充裝，因此要求纏繞層在持續(xù)載荷和循環(huán)加載下應(yīng)有非常高的安全可靠性，纖維和樹脂材料的選用和匹配直接影響環(huán)向纏繞氣瓶的安全性能。（1）纖維的選用 纖維增強層的主要作用是保證產(chǎn)品在受力的情況下，具有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性。其中纖維是主要的承載體，樹脂只是對纖維起粘結(jié)作用，并在纖維之間起著分布和傳遞載荷的作用。因此選擇高強度、高彈性的增強纖維和性能良好的樹脂是提高結(jié)構(gòu)承載能力的重要因素。復(fù)合材料所用的

12、增強 材料主要有三類：碳纖維、Kevlar 纖維（也叫芳綸纖維）和玻璃纖維。,不論從設(shè)計優(yōu)化方面考慮，還是從經(jīng)濟方面考慮，選用玻璃纖維作為增強層材料性價比都是高 的。我國的環(huán)向纏繞氣瓶增強層材料一般都采用玻璃纖維。玻璃纖維不燃燒，耐高溫性能好。它具有強度高、延伸率大、抗沖擊性能好、價格低廉等特點。,但也存在彈性模量小、密度大、比剛度低、不耐磨、易折斷、易受機械損傷和長期放置強度稍有下降 的缺點。,（2）樹脂基體的選用,基體材料起粘接纖維的作用，以剪切力的形式向纖維傳遞載荷，并保護纖維免受外界環(huán)境的損傷。,根據(jù)環(huán)向纏繞氣瓶的使用特性，要求纏繞所用的樹脂須具有較高的韌性，否則在氣瓶受內(nèi)壓作用時會因

13、內(nèi)膽和復(fù)合材料延伸率差別過大而在界面上產(chǎn)生軸向和環(huán)向應(yīng)力，使復(fù)合材料層與內(nèi)膽脫粘，不能作為一個整體同時受力，影響材料性能的發(fā)揮。浸漬材料可以是熱固性或熱塑性樹脂。適合的基體材料有：環(huán)氧、改性環(huán)氧、聚脂和乙烯類熱固 性樹脂和聚乙烯、聚酰胺熱塑性樹脂。環(huán)向纏繞氣瓶采用的樹脂一般為環(huán)氧樹脂。,GB24160-2009對設(shè)計的要求,GB24160-2009車用壓縮天然氣鋼質(zhì)內(nèi)膽環(huán)向纏繞氣瓶標準是修改采用 ISO 11439：2000氣 瓶車用天然氣高壓氣瓶（英文版）有關(guān) CNG-2 型氣瓶部分制訂的。ISO 11439 標準屬于性能導(dǎo)向型標準，其原則是如果產(chǎn)品通過所有試驗，則產(chǎn)品是安全的。因此，ISO

14、 11439 標準不指定設(shè)計公式，而是要求對設(shè)計進行適當?shù)姆治鲵炞C，保證產(chǎn)品可通過試驗。,環(huán)向纏繞氣瓶的強度設(shè)計理論,目前，對環(huán)向纏繞氣瓶的力學(xué)計算，一般都是采用網(wǎng)格理論分析。其基本假設(shè)如下：（1）瓶體是由連續(xù)纖維纏繞構(gòu)成，纖維分布均勻、對稱。（2）對樹脂不計承載能力。（3）纖維只承受拉應(yīng)力，沒有抵抗彎曲和剪切變形的能力。在單向受力情況下，要求纖維安放在主應(yīng)力方向上，纖維用量則可由受力大小來計算。,具體要求如下：,（1）不提供設(shè)計公式，但要求設(shè)計時進行適當?shù)挠嬎恪⒎治龊驼撟C，以使環(huán)向纏繞氣瓶能順利地 通過本標準所規(guī)定的材料、型式和批量等試驗。,（2）設(shè)計應(yīng)保證環(huán)向纏繞氣瓶在正常使用期間，由于承

15、壓部件質(zhì)量退化而引起的失效模式為“未爆 先漏”。如果金屬內(nèi)膽發(fā)生泄漏，只應(yīng)是由于疲勞裂紋的擴展所致。,（3）設(shè)計時，內(nèi)膽材料屈服強度的保證值應(yīng)不超過抗拉強度保證值的 90%。應(yīng)對內(nèi)膽材料的實測抗拉強度進行控制，熱處理后內(nèi)膽材料的大抗拉強度不得超過880MPa。車用壓縮天然氣鋼質(zhì)內(nèi)膽用材，當材料的實際抗拉強度大于 880MPa 時，應(yīng)當滿足以下要求：,在嚴格控制材料硫、磷等成分含量條件下，通過相應(yīng)標準規(guī)定的硫化氫應(yīng)力腐蝕試驗(應(yīng)力環(huán) 法)，允許材料的實際抗拉強度提高到 950MPa，試驗結(jié)果納入氣瓶設(shè)計文件鑒定報告和型式試驗報告；制造過程中，材料實際硫、磷等成分含量以及熱處理后的實際抗拉強度不得

16、超出硫化氫應(yīng)力腐 蝕試驗報告中試樣材料的硫、磷含量以及抗拉強度控制范圍；材料加工單位應(yīng)當向氣瓶制造單位提供由鋼坯生產(chǎn)單位出具的所用鋼坯質(zhì)量證明文件以及由 材料加工單位出具的熱軋管或者冷拔管質(zhì)量證明文件；改變材料的牌號、生產(chǎn)單位、冶煉方法、熱加工方法等，應(yīng)當重新進行硫化氫應(yīng)力腐蝕試驗。,（4）環(huán)向纏繞氣瓶水壓試驗壓力 Ph 為公稱工作壓力 P 的 1.5 倍。,（5）內(nèi)膽小設(shè)計爆破壓力應(yīng)為環(huán)向纏繞氣瓶公稱工作壓力 P 的 1.3 倍。,（6）環(huán)向纏繞氣瓶小設(shè)計爆破壓力不應(yīng)小于給定值。為保證在承受持續(xù)載荷和循環(huán) 載荷條件下復(fù)合材料纏繞層的設(shè)計具有高度可靠性，纖維應(yīng)力比應(yīng)滿足相應(yīng)的規(guī)定。,7）應(yīng)力分析：應(yīng)采用能用于材料非線性分析的軟件（專用計算機程序或有限元分析程序），建立計算復(fù)合材料力學(xué)性能的適當模型，對環(huán)向纏繞氣瓶進行自緊壓力、自緊后零壓力、工作壓力和小設(shè)計爆破壓力下 的應(yīng)力分析，確定纏繞層和內(nèi)膽中的應(yīng)力分布，纖維應(yīng)力比應(yīng)符合標準的規(guī)定。,端部結(jié)構(gòu),端部結(jié)構(gòu)可采用半球形、橢圓形、碟形等凸形結(jié)構(gòu)，允許纏繞氣瓶在端部開瓶口，瓶口的中心線 必須與纏繞氣瓶的中心線一致。,瓶口螺紋,瓶口螺紋應(yīng)符合