纤维缠绕复合材料气瓶的发展及其标准情况

    1、引言
        在压力容器中，中低压容器一般以板焊结构为主，而高压容器则出现多种结构：单层结构有整体锻造式、锻焊式、厚板卷焊式、电渣重熔式；多层结构有层板包扎式、螺旋包扎式、热套式、整体包扎多层式；缠绕结构有绕丝式、绕板式、扁平钢带倾角错绕式和型槽绕带式。但这些结构都是指金属材料而言，单台压力容器重量根据容积大小和压力高低，最重的甚至可达数千吨。而高压气瓶过去制造和使用的主要是金属材料即钢质和铝质的，按制造方法分有冲拔拉伸（E 法）、管材收口（M法）以及冲压拉伸（C法）等。随着材料科学和制造工艺技术的进步，由于气瓶为移动式容器，为了减轻气瓶的重量，同时又能承受较高的压力，也出现了在金属或非金属材料内胆上环缠绕和全缠绕纤维材料组合结构的缠绕气瓶，即复合材料气瓶。复合材料缠绕气瓶目前主要应用于呼吸器（如消防呼吸系统、登山、老人及病人吸氧、航空及航天系统等）及车用压缩天然气燃料气瓶两大领域，也可用于某些压缩气体和液化气体及其混合物。现就纤维缠绕复合气瓶的发展及其标准的有关情况作一简要说明。
    2、纤维缠绕复合材料气瓶的发展及其标准情况
    2.1、复合材料气瓶的发展复合材料气瓶的发展始于20 世纪50 年代，是基于火箭发动机复合材料机壳技术。早期的复合气瓶是用玻纤浸渍环氧树脂缠绕于橡胶内胆上，虽然其重量比钢质轻，但由于玻纤较低的抗应力断裂及静态疲劳能力，以及气体渗透率较大，因此需要采用较高的安全系数。20世纪60 年代开始使用金属内胆，如果内胆足够厚，允许纤维全缠绕或环缠绕增强。复合气瓶采用金属内胆的渗透率比橡胶内胆的低得多，但内胆的疲劳寿命却受到限，薄壁内胆可在100～1000次循环产生开裂到泄漏，而厚壁内胆可在10000～30000 次循环产生泄漏。
    复合材料容器和气瓶最早于20世纪50年代和60 年代用于国防和航天，这些容器或气瓶用于军用飞机的喷射系统，紧急动力系统和发动机重新启动应用系统，它们也用于航天试验室的氧气罐和导弹系统的压力源。每一航天飞机都用一定数量的复合气瓶作为机舱空气和推进器及控制系统的动力。20世纪70年代，复合气瓶在商用系统大大增加，玻纤和芳纶纤维缠绕于铝内胆或钢内胆上，用于消防呼吸器和民用飞机滑梯充气，以及相类似的气瓶用于海军救生筏充。四型瓶还可用于海上石油平台张力系统的水力蓄能器。压缩天然气车用瓶成为复合气瓶的主要市场之一。从纤维来说，90年代新材料碳纤维被批准用于气瓶，这是一个重大的发展。
    纤维缠绕复合材料气瓶的发展大体如下：
    20世纪60年代：用于卫星及航天复合压力容器；20 世纪70年代：美国国家航空航天技术转向民用商业市场；美国运输部批准复合材料气瓶：采用玻纤和凯芙拉（Kevlar）纤维生产环缠绕气瓶。20世纪80年代：其他有关国家批准复合材料气瓶用于商业市场，呼吸器成为复合材料气瓶的最大市场。20世纪90年代国际标准化组织（ISO）和欧洲标准化技术委员会（CEN）以及天然气汽车联盟起草批准复合材料气瓶新标准；定位气瓶性能，允许采用新材料碳纤；批准塑料内胆复合气瓶即四型瓶；压缩天然气车用瓶成为复合气瓶的主要市场之一。
    2.2、复合材料气瓶的标准情况
    2.2.1、纤维缠绕复合材料压力容器国内有玻璃钢容器标准。美国ASME 第十篇为纤维增强塑料压力容器。该标准于1974年开始准备并起草，1977 年获得通过，现行版本为2001年版和补遗。最初标准范围仅包括玻璃纤维压力容器。该规范以设计为基础，爆破压力要求为5倍额定工作压力，在最低设计温度下3000 次疲劳，在最高设计温度下30000次疲劳。纤维缠绕容器开口在端部，最大工作压力为 3000psi（20.68MPa），碳纤维和芳纶纤维是以后补上去的，采用和玻纤一样的要求，安全系数都是5。全缠绕设计一般用非金属内胆，固定使用（安装于地面或平台），是不移动的，不限制使用寿命。疲劳试验和爆破试验仅限于试验要求，本规范导致“粗糙”的设计，没有提出在用检验和水压试验要求。
