车用压缩天然气气瓶的研究概况.pdf

第1 0 期 ． 5一 车用压缩天然气气瓶的研究概况 张红星 ，江 华生 1 ． 江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院，江苏 无锡 2 1 4 1 7 4 2 ． 嘉兴学院生物与化学工程学院，浙江 嘉兴3 1 4 0 0 1 [ 摘要]综述了车用压缩天然气 C N G气瓶的研究理论和方法，对C N G 气瓶失效机理进行分析，指出网格理论主要解决气 瓶初步设计，运用有限元理论是分析和设计C N G 气瓶的必然趋势和选择。研究表明，质量轻、成本低的全塑复合材料气瓶的 研究受到广泛关注。同时应注重纤维编织法、纤维混杂法在复合材料气瓶上的应用，指出了开展车用气瓶安全防护研究的 重要 意义。 [ 关键词]C N G 气瓶；失效机理；研究方法；综述 随着 我 国汽 车保 有量 的不 断增 加 ，推 广燃 气汽 车 不仅 符合 应用 天然 气 资源 的经 济 发展 战 略 ，还可有效缓解能源短缺和大气污染 。然而 ， 作 为应用 天 然气 的关 键 设备一 压 缩天 然气 气 瓶 C o mp r e s s e d Na t u r a l G a s ，简称C NG气瓶 的研究 在我 国还处于起步阶段 ，鉴于安全事故频发 ，不 断地造成人 员和财产损失 ，使得C NG气瓶的研究 更 加迫切 。 1 C NG气瓶 的发展 1 9 9 2 年美 国国家标准所 A NS I 制定颁布 了 A NS I ／AGANGV2 1 9 9 2 车用压缩天然气 气瓶标 准，它是建立在钢质气瓶标准US DO T 3 AA、铝质 气瓶标准US DOT 3 A1 和全缠绕气瓶设计标准草案 F l I P ． 1 和环缠绕F l I P 一 2 气瓶设计标准草案的基础上 的标准，该标准首次将C NG气瓶划分为 四类 ，现 行版本为NGV2 2 0 0 0 。 1 C NG． 1 型金属 钢或铝 气瓶； 2 C NG． 2 型 金属 钢或铝 内胆环 向纤 维缠绕气瓶 ； 3 C NG一 3 型 金属 钢或铝 内胆全纤维 缠绕气瓶 包括纵向纤维层和环 向纤维层 ； 4 C NG一 4 型塑料内胆全缠绕气瓶 全塑 复合材料气瓶。 C NG一 1 型气瓶 出现较早 ，主要用于C NG汽车 的加气站和载货车上 ，其制造工艺和性能 日渐完 善 ，具有价格便宜 、工作可靠 、疲劳寿命长 、密 封性好等特点 ， 目前仍在广泛应用 ；但 因其重量 大 、耐蚀性不足 的缺点影响 了它在轿车和轻型客 车上 的应用 。 后期 出现 的纤维缠绕气瓶 C NG一 2 、C NG． 3 和C NG． 4 提高 了气瓶的容重 比，这类气瓶 综合 了复合材料 的高 比强度、可设计性 以及 内胆 的 良 好气密性、优 良的耐蚀 性等诸 多优 点，使其达 到 高承压能力、高疲劳寿命、质 轻、耐腐蚀等优 良 性能 的结合 。在 同样容积和压力下 ，内胆 的种类 和外层复合材料的选材不同，纤维缠绕气瓶可 比 金属气瓶 的重量减轻1 ／ 3 2 ／ 3 ；两者相 比，显 然纤 维缠绕气瓶在汽车运行上更具有优势；同时复合 材料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 ，从而降低或避免了对 人员 和车辆的损害[ 】 】 。 近年来 ，随着 复合材料材料成本 的降低 ，成 型工艺 的不断改进 ，复合材料C NG气瓶在国 内外 倍受青睐 ，尤其在轿车和轻型车上的应用极 具竞 争力，本文讨论的重点为纤维缠绕气瓶 。 