车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶的设计与制造

董 宁(沈阳特种设备检测研究院，辽宁 沈阳 110035)

·工艺与设备·

车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶的设计与制造

董 宁
(沈阳特种设备检测研究院，辽宁 沈阳 110035)

详述了车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶的设计原则、材料选择的要求、制造工艺方法和制造中应注意的问题，解析了车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶与单一材料结构的气瓶在设计和制造上的不同。

车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶；纤维；缠绕层；内胆

车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶与汽车用压缩天然气钢瓶相比具有以下优点：气瓶重量轻、刚性好、强度高、气密性好、可靠性高；金属材料的疲劳破坏通常是没有明显预兆的突发性破坏，而复合材料中的增强物与基体的结合既能有效地传递载荷，又能阻止裂纹的扩展，提高了气瓶的断裂韧性；复合材料中的大量增强纤维使得材料过载而少数纤维断裂时，载荷会迅速重新分配到未破坏的纤维上，使整个气瓶在短期内不至于失去承载能力；复合材料气瓶在受到撞击或高速冲击发生破坏时不会产生具有危险性的碎片，从而减少或避免了对人员的伤害；无需特殊处理就能满足耐腐蚀性能。

1 车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶

1.1 车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶结构特征

车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶，也称CNG-2型气瓶(ISO 11439：2000《气瓶—车用天然气高压气瓶》的定义)，由钢质内胆和纤维缠绕层两部分组成。

车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶一般分为二种型式：双口型(型式A)和单口型(型式B)。见图1。

图1 CNG-2型气瓶型式

1.2 车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶的规格参数

根据《气瓶安全技术监察规程》、《车用气瓶安全技术监察规程》和GB 24160—2009《车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶》的规定：适用于设计、制造公称工作压力为20 MPa或25 MPa，公称水容积为30～450 L，使用温度一般地区为-40～65℃，设计使用寿命为15 a的环向缠绕气瓶。

如果环向缠绕气瓶设计超出现行国家标准范围的，可由制造单位采用或者参照国际标准或国外先进标准制订企业标准。企业标准应当经过国家质检总局委托的国家气瓶专业标准化机构技术评审和备案后方可用于汽车用压缩天然气钢瓶制造。

2 车用压缩天然气钢质内胆纤维环向缠绕气瓶设计

根据薄膜应力理论，通过计算可以求得，气瓶筒体的环向应力是纵向应力的2倍，所以环向是气瓶的薄弱环节，气瓶的破裂一般是沿筒体的纵向开裂，即是由于作用在筒体的环向应力达到材料的抗拉强度极限所引起的。由于纤维是环向缠绕，因此缠绕层只承担环向应力；钢质内胆除承担完全的纵向应力外，还与缠绕层共同承担环向应力。

环向缠绕气瓶的设计应遵守“未爆先漏”(Leak- befroe-break，LBB)准则，即气瓶材料具有足够的韧性，快速断裂前裂纹已穿透壁厚，导致泄漏发生，可避免突发快速断裂，减少损失。

2.1 设计的一般要求

1. 设计使用寿命：GB 24160—2009《车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶》的规定的使用寿命为15 a。疲劳次数依据使用年限×1000次确定，即以平均每年1000次的使用次数模拟气瓶的疲劳使用寿命。

2. 最大许用工作压力：公称工作压力P是以20℃为基准温度的限定充装压力，环向缠绕气瓶允许达到的最大许用工作压力Pm为公称工作压力P的1.3倍。这个压力与内胆最小设计爆破压力相等，由此可见环向缠绕气瓶的安全系数是非常高的。