    2.2.2、呼吸器美国于1972年开始采用轻质铝瓶，1975年研制出铝内胆、S玻纤/环氧树脂环缠绕和全缠绕以及铝内胆凯夫拉（kevlar）/环氧树脂环缠绕和全缠绕复合气瓶，并于1976 年被DOT首先批准生产，用于商用高压气体储存，如消防自给式呼吸气瓶、家用氧气治疗、飞机排出系统! 直升机悬浮系统充气；用于公交车、卡车和小轿车的压缩气体储存和各种气动系统。DOT FRP-1《FRP纤维增强了CF 型复合材料气瓶基本要求》由美国压缩气体协会（CGA）于1970年开发。用于美国运输部研究和行政特别项目（DOT RSPA）移动气瓶免除令，作为消防员及飞机逃逸滑道用压力容器，最早用玻纤，规范要求在操作压力下安全系数为3.33，并在3 倍操作压力下保压1分钟。由于玻纤的应力破裂性能，导致玻纤安全系数为3.5。芳纶纤维是后加的，采用和玻纤一样的要求，金属铝内胆全缠绕设计在15年寿命期内，要求每3 年进行一次在用检查和水压试验。该标准要求更多的性能试验，如火烧、枪击和10000次操作压力下和30次水压试验压力下循环试验。
    1981 年为第1版，1987年2月15日为修订二版，容积范围为小于等于90.7L,工作压力范围为6.2~34.5MPa，DOT FRP-2《FRP纤维增强3HW型复合材料气瓶的基本要求》由CGA 在FRP—1 之后（约1982年）开发，FRP—2 使用和FRP—1 类同。本标准最初仅用于玻纤铝内胆环缠绕，标准要求在2.5倍工作压力下保压1min，这导致约2.65倍安全系数。稍后，允许用钢内胆。该标准包括的性能试验与FRP—1相似。1982 年版为第一版，容积范围及工作压力范围与FRP-1相同。为了达到在同样价格下，使气瓶重量大大减轻，采用碳纤维取代S 玻纤和可夫拉进行缠绕用于呼吸器，1994年无缝薄壁铝内胆碳纤维全缠绕新一代复合气瓶在欧洲获准使用，1997年在美国获准使用，它们是重量相对最轻的气瓶，只有相同容积铝瓶或钢瓶重量的34%，比S玻纤和可夫拉纤维复合气瓶重量轻15%~30%。碳纤维复合材料气瓶是基于20 多年玻纤和可夫拉复合气瓶良好的使用经验以及1984~1996年之间建立的高性能碳纤维缠绕火箭发动机燃料储箱、军用飞机救生和气体动力源、防卫和导弹系统的应用，以及运载火箭和空间飞行器压力贮箱的宇航数据库，与S 玻纤和Kevlar相比，碳纤维全复合缠绕气瓶具有相对最高的强度和刚性，最轻的重量，极佳的耐潮湿、耐化学腐蚀、耐紫外线辐射、耐疲劳以及耐应力断裂及良好的容限性。但外部需要有一层玻纤" 环氧保护层。另外，需要特别注意的是，在碳纤维复合材料和铝合金内胆之间需要一个隔离屏障，以防止电化腐蚀。新一代碳纤维复合气瓶（呼吸器）商业使用的第一个政府许可是由英国健康委员会（HES）于1994年1 月发布的，压力为207Bar 或300Bar。自1994年1 月以来，欧洲地区政府许可扩大到19个国家。美国和日本于1997年取得了必须的政府许可。关于碳纤维复合气瓶主要的欧洲标准是英国HES—A1—FW2（0.5251）以及欧洲大陆已批准的衍生版本、欧洲标准化技术委员会（CEN）编制的复合气瓶规范rEN12245《全缠绕复合材料气瓶》，于1999年7月提出以协调欧洲标准。在美国，DOT管理要求的标准是DOT-CFFC无缝铝内胆碳纤维全缠绕气瓶，现行版本为1999年3 月第三次修订版《全缠绕碳纤维增强铝内胆气瓶的基本要求》。气瓶的最大水容积<=90.7L，工作压力<=34.5MPa。