2纤维缠绕气瓶工作机理 2 ． 1 自紧原理 C NG气瓶 内胆 一般采用具有非线性力学特 性 的金属材料，如铬钼钢 、铝等，其材料特性为 图1 所示 的双线性或多线性 曲线 。在 自紧压力的拉伸 作用 下 ，金属 内胆经历 了 图2 所示 的弹性变形 阶 段后进入塑性屈服状态 ，产 生Ba u s c h i n g e r 塑性效 应 ，此 时气瓶外层 的缠绕纤维 由于弹性模量 大于 内胆 的弹性模量 ，因而仍处于线性变形阶段 。当 卸载到零压力后 ，内胆 因产生塑性变形不能恢复 到原来状态 ，由于受到外缠绕层 的紧缩压力，使 作者简介张红星 1 9 7 5 一，男，江苏徐州人，硕士，工程 师，主要从事承压设备检验检测及研究工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 一 ● 论文广场 石 油 和 化 工 设 备 2 O 1 ] 年第 1 4 卷 内胆上产 生了压应力 预应力 ，而缠绕纤维层 具有拉应 力。在工作压力下 ，纤维缠绕气瓶承 受 内压作用产生的应力与预应力相迭加 ，使 内胆 的 内壁 处最大应力值 降低 ，内胆外壁处较小的应 力 值适 当升高，使沿壁厚方 向的应力分布趋 于均匀 化 ，这种非线性各向同性强化服从V o n Mi s e s 屈服 准则口 】 。 2 ． 2失效机理 1 内胆失效机理 据国内外关于C NG气瓶事故报道，除了暴露 在严重 的着火条件 中气瓶发生失效外，所有在使 用 中失效 的C NG气瓶几乎全都是在充气中或 刚刚 完成充气后 出现 的。经过观 察和 分析发现 ，气瓶 反复充 、放气 的压力循环使疲 劳裂纹长大并通过 气瓶侧壁 ，当气瓶充到最大压力时，裂纹受张力 张开 ，继而发生漏气 ，也正是这种疲 劳裂纹长大 机理决定 了C NG气瓶先漏后破 的失效模式 。在着 火或高温环境 中，气瓶 内部压力远远 高于充气压 力或工作压力 ，当其 内部压力达 到爆破压力极 限 时，就会发生 内胆爆破 ，为了提 高 内胆最小爆破 压力并使纤维缠绕层真正起 到承压作用 ，就应使 内胆与纤维缠绕层同时爆破 ，必须选取塑性性能 较高的材料作 内胆 ，即不能让内胆先破【 。 墓 ‘ 萋， 墓 嗣 应变 ％ a 双线性材料 应斑 ％ b 多线性材料 图l 材料特性曲线 ⋯⋯ k 投 伸 ／ ． ／ 妄 雁镶 ， 图2 B a u s c h i n g e r 塑性效应 2 复合材料失效机理 纤维缠绕层实 际是玻璃纤维或碳素纤维 、芳 纶纤维与环氧树脂粘接固化 复合 而成 也称复合 层板 ，复合层板承担绝大部分 7 5 ％一9 5 ％的 压力载荷 ，其中纤维是主要 的承载体 ，树脂对纤 维起粘结作用 ，并在纤维之 间起着分布和传递载 荷 的作用 [4 ] 。因而复合层板 复合板的结构 图 的结构特 性决定 了其失效机理 。许 贤泽 提 出对 复合材料气瓶失效机 理的研 究 目前有两种方法 ， 一 种从连续损伤力学概念出发，将损伤理解为材 料本构关系的 内变 量；另一种是 断裂力学 的研究 方法 ，进一步扩展 到复合材料 的损伤 、破坏等 问 题 的研 究 中。复 合层 板 的失效 主要 包括 层 内断 裂、层间断裂和横层 断裂 。层 内断裂首先从9 0 度 层产生机体裂纹， 由于脱胶 ，该裂纹平行于纤维 而与外载 的拉伸应 力垂直，即横 向裂纹 ，裂纹扩 展到0 至9 0 度界面后 ，产生裂纹群 。