淺析40 MPa呼吸器用復(fù)合氣瓶的設(shè)計(jì)、制造過程質(zhì)量控制要點(diǎn)

張瑜

摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，城市化和工業(yè)化進(jìn)程不斷加快，高層、大型復(fù)雜建筑越來越多，火災(zāi)規(guī)模越來越大，進(jìn)入縱深越來越遠(yuǎn)，對呼吸器用復(fù)合氣瓶[1]的使用時間，質(zhì)量等要求也越來越高。

關(guān)鍵詞：呼吸器 復(fù)合氣瓶 質(zhì)量 控制

中圖分類號：TH49 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（b）-0216-01

目前，國外空氣呼吸器普遍使用額定工作壓力為20 MPa、30 MPa的復(fù)合氣瓶，國內(nèi)亦然。美國SCOTT公司與Luxfer Inc.氣瓶公司共同研發(fā)，于2012年1月開發(fā)出了額定工作壓力為5500 PSI（約38 MPa）的空氣呼吸器用復(fù)合氣瓶，獲得了美國職業(yè)安全與衛(wèi)生研究院（NIOSH）和美國消防協(xié)會（NFPA）認(rèn)可。此氣瓶外形輪廓減小了11%，重量減輕了15%，有效降低了使用者的疲勞感。

上海天海復(fù)合氣瓶有限公司則是：在氣瓶容積不變的前提下，通過提升氣瓶的工作壓力（40 MPa）來增加氣瓶的儲氣量，從而有效增加使用時間。兩者目的不同，但手段相同，都是通過提升氣瓶的額定壓力來達(dá)到目的。

1 40 MPa氣瓶的設(shè)計(jì)過程質(zhì)量控制要點(diǎn)

由于復(fù)合氣瓶目前都需要采用專業(yè)的設(shè)計(jì)分析軟件（如ANSYS）對氣瓶進(jìn)行分析計(jì)算，確定高壓氣瓶的應(yīng)力載荷分布、復(fù)合層材料的厚度以及纏繞方式等，同時根據(jù)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)的正確性，所以40 MPa氣瓶的設(shè)計(jì)過程質(zhì)量控制要點(diǎn)在于通過分析計(jì)算結(jié)果，選擇適合的原材料、工藝方案及驗(yàn)證方式確保復(fù)合氣瓶質(zhì)量。

1.1 復(fù)合氣瓶的結(jié)構(gòu)

本文探討的復(fù)合氣瓶是由無縫鋁合金內(nèi)膽外表面采用碳纖維、玻璃纖維進(jìn)行有序鋪層纏繞而成的高壓復(fù)合氣瓶[2]。鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶，主要承載結(jié)構(gòu)是由鋁內(nèi)膽和碳纖維纏繞層。

鋁內(nèi)膽外碳纖維纏繞層是由縱向纏繞纖維層和環(huán)向纏繞纖維層按優(yōu)化設(shè)計(jì)鋪層次序進(jìn)行交替纏繞而成，玻璃纖維纏繞層及外層涂層作為保護(hù)碳纖維承載結(jié)構(gòu)層的保護(hù)層。

1.2 40 MPa復(fù)合氣瓶的工藝方案

（1）無縫鋁合金內(nèi)膽內(nèi)膽合理的構(gòu)形是氣瓶設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，設(shè)計(jì)時需要綜合考慮性能、氣瓶外形和工藝等要求。采用鋁板拉伸成型的無縫，首先鋁板拉伸形成杯狀胚料，并通過多次拉伸成型鋁合金內(nèi)膽工藝技術(shù)，不同于鋁錠沖壓技術(shù)，該加工工藝能使鋁板通過多次拉伸、均勻變薄，并對封頭部分采用漸變后設(shè)計(jì)，提高鋁合金內(nèi)膽壁厚的均勻性及可控性。

（2）碳纖維纏繞層，高壓碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶是用碳纖維在外層進(jìn)過優(yōu)化鋪層纏繞而成的復(fù)合氣瓶，其中碳纖維的壓力承載達(dá)到75%～95%。所以碳纖維的鋪層設(shè)計(jì)尤為重要。碳纖維纏繞層不僅對氣瓶的疲勞壽命及爆破壓力有著巨大的影響，影響氣瓶失效模式。

1.3 40 MPa復(fù)合氣瓶的性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方式選擇

鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶為金屬材料和非金屬材料共同組成，不能夠通過簡單的理論計(jì)算公式進(jìn)行分析，對于此類氣瓶一般都是采用試驗(yàn)導(dǎo)向型進(jìn)行驗(yàn)證設(shè)計(jì)的符合性。