     2.2.3、车用天然气瓶自20世纪70年代末期以来，全球范围内的CNG工业主要按意大利规范、或美国运输部DOT3AA 修订版来设计钢瓶。1989年新西兰把疲劳设计进行试验验证引入NZS5454 标准，这是第一个在CNG中使用的气瓶标准，主要是针对钢瓶，为了保证热处理的合理性，要求对每一个气瓶都要进行硬度试验。20世纪80年代，北美联邦不再按照现存的工业气瓶标准，采用特别许可或许可证书。1992年美国制订了ANSI/AGA NGV2-1992车用压缩天然气气瓶标准，它是建立在钢质气瓶标准US-DOT3AA、铝质气瓶标准USDOT3A1、全缠绕气瓶设计标准草案FRP-1和环缠绕FRP-2 气瓶设计标准草案的基础上，另外还规定了CNG气瓶的使用条件和相应的性能试验要求。NGV2-1992 年版1998年更新一次，现行版本为NGV2-2000。美国运输部国家高速公路交通安全管理局（NSTHA）采用该标准的部分内容，并且于1995 年3月发布了一个新标准即FMVSS304《联邦机动车安全标准》。在加拿大，CSAB51 PART II《车用天然气高压气瓶》标准于1995年1 月开始实施。1989年ISO/TC58/SC3/WG17也着手《车用压缩天然气气瓶》国际标准的制订工作，于1992年提出标准草案，经过多次修改ISO11439《车用压缩天然气高压气瓶》现已被包括中国在内的世界上大多数国家认可，标准第一版已于2000年9月15日正式颁布，它包括CNG-1金属气瓶、CNG-2 金属内胆环向缠绕气瓶、CNG-3金属内胆全缠绕气瓶和CNG-4 塑料内胆全缠绕气瓶。可以说ISO11439《车用压缩天然气高压气瓶》是建立在过去20年来各国经验的基础上制订的。因此目前国内车用压缩天然气气瓶也多参考该标准。
     2.2.4、压缩气体和液化气体用纤维缠绕复合材料气瓶国际标准化组织ISO于2002年批准了一套纤维缠绕复合气瓶标准：ISO11119《复合结构气瓶———规范和试验方法》。具体包括：第一部分：ISO11119—1《环向缠绕复合气瓶》；第二部分：ISO11119—2《承载金属内胆纤维增强全缠绕复合气瓶》；第三部分：ISO11119—3《非金属内胆和不承载金属内胆纤维增强全缠绕复合气瓶》。ISO11119标准适用于水容积小于450L，用于储存和运送压缩气体和液化气体，其水压试验压力不大于650bar。ISO11119标准规定设计寿命从10年到不限；对设计寿命超过15年的，为了继续使用应重新进行评定。无缝金属内胆材质可为钢、不锈钢或铝合金。缠绕纤维可为碳纤维、玻纤、有机纤维或其混杂，但对环向缠绕标准中规定亦可采用钢丝缠绕进行周向加强。ISO11119标准没有提出可拆保护套筒的设计、配合及性能，如果需要应另行考虑。
     2.2.5、 美国航天和星际航空协会（AIAA）S-081《非金属内胆复合全缠绕压力容器》（2000 年4月3日草案）标准为美国国家标准协会（ANSI）批准的最终阶段标准，它是针对进行中的发射运载工具和有效载荷制定的。它与S-080《金属压力容器》一起延续并取代MIL-STD-1552A-1984美国空军（USAF）《加压导弹和航天系统安全设计系统和操作的总要求标准》。S-081 标准对材料的选择和安全指南提供了广泛的指导，要求A- 基材料性能并限制全尺寸气瓶的型式试验。基于应力破裂性能而建立飞行寿命的最低可靠性。对碳纤维的最小安全系数为1.5，芳纶为1.75、玻纤2.25 的最小设计寿命为1年，它只包括金属内胆气瓶，相应的塑料内胆气瓶正在起草，相应的ISO标准也在工作。