层间断裂是层 与层界面的分离，二者 实质是纤维与基体界面 的 分离 ，裂纹方 向均沿纤维方 向；由于纤维层 的每 一 层并非连续介质 ，受力脱胶后 ，外层纤维丝和 图3 纤维缠绕气瓶示意图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第1 0 期 张红星等车用压缩天然气气瓶的研究概况 一 7一 内层纤 维丝存在交叉 ，也必然存在层 问剪 切应力 集 中。横 层断裂 是指 当 内胆和 复合层 发生塑性变 形产 生的应变达到纤维极限应变 时，纤维发生断 裂 ，与此 同时纤维断裂处的 内胆筒壁 发生破裂 ， 因而横层断裂往往控制复合材料层的最终破坏。 3研究理论和方法 3 ． 1网格理论的应用 网格 理论 是 关 于复合 材 料 气瓶 非 常实 用有 效的设计理论 。该理论认为 ，对 于塑性 良好的金 属 内衬 ，其强度极限较低 ，在计算纤维缠绕气瓶 的爆破压强 时可忽略 内衬 的作用 。尤其在复合材 料气瓶的初步设计时 ，可 以有效进行纤维缠绕层 数的估算 ，对于纵 向加环 向纤维缠绕气瓶 见 图 3 ，给 出了确定纵向和环向纤维厚度 的两个代数 式，见式 1 【 6 】 。 F P b 1 ， o - 2． _ t 仪 式 中，h 一 复合材料气瓶的纵 向纤维厚度 ； h 伯 一 复合 材料 气瓶 的环 向纤维 厚度 ；r 一 复合材 料气瓶 的内胆 的外半径 ； a一纵 向螺旋缠绕角 ； p b 一 气瓶 最小 设计爆破 压力 ； o 一 纤维发 挥强 度。 虽然该理论不能很好地预测容器 的破坏过程 及各部件在加压过程 中的受力状态 ，但可准确地 预测容器 的爆破压力 ，并可进行优化设计 。边文 风等 以网格理论 为基础 ，讨论 了纤维缠绕车用气 瓶在 内压作用下 的优化 设计 ，对于等 强度 复合材 料气瓶 ，以层 厚为设计变量 ，最 小体积质量 比为 目标 函数 ，对不 同缠绕角 的情况利用序列二次规 划算法进行优化设计[ 7 】 。 3 ． 2有限元软件 的应用 随着大型有 限元软件 的推广应用 ，研究者发 现运用数值分析方法更 能准确描述纤 维缠绕气瓶 的物理模型，计算结果也更贴近实际。在I ． De a s 、 MS C ． P a t r a n 、ANS YS 、AB AQ US 等几种有 限元通 用软件中，ANS YS 以其丰富的单元库、开放 的二 次开发环境 AP D L 语言被业 内广泛运用。 近 几 年 ，运 用 有 限元 法研 究 全 缠绕 复 合材 料 气瓶 CNG． 3 的研 究较 多 。杨福 全等 利用 ANS YS 大型 有 限元程 序建立 全缠 绕复合材 料气 瓶及其 内衬 的有 限元模 型，建模 中将 纤维缠绕层 作 为复合 材料层合板 处理，考虑 了封 头处缠绕层 厚度及 缠绕角沿子午线 不断变 化的情 况，进行 了 气瓶整体结构和 内衬 的外压失稳 屈 曲分析计 算 ，得 出了气瓶整体结构及 内衬 的屈 曲模态形状 和临界外压 【 8 】 常新龙等则对建立 的模型进行 了 气 瓶 在几 个工 况 点下 的变 形分 析 ，利用 最 大应 变准则预测 了气 瓶的爆破压 力 ] 。古海波等利用 ANS YS 完成了在各个压力过程下的有 限元应力分 析 ，在 内胆结构尺寸和缠绕层一定的情况下研 究 了预紧压力 的变化对 该气瓶应力影响的结果 ，根 据分析得 出的结果，依据DOT C F F C 标准 的要求确 定 出了该气瓶 的最佳预紧压力值，实现 了对 该气 瓶预紧压力 的优化 】 。