由于國內(nèi)外市場還沒有40 MPa高壓力的鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶用于空氣呼吸器的實(shí)例，同時國內(nèi)亦沒有空氣呼吸器氣瓶相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。為此，根據(jù)國際上相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)ISO 11119-2-2002《復(fù)合結(jié)構(gòu)氣瓶 規(guī)范和試驗(yàn)方法第2部分：金屬內(nèi)膽承載全纏繞纖維增強(qiáng)復(fù)合氣瓶》確定氣瓶的主要參數(shù)及對產(chǎn)品的符合性、安全性進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[3]。

2 40 MPa復(fù)合氣瓶制造過程質(zhì)量控制要點(diǎn)

2.1 40 MPa復(fù)合氣瓶內(nèi)膽制造過程質(zhì)量控制要點(diǎn)

（1）鋁內(nèi)膽成型工藝，鋁合金內(nèi)膽在整個復(fù)合氣瓶結(jié)構(gòu)中起密封作用。由于復(fù)合氣瓶需要進(jìn)行多次的充氣放氣過程（按照復(fù)合氣瓶10～15年的使用壽命，平均每天2次充氣放氣，約7300～10000次），對氣瓶內(nèi)膽的壁厚度均勻性具有較高的要求。壁厚均勻性越好，對于使用壽命具有顯著提高。

（2）熱處理控制，無縫鋁內(nèi)膽制造過程中，需要進(jìn)行固溶化熱處理。在熱處理過程中，要控制加熱（升溫）、保溫、降溫三個階段。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是，在調(diào)質(zhì)處理的淬火階段和固溶處理的降溫階段，要有足夠快的冷卻速度。

2.2 40 MPa復(fù)合氣瓶制造過程質(zhì)量控制要點(diǎn)

（1）原材料控制，鋁合金內(nèi)膽和復(fù)合材料是40 MPa復(fù)合氣瓶的最重要組成部分，40 MPa復(fù)合氣瓶使用的復(fù)合材料包括碳纖維、玻璃纖維、環(huán)氧樹脂、固化劑等。在制造過程中，原材料的控制直接決定著產(chǎn)品質(zhì)量的好壞。所以一定要建立原材料的進(jìn)廠檢驗(yàn)規(guī)程及原材料的保存、發(fā)放領(lǐng)用、過期處理等程序。

（2）自緊/水壓試驗(yàn)控制，水壓試驗(yàn)是使用水對氣瓶進(jìn)行加壓到試驗(yàn)壓力，并保持試驗(yàn)壓力一定的時間，最后卸去壓力并觀察氣瓶膨脹量、變形量等數(shù)據(jù)的試驗(yàn)。

氣瓶自緊是使用水對氣瓶進(jìn)行加壓到自緊壓力，并保持自緊壓力一定的時間，使內(nèi)膽充份膨脹產(chǎn)生塑性變形及產(chǎn)生屈服的試驗(yàn)。

（3）疲勞、爆破試驗(yàn)控制，疲勞試驗(yàn)是模擬氣瓶在使用壽命期間，不斷進(jìn)行加壓卸壓的試驗(yàn)。以驗(yàn)證氣瓶滿足壽命要求。

爆破試驗(yàn)是通過不斷對氣瓶加壓直至爆破，觀察爆破數(shù)據(jù)以驗(yàn)證氣瓶的安全性。

從通過自緊/水壓試驗(yàn)合格的一批氣瓶抽出氣瓶做疲勞、爆破試驗(yàn)，理論上每一只氣瓶的耐壓性和壽命的差異性幾乎不大。只有使用同一制造工藝，相同的材料才能使氣瓶的水壓數(shù)據(jù)保持在一個相同的區(qū)間。因此關(guān)注疲勞、爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)同樣重要。

參考文獻(xiàn)

[1] 國家標(biāo)準(zhǔn).呼吸器用復(fù)合氣瓶（GB28053-2011）[S].

[2] 企業(yè)標(biāo)準(zhǔn).鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞呼吸器用高壓復(fù)合氣瓶（Q/JB THB0033-2012）[S].北京天海工業(yè)有限公司.

[3] Gas cylinders of composite construction-Specification and test methods -Part 2：Fully wrapped fiber reinforced composite gas cylinders with load-sharing metal liners.ISO 11119-2：2002[S].endprint