對鋁合金內膽碳纖維全纏繞復合氣瓶的水壓試驗結果分析①

宋維鳳，郝延平，馬 毅，董 寧，徐 勇

(1．沈陽中復科金壓力容器有限公司，遼寧沈陽 110141;2．沈陽特種設備檢測研究院，遼寧沈陽 110035）

·氣瓶檢驗·

對鋁合金內膽碳纖維全纏繞復合氣瓶的水壓試驗結果分析①

宋維鳳1，郝延平2，馬 毅2，董 寧2，徐 勇2

(1．沈陽中復科金壓力容器有限公司，遼寧沈陽 110141;2．沈陽特種設備檢測研究院，遼寧沈陽 110035）

根據(jù)制造廠實際試驗數(shù)據(jù)和氣瓶容積變形的統(tǒng)計分析，對同一時期10批次近1600只復合氣瓶的水壓試驗結果進行了比較，結果表明，復合氣瓶通過自緊壓力后可有效提升產(chǎn)品容積變形同一性。水壓試驗后復合氣瓶的容積殘余變形值分散率大大降低。

復合氣瓶;水壓試驗;容積殘余變形率;自緊壓力

鋁合金內膽碳纖維全纏繞復合氣瓶 (簡稱復合氣瓶）是目前空氣呼吸器的主流氣源裝置，具有重量輕、壓力高、耐腐蝕、疲勞性能優(yōu)異等優(yōu)點，在消防和救護、礦山搶險和高原施工、海洋救援和潛水等領域已被廣泛應用。

根據(jù)企標Q/KJ 015規(guī)定，該類復合氣瓶在出廠前必須經(jīng)過嚴格的水壓試驗，合格后方可投入使用。目前各廠家多采用外測法氣瓶容積變形試驗(以下簡稱外測法試驗）進行該項試驗。指導該項試驗的理論基礎是建立在對復合氣瓶進行應力分析、加壓后容積變形等有限元方法上，這方面有不少學者發(fā)表自己研究觀點［3－6］，但在批量檢驗結果的統(tǒng)計分析上尚不多見。本文對近1600只復合氣瓶的水壓試驗結果進行了統(tǒng)計分析。

1 試驗方法和原理

受試復合氣瓶的公稱容積為6.8 L，公稱工作壓力為30 MPa，自重為4400 g(不含瓶閥等附件）。內膽為6061T6鋁合金無縫結構。纏繞層為T700SC碳纖維，外襯薄層為玻璃纖維保護層。其它參數(shù)列于表1中。

復合氣瓶制造工藝分為內膽制造和碳纖維纏繞。內膽是6061鋁合金經(jīng)過沖拔和收口加工，并采用T6熱處理。使用T700SC碳纖維，在鋁合金內膽上全纏繞。平均纏繞張力為150 N。纏繞后的復合氣瓶在150℃溫度下固化180 min。

表1 受試復合氣瓶的主要參數(shù)Table 1 Major parameter of test composite cylinder

復合氣瓶的自緊壓力與水壓試驗過程如下:自緊壓力為50 MPa，水壓試驗壓力為45 MPa。容積殘余變形率采用外測法試驗裝置檢驗 (圖1）。每次試驗前用標準瓶對試驗裝置進行校驗。標準瓶容積全變形—壓力曲線見圖2。試驗裝置的精度應符合標準瓶全變形容積相對誤差不大于±1%;標準瓶在校驗壓力下實測容積殘余變形值為零的規(guī)定。

復合氣瓶試驗時使用水槽內潔凈的淡水為介質，試驗水溫保持在15～20℃，試驗用的壓力表其精度為1.5級，并在檢驗有效期內。復合氣瓶注滿水后用木槌輕擊氣瓶瓶體，將瓶內殘留的空氣泡排出，以保證試驗的精確性。

復合氣瓶試驗分成兩個步驟:將專用接頭R旋緊至已排除空氣充滿水的受試瓶I上，并與水套頂蓋L連接，使受試瓶懸于水套U中，將水套頂蓋緊固在水套U上。繼續(xù)向水套內注水，使空氣排盡。通過對水套排氣、量杯注水后觀察天平G示值是否有變化，若不變則記錄該示值。啟動水壓泵J，當壓力表K1和K2的示值升到受試瓶I的公稱工作壓力時，停止水壓泵J，檢查水套系統(tǒng)及受試瓶是否有泄漏，在確定無泄漏時啟動水壓泵對水套內的受試瓶加壓，第一次加壓到50 MPa壓力，保壓1 min。使用0.1 g精度的電子秤記錄下水套內被排出的水容積，稱為“氣瓶自緊膨脹量”，用“ZP”表示。然后將復合氣瓶泄壓至0 MPa，記錄水套內受試瓶由于瓶體塑性變形增加的容積，用“SY”表示。完成自緊壓力一次循環(huán)操作的受試瓶被再次加壓到45 MPa的試驗壓力下，保壓30 s，并記錄水套內排出的水容積，這個水容積值稱為“氣瓶容積全變形值”，以“QB”表示。再次泄壓到0 MPa并記錄氣瓶的容積殘余變形量，這個量稱為“氣瓶容積殘余變形值”，以“CB”表示。根據(jù)GB/T 9251的規(guī)定，容積殘余變形率β=CB/QB，當β小于或等于5%時復合氣瓶水壓試驗合格。