3. 温度范围：

1)气体温度：设计环向缠绕气瓶时应考虑气体温度变化的影响：

(1)在静止条件下，环向缠绕气瓶内气体的温度变化应处于-40～65 ℃。

(2)在充装和排放时，气体温度的变化可以超过-40～65 ℃。

2)缠绕气瓶温度：设计环向缠绕气瓶时应考虑瓶体材料温度变化的影响：

(1)环向缠绕气瓶材料的温度变化应处于-40～82 ℃；

(2)当温度超过65 ℃时，应仅限于瓶体局部，或在相当短的时间内。除了在充装和排放时的条件下，环向缠绕气瓶的温度不得超过65 ℃。

2.2 车用压缩天然气钢质内胆纤维环向缠绕气瓶材料选择

车用压缩天然气钢质内胆纤维环向缠绕气瓶材料选择包括内胆材料的选用、纤维的选用和树脂基体的选用。

2.2.1 内胆材料的选用

1. 内胆材料的基本要求：车用压缩天然气钢质内胆纤维环向缠绕气瓶材料应具有较高强度、良好的塑性和足够的韧性，以保证气瓶的安全可靠。

由于环向缠绕气瓶所充装的介质为天然气，尽管天然气在充装前经过脱硫、脱水、脱轻油处理，其硫化氢含量较低，但气瓶中残存有水时，水中溶入大量的硫化氢，会对气瓶产生腐蚀作用，并可能产生硫化氢应力腐蚀(SCC)。这就要求严格限制材料的硫、磷含量，以提高材料的抗应力腐蚀性能。

2. 《车用气瓶安全技术监察规程》和GB 24160—2009《车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶》对瓶体材料的一般规定：

1)应是电炉或氧气转炉冶炼的无时效性镇静钢。

2)应选用优质铬钼钢。

3)应具有良好的低温冲击性能。

4)应符合相应的国家标准或行业标准的规定，并有质量合格证明书。环向缠绕气瓶制造单位应按炉罐号进行各项指标的验证分析。

5)材料的化学成分限定如表1所示，其化学成分允许偏差应符合GB/T 222《钢的成品化学成分允许偏差》的规定。

6)钢坯低倍组织不允许有白点、残余缩孔、分层、气泡、异物和夹杂；中心疏松不应大于2.0级，偏析不应大于2.5级。

表1 钢材化学成分

制造车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶材料的主要牌号为30CrMo。

2.2.2 缠绕层材料的选用

由于气瓶反复地进行充装，因此要求缠绕层在持续载荷和循环加载下应有非常高的安全可靠性，纤维和树脂材料的选用和匹配直接影响环向缠绕气瓶的安全性能。

2.2.2.1 纤维的选用

纤维增强层的主要作用是保证产品在受力的情况下，具有足够的强度、刚度和稳定性。其中纤维是主要的承载体，树脂只是对纤维起粘结作用，并在纤维之间起着分布和传递载荷的作用。因此选择高强度、高弹性的增强纤维和性能良好的树脂是提高结构承载能力的重要因素。复合材料所用的增强材料主要有三类：碳纤维、Kevlar纤维(也叫芳纶纤维)和玻璃纤维。

不论从设计优化方面考虑，还是从经济方面考虑，选用玻璃纤维作为增强层材料性价比都是最高的。我国的环向缠绕气瓶增强层材料一般都采用玻璃纤维。

玻璃纤维不燃烧，耐高温性能好。它具有强度高、延伸率大、抗冲击性能好、价格低廉等特点。但也存在弹性模量小、密度大、比刚度低、不耐磨、易折断、易受机械损伤和长期放置强度稍有下降的缺点。

2.2.2.2 树脂基体的选用

基体材料起粘接纤维的作用，以剪切力的形式向纤维传递载荷，并保护纤维免受外界环境的损伤。

根据环向缠绕气瓶的使用特性，要求缠绕所用的树脂须具有较高的韧性，否则在气瓶受内压作用时会因内胆和复合材料延伸率差别过大而在界面上产生轴向和环向应力，使复合材料层与内胆脱粘，不能作为一个整体同时受力，影响材料性能的发挥。

浸渍材料可以是热固性或热塑性树脂。适合的基体材料有：环氧、改性环氧、聚酯和乙烯类热固性树脂和聚乙烯、聚酰胺热塑性树脂。

环向缠绕气瓶采用的树脂一般为环氧树脂。

2.3 车用压缩天然气钢质内胆纤维环向缠绕气瓶的设计要求

GB 24160—2009《车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶》标准是修改采用ISO 11439：2000《气瓶—车用天然气高压气瓶》(英文版)有关CNG-2型气瓶部分制订的。ISO 11439标准属于性能导向型标准，其原则是如果产品通过所有试验，则产品是安全的。因此，ISO 11439标准不指定设计公式，而是要求对设计进行适当的分析验证，保证产品可通过的有试验。