可见 ， 白紧压力有个最优 值 ，这个最优值是用有限元分析得出的，精确可 靠 的有 限元分析对气瓶设计极其重要，且是必不 可少的[ “ ] 。 关 于 运 用 有 限 元 法 对 环 向 纤 维 缠 绕 气 瓶 C NG一 2 的研究文献相对较少 ，张传勇等利用 有 限元法计算C NG一 2 型气瓶各部分应力 ，提 出了 以内胆材料 屈服强度为基础 、以屈服率为判据的 计算C NG ． 2 型气瓶 自紧压力的新方法[ 2 】 。苏镜元进 行 了缠绕张力对复合气瓶 内胆应力影响的研 究， 由缠绕张力对 内胆气瓶进行逐层环 向缠绕产生了 一 定预应力 ，且气瓶 内胆 的筒体的应力状态处于 压应力状态 ；由缠绕张力 引起 的当量外压与 内胆 的应力呈线性关系 ；随纤维缠绕层数的增多， 内 胆 的应力增大，且增大的趋势在减小[ 1 。 3 ． 3实验研究 任鹏 刚等结合浇注 体力学性能、弹性粘 贴层 厚度及缠绕 工艺的对 比，采用低成本的混合环氧 树脂 酸酐类 固化剂 ，在9 1 2 1 生橡胶片中预加部分 J X． 9 胶粘剂 混炼后 ，提高 了钢胆与9 1 2 1 橡胶胶片 间的粘接强度 。复合式气瓶缠绕过程 中，应选择 厚度为1 ． 5 - 2 mm的生胶片 ，并应加入适当的纵向增 加层，最 终研制 出满足使用要求 的复合式天然气 瓶【 】 。 4天然气瓶研究发展趋势 4 ． 1 全塑复合材料气瓶的研究【 1 ] 近几年 ，C NG。 4 气瓶 全塑复合材料气瓶 以其质量轻 、成本低 、性价 比高等优点越来越受 到市场的欢迎。在塑料内胆复合材料气瓶选取内 胆材料时，关键 是选取满足气瓶疲劳设计要求和 满足 塑料 内胆成 型工艺的材料 。对于滚塑 内胆来 说 ，密度 太 高太低 都不 合 适 ，一般 密度 控制 在 0 ． 9 3 8 g ／ c m 至0 ． 9 5 0 g ／ c m。 中密度聚 乙烯 之 间 比较合适 。塑料 内胆的成 型主要是滚塑成型 、注 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 一 ■ 论文广场 石 油 和 化 工 设 备 2 0 1 1 年第 1 4 卷 塑焊接成 型和 吹塑成型3 种 目前主要使 用前两 种 ，对于滚塑成 型的塑料 内胆 ，只要较好地掌 握 了滚塑成型工艺，就可 以保证塑料 内胆均匀一 致 、材料 的塑化度和 气瓶对 塑料 内胆 的气密性要 求 。注塑焊接 内胆具有较好 的均匀性 、形状较规 则 ，特别是密封部位 的材料致密性 比较好 ，但是 其焊接部位的焊接质 量是关键 ，需要严格 的质保 体系来保障 ，虽如此，注塑焊接塑料 内胆仍是全 塑复合材料气瓶 内胆制造工艺的发展方 向。 另 外 ，对 于全 塑 复合 材料 气 瓶而 言 ，进 行 强度及疲劳寿命评估是一个 困难 的理论和技术 问 题 ，既没有任何可参考的类似技术报道 ，同时还 需 要对 塑料 材料 的疲 劳寿 命测 定进 行探 索性 研 究 。 4 ． 2纤 维编织 法 复合 材料 气瓶 的纤维 编织 法于 上世 纪 8 o a z 代提 出，但一直仅限于航空、航天及 军工领域 。 左惟炜等l 】 】 通过对三维编织复合材 料圆柱壳进行 屈 曲和应力分析 ，对三维编织复合材料 高压储气 瓶 的临界载荷 、强度和应力分布等进行 了数值计 算 ，并基 于圆形 四步法 三维 编织 工艺 及理 论分 析 ，提 出了三维编织复合材料高压储气瓶 的结构 优化设计数学模型 。