復合氣瓶在水壓試驗以前進行自緊的目的是通過水壓壓力使復合氣瓶內膽產(chǎn)生塑性變形。氣瓶泄壓后，由于加壓過程纖維層的彈性回彈，給內膽一個正應力，用以提高氣瓶的疲勞性能。自緊壓力值是在氣瓶設計時采用有限元法進行應力計算后加以確定的，以保證瓶膽在去除自緊壓力后不會被纏繞層的壓應力壓迫失穩(wěn)。

2 試驗結果與分析

表中1588只復合氣瓶是由10個批次的氣瓶組成，其試驗結果顯示在表2、3中。其中最大批次中為202只復合氣瓶，最小批次為16只復合氣瓶，每個批次的復合氣瓶是用同一爐號的內膽材料和同一批號的碳纖維材料，在同一時間內連續(xù)制造完成的。每批次復合氣瓶的試驗也為連續(xù)進行。

表2 復合氣瓶檢測的相關數(shù)據(jù)*Table 2 Related data of test composite cylinder

表3 每批次復合氣瓶試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析Table 3 Statistical analysis of test data for each batch composite cylinders

每批次的復合氣瓶，由于材料和制造工藝的差別，其試驗數(shù)據(jù)的平均值是不同的。自緊容積膨脹量比較大的批次，其自緊后的復合氣瓶容積變形也比較大。這個差別可視為來自復合氣瓶的材料和工藝所致，而不是來自復合氣瓶的初始容積。表3對所有批次的試驗數(shù)據(jù)進行了標準差計算。結果顯示，每批次復合氣瓶容積變化的標準差在0.025以下，而相對應的自緊容積膨脹量ZP變化的標準差達到8.8。同時，在這兩者之間也不存在相關性。每批次兩個量對應的散點圖也呈不規(guī)律的分布狀態(tài)，如圖3所示。通過對圖3的分析，認為復合氣瓶經(jīng)自緊壓力后的容積膨脹量和復合氣瓶原始容積的關系不大。主要來自復合氣瓶所用材料和制造工藝之間的差別。

復合氣瓶經(jīng)自緊處理后，其容積有所變化。這個變化和自緊過程的容積膨脹量具有較強相關性。以1037批202只復合氣瓶的統(tǒng)計數(shù)據(jù)為例，其相關性圖標顯示在圖4中。隨著自緊過程復合氣瓶容積膨脹量的提高，自緊后的復合氣瓶容積變化也相應提高。

復合氣瓶的自緊主要來源于內膽和纏繞層材料的不同，即兩種材料的力學性能的巨大差異。一般碳纖維的彈性模量為230 GPa，強度極限為4900 MPa。鋁內膽的彈性模量為69 GPa，屈服極限為276 MPa。二者的剛度比為3.3，二者的強度比為17.7。這說明在相同的應變下，即使內膽已經(jīng)屈服，碳纖維還處于低應力狀態(tài)，碳纖維優(yōu)良的高強度性能得不到充分發(fā)揮。復合氣瓶所面臨的這個問題恰恰需要通過自緊壓力來解決。

自緊壓力能優(yōu)化復合氣瓶工作條件下的應力分布，即在自緊應力下復合氣瓶內膽的筒體已進入了塑性狀態(tài)，而復合材料仍處于彈性狀態(tài)，其所受應力遠小于復合材料的縱向強度，自緊壓力泄壓后，復合氣瓶內膽材料處于壓縮狀態(tài)。經(jīng)過自緊應力處理后內膽在筒體上的最大應力則會顯著下降，而在未經(jīng)自緊應力處理的情況下最大應力出現(xiàn)在內膽，已接近屈服應力。復合氣瓶工作時在內壓作用下產(chǎn)生的應力與預應力相疊加，使內壁的最大應力值降低，而外壁處于較小的應力值又得以提高，于是沿著壁厚方向的應力分布趨于均勻化。

被試驗的復合氣瓶都經(jīng)過有限元應力分析計算。理論的自緊—應力變化曲線顯示在圖5中。當自緊完成后，內膽應力回到230 MPa左右。在后續(xù)的循環(huán)使用過程中，保證內膽的變形一直處于彈性變形范圍內。試驗結果的統(tǒng)計分析證明了這一點。

圖5 環(huán)向、軸向應力與加載關系圖Fig.5 Relationship of circumferential stree(axial stress）and load