2.3.1 设计文件鉴定与型式试验

车用压缩天然气钢质内胆纤维环向缠绕气瓶产品应当按照《气瓶设计文件鉴定规则》(TSG R1003)、《气瓶型式试验规则》(TSG R7002)的规定，由国家质检总局核准的机构进行气瓶产品设计文件鉴定和型式试验，型式试验的结果应当作为设计文件鉴定的依据。对首次申请制造许可的气瓶制造单位或者需申请增项的气瓶制造单位，必须在所涉及的气瓶产品通过了设计文件鉴定和型式试验后，方可进行制造许可评审。对已经取得制造许可的气瓶制造单位，其新开发的气瓶产品在批量制造前也必须通过设计文件鉴定和型式试验。

2.3.2 环向缠绕气瓶的强度设计理论

目前，对环向缠绕气瓶的力学计算，一般都是采用网格理论分析。其基本假设如下：

1. 瓶体是由连续纤维缠绕构成，纤维分布均匀、对称。

2. 对树脂不计承载能力。

3. 纤维只承受拉应力，没有抵抗弯曲和剪切变形的能力。

在单向受力情况下，要求纤维安放在主应力方向上，纤维用量则可由受力大小来计算。

2.3.3 车用压缩天然气钢质内胆纤维环向缠绕气瓶设计的一般规定

GB 24160—2009《车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶》对车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶的设计作了如下规定：

1. 不提供设计公式，但要求设计时进行适当的计算、分析和论证，以使环向缠绕气瓶能顺利地通过本标准所规定的材料、型式和批量等试验。

2. 设计应保证环向缠绕气瓶在正常使用期间，由于承压部件质量退化而引起的失效模式为“未爆先漏”。如果金属内胆发生泄漏，只应是由于疲劳裂纹的扩展所致。

3. 应对内胆材料的实测抗拉强度进行控制，热处理后内胆材料的最大抗拉强度不得超过880 MPa。如果设计规定的抗拉强度上限大于880 MPa，气瓶制造企业应对其限定的最高硫、磷含量的材料进行耐硫化物应力腐蚀试验，在提供充分有效的试验数据前提下，报气瓶设计鉴定机构批准后，可适当提高材料的抗拉强度上限，但应不大于950 MPa。

设计时，内胆材料屈服强度的保证值应不超过抗拉强度保证值的90%。

4. 环向缠绕气瓶水压试验压力Ph为公称工作压力P的1.5倍。

5. 内胆最小设计爆破压力应为环向缠绕气瓶公称工作压力P的1.3倍。

6. 环向缠绕气瓶最小设计爆破压力不应小于表2中的给定值。为保证在承受持续载荷和循环载荷条件下复合材料缠绕层的设计具有高度可靠性，纤维应力比应满足表2规定。

表2 环向缠绕气瓶纤维应力比和最小设计爆破压力

7. 应力分析：应采用能用于材料非线性分析的软件(专用计算机程序或有限元分析程序)，建立计算复合材料力学性能的适当模型，对环向缠绕气瓶进行自紧压力、自紧后零压力、工作压力和最小设计爆破压力下的应力分析，确定缠绕层和内胆中的应力分布，纤维应力比应符合表2的规定。

3 车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶的制造

3.1 车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶制造基本过程

车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶制造的工艺流程见图2。

图2 CNG-2气瓶制造工艺流程

3.2 车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶制造的典型简要工艺

1. 内胆制造：内胆制造与汽车用压缩天然气钢瓶制造的工艺相同，只是增加了底部密封性试验。

2. 玻璃纤维缠绕：环向缠绕气瓶采用的线型为环向缠绕，缠绕时内胆沿自己轴线做匀速转动，绕丝头在平行于内胆轴线方向均匀缓慢地移动，内胆每转一周，绕丝头向前移动一个纱片宽度，如此循环直至纱片均匀布满内胆筒身为止。

环向缠绕只在筒身进行，不能缠绕封头，邻近纱片之间相接而不相交。缠绕角度一般为85°～90°(相对于环向)。环向缠绕的纤维方向既为筒体的一个主应力方向，较好地利用了纤维的单向强度，但没有对轴向进行加强。

环向缠绕气瓶缠绕时应注意下列因素的影响：

1) 胶液含量的变化及分布对环向缠绕气瓶质量的影响较大：其一，会直接影响环向缠绕气瓶的厚度控制；其二，若含胶量过高，缠绕层的强度会降低，含胶量过低，则耐老化性能及剪切强度又会下降，同时也影响纤维强度的发挥。因此，需严格控制纤维缠绕含胶量，保证整个过程中的含胶量均匀。影响含胶量的因素较多，主要有胶液黏度、缠绕张力、浸胶时间等。同时胶液温度也与环向缠绕气瓶质量有关。