崔蓓等[ 1 为获得 可以整体缠 绕成型高压气瓶 的预成型织物，研 究 了复合材料 气瓶用预成型织物 的设计方法，采用 玻璃纤维作 经 、纬纱 ，织制 出可直接缠绕 成型气瓶 回转体 的 预成 型织物 ，沿气瓶 回转体的侧 面展开织物 ，得 到了预成型织物 的形状 ，设计经纱沿回转体 的圆 周方 向，纬纱沿母线方 向，使预成型织物具有可 织性 ，最后分析 了不等纬密和分区等纬密两种设 计方法 的气瓶用预成型织物结构。 4 ． 3混杂法的研究 玻璃纤维的拉伸 强度和 拉伸模 量较低 ，但 断 裂应变和韧性较高 ；有机纤维的拉伸强度和拉伸 模量 尚可 ，但压缩强度较低 ，碳纤维的拉伸 强度 和拉伸模量都较高 ，但断裂应变和韧性较低 。文 献 针对 固体火箭发动机所受载荷情况 ，利用不 同纤维所 具有 的力学特性 ，对壳体进行混杂纤维 缠绕 以获取最优综合性 能，是 固体火箭发动机实 现先进、精 良的重要途径 。在环 向缠绕高模量的 碳纤维是必要的，但碳纤维 的断裂应变和韧性都 较低 ，且成本较 高。如果环 向缠绕一部分碳纤维 即能满足 药柱变形 的要求 ，那么环 向层可采取碳 纤维和玻璃纤维混杂缠绕方案 。因此 ，可 以考虑 将该技术移植到C NG 气瓶的应用 中。 4 ． 4安全 防护 的研究 郑传祥等 [ 1 引 提 出了复合材料 高压储氢容器泄 漏 的安全报警及快速卸压处理装置，即复合层采 用高强度纤维并结合具有零体积 固化特 点的微孔 发 泡树 脂 ，构成 纤 维承 力层 ，该 结构 具有 质量 轻 、强度高等特点 ，关键是具有一 定的透气性 。 在该层 的外表面加工宽l O mm，深 l mm以下的纵横 联通 的沟槽 ，外覆密 闭的保护层 。当 内衬发生疲 劳失效时 ，介质先通过扩张的疲劳裂纹，再通过 复合层 的微孔进入沟槽 ，由传感器监控得 到信息 后 ，及 时报警并快速响应处理泄漏 事故。该项技 术 的研究和推广 ，不仅是扩大C NG气瓶市场份额 的重要保障 ，而且具有重要的经济和社会价值。 5结束语 1 对C NG气瓶工作机理进行分析，分析了 自紧原理对 降低工作应力幅 ，提高疲劳寿命 的重 要作用 ，阐述 了内胆失效模式采用 “ 先漏后破 ” 的必要性 ，以及横层断裂往往控制复合材料层 的 最终破坏。 2 综 述 了C N G气 瓶 的研 究 理论 和 方法 ，指 出网格理论主要解决对于气瓶初步设计的纤维厚 度计算 ，提 出运用有 限元理论是分析和设计C NG 气瓶的必然趋势和选择，同时应注重实验研究。 3 简述 了全塑复合材料气瓶 的研究、纤维 编织法 、纤维混杂法 以及安全防护研究是复合材 料气瓶 的研究发展趋势。 ◆参考文献 【 1 】 h t tp ／ ／ w e n k u ． b a i d u ． c o m ／ v i e w ／ a 4 b c 7 9 2 f 4 5 3 6 1 0 6 6 1 e d 9 f 4 a 5 ．h t ml 【 2 ] 张传 勇，万 晓宁等 ． 采用有 限元法计算C NG 2 型气瓶 自紧 压力 [ J ] ． 压力容器 ，2 0 0 8 ， 4 ． [ 3 】陈汝训． 具有内胆的纤维缠绕压力容器分析【 J l - 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