圖6顯示了1036批復合氣瓶在自緊壓力時的容積膨脹量、自緊后的容積變化以及后續(xù)水壓試驗的容積膨脹量。從圖6中可見，盡管自緊時由于制造工藝的影響，復合氣瓶經(jīng)自緊壓力時的容積膨脹量有所不同，泄壓后容積的變化也不同，但是在水壓試驗時，其在45 MPa下的容積膨脹量基本上沒有大的變化，和制造過程中的工藝偏差沒有關系。保證了復合氣瓶在使用過程中的同一性。

盡管復合氣瓶在自緊壓力后以及后續(xù)水壓試驗后都發(fā)生復合氣瓶體積的變化。但這兩項體積變化不存在明顯的關聯(lián)性。圖7將1036批的復合氣瓶經(jīng)自緊壓力和水壓試驗后的容積變化進行了相關性顯示，這兩項數(shù)據(jù)幾乎沒有任何相關性。事實上，在自緊過程的復合氣瓶容積變化主要是內膽的塑性變形引起的，而水壓試驗氣瓶容積變形量又是在彈性范圍內，所以結合圖6，就不難解釋這種現(xiàn)象。

圖8 復合氣瓶自緊時的容積膨脹量分布Fig.8 Distribution of autofrettage volumeexpansion of composite cylinder

一般情況下實驗數(shù)據(jù)的離散型符合正態(tài)分布或泊松分布。對1037批次202只復合氣瓶的自緊容積膨脹量ZP和水壓試驗膨脹量QB統(tǒng)計表明，基本上正態(tài)分布，見圖8和圖9。盡管水壓試驗的膨脹量在批次中變化較小，但正態(tài)分布特性非常明顯。對水壓試驗后氣瓶殘余變形的數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示沒有遵從正態(tài)分布的規(guī)律，如圖10所示。

試驗數(shù)據(jù)在統(tǒng)計分析過程中發(fā)現(xiàn)，當復合氣瓶制造工藝分散性比較大的時候，盡管自緊可以提高復合氣瓶壓力—變形穩(wěn)定的同一性。但這種分散性還會對復合氣瓶剛度留下影響。對10個批次復合氣瓶ZP標準差和SY標準差的比較，發(fā)現(xiàn)具有關聯(lián)性，如圖11。當復合氣瓶個體剛度比較分散時，造成自緊后體積變化也隨之增大。由此可以推斷，自緊壓力的設計，必須能夠涵蓋制造工藝不穩(wěn)定的影響，保證復合氣瓶安全可靠。

3 結 論

(1）在合理的自緊壓力下，鋁合金內膽碳纖維全纏繞復合氣瓶可以通過自緊調整生產(chǎn)工藝造成的品質離散，增加氣瓶壓力—變形同一性。

(2）鋁合金內膽碳纖維全纏繞復合氣瓶的殘余變形率指標和氣瓶容積偏差、工藝分散性相關作用不明顯。

［1］GB/T 9251，氣瓶水壓試驗方法［S］．

［2］Q/KJ 015，鋁合金內膽纖維全纏繞氣瓶［S］．

［3］鄭傳祥．復合材料壓力容器［M］．北京:化學工業(yè)出版社，2006:90-92．

［4］周海成，等．纖維纏繞復合材料氣瓶的發(fā)展及其標準情況［J］．壓力容器，2004，21(9）:32-36．

［5］張潔．國內復合材料氣瓶發(fā)展及氣瓶標準概況 ［J］．纖維復合材料，2007(3）:38-42．

［6］陳汝訓．纖維纏繞圓筒壓力容器結構分析 ［J］．固體火箭技術，2004，27(2）:105-107．

［7］陳汝訓．具有襯里的纖維纏繞壓力容器分析 ［J］．固體火箭技術，1999，22(4）:54-56．

［8］李欣，成志剛．壓力容器使用壽命試驗計算與提高［M］．北京:北方工業(yè)出版社，2007，1273-1291．

Analysis of Hydrostatic Testing Results of FullW rapped Carbon-fiber Reinforced Com posite CylindersW ith Alum inum Alloy Liners

SONGWeifeng1，HAO Yanping2，MA Yi2，DONG Ning2，XU Yong2
(1．Shenyang Zhongfukejin Pressure Vessels Co．，Ltd．，Shenyang 110141，China;
2．Shenyang Institute of Special Equipment Inspection and Research，Shenyang 110035，China）

Wemade a comparison with hydrostatic testing results from 1600 cylinders based on data and cylinder deformation testing．It shows that the identity of testing results from two cylinders has improved a lot as result of autofrettage pressure and that remaining deformation dispersion to cylinders has been reduced considerably after hydrostatic test is done．

composite cylinders;hydrostatic test;ratio of permanent volumetric expansion;autofrettage pressure

TQ051.3

B

1007-7804(2012）01-0043-06

10.3969/j.issn.1007-7804.2012.01.012

2011-12-22

宋維鳳 (1961），女，1982年畢業(yè)于遼寧省廣播電視大學。沈陽中復科金壓力容器有限公司質量保證工程師，主要從事氣瓶生產(chǎn)的技術和質量管理工作。