2) 缠绕张力、缠绕速度对环向缠绕气瓶质量的影响：缠绕张力是缠绕工艺的重要参数，张力大小、各束纤维张力的均匀性以及各缠绕层之间纤维张力的均匀性等都直接影响着环向缠绕气瓶的质量，因此采用专用设备控制其缠绕张力的大小和变化。限制缠绕速度，同时气瓶内胆旋转速度也不能过高，否则胶液会在离心力的作用下，向外迁移和溅洒。缠绕角是纤维缠绕方向与气瓶内胆纵向之间的夹角，对于环向缠绕气瓶，其缠绕角接近90°，缠绕角与纤维缠绕纱片宽度有直接关系，缠绕时控制纱片宽度，以便纤维受力最大限度地用于环向。

3) 注意线性和纱宽的稳定性。缠绕时注意表面状态，采用刮胶方式缠绕；出现线形不规则或不平要及时处理，缠绕结束结头要平整。

3. 固化：复合材料的固化是指其中的树脂基体在加热、加压下或在固化剂、紫外光作用下，进行化学反应，交联固化成为不溶不熔物质的一大类合成树脂, 再受热也不软化，也不能溶解。这些树脂在固化前一般为分子量不高的固体或粘稠液体；在成型过程中能软化或流动，具有可塑性，可制成一定形状，同时又发生化学反应而交联固化；有时放出一些副产物，如水等。此反应是不可逆的，一经固化，再加压加热也不可能再度软化或流动；温度过高,则分解或碳化。这也就是与热塑性树脂的基本区别。固化后的树脂能在复合材料中起到很好的传递载荷，提高力学性能的作用。

环向缠绕气瓶在固化时，为防止树脂流淌，固化时应旋转加热。为了避免产生热应力，固化时应分阶段逐步升温加热固化。固化温度的最高值应大于固化物的玻璃化转变温度，以保证固化物的耐温性。

4. 整修：环向缠绕气瓶在固化完成后需进行整修，修磨气瓶底部流胶所造成的胶液，修磨后壁厚不得小于设计厚度。修复封头两端掉漆部位。

5. 底部密封性试验、内胆性能试验、无损检测、内胆水压爆破试验、缠绕层层间剪切强度试验、缠绕层抗拉强度试验、水压爆破试验、自紧、水压试验、气密性试验。

3.3 车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶制造过程中常见的缺陷

1. 内胆底部漏：系钢管收底时，温度不够，或氧化皮夹在里面造成未熔合。

2. 钢管旋压成型工序，在瓶底、瓶肩内表面易产生皱折、裂纹，造成应力集中。

3. 内胆热处理工序，其力学性能均匀性、一致性不易得到保证。

4. 缠绕、固化工序，易出现固化不彻底、缠绕层黏合不好的现象。

4 结束语

本文详述了车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶的设计原则、材料选择的要求、制造工艺方法和制造中应注意的问题，解析了车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶与单一材料结构的气瓶在设计和制造上的不同之处，谨希望为同行提供一点借鉴和参考。

[1] TSG R0006—2014 气瓶安全技术监察规程[S].

[2] TSG R0009—2009 车用气瓶安全技术监察规程[S].

[3] GB 24160—2009 车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶[S].

[4] 气瓶检验员培训教材[Z]. 中国特种设备检验协会.

Primary Discussion on Construction and Designing of Hoop Wrapped Fibre Reinforced Composite Gas Cylinders with Metal Liners of Compressed Natural Gas for Automotive Vehicles

DONG Ning

(Shenyang Institute of Special Equipment Inspection & Research, Shenyang 110035, China)

The author conducts a detailed analysis of designing principles for wrapped composite gas cylinder, the author also gives a detailed analysis of its material choices, process and other matters needing attention. The author offers better understanding of differences in the construction and designing between fibre reinforced composite gas cylinder and single material-based gas cylinder.

hoop wrapped fibre reinforced composite gas cylinders with metal liners of compressed natural gas for automotive vehicles; fibre; overwrap; liner

2016-10-31

TH49

A

1007-7804(2016)06-0022-05

10.3969/j.issn.1007-7804.2016.06.007

董 宁(1962)，男，工程师，现就职于沈阳特种设备检测研究院。电子邮箱：dongning20132013@163.com。