关于复合材料压力容器制造中得质量控制要点分析

摘 要：随着我国经济的不断发展，压力容器在国民经济中发挥着越来越重要的作用。自20世纪60年代末开始，以S玻璃和凯夫拉-49纤维复合金属材料的轻质量压力容器逐渐取代传统的全金属气瓶。80年代中期出现的性能优越的高强度碳纤维，与低费用无焊缝铝制造技术结合，使得费用低、质量轻、可靠性高的高压容器生产变为现实。本文结合近年的工作经验以及对相关资料的查阅，探讨复合材料压力容器的优越性及其设计和典型结构，阐述复合材料压力容器的主要应用等，从而分析复合材料压力容器制造中质量控制要点，为相关工作者提高理论参考。

关键词：复合材料；压力容器；制造；质量控制

中图分类号：TG386.44文献标识码：A

1概述

压力容器是承受一定压力的设备，在化工、轻工、能源、航天等领域得到广泛应用。我国工业技术的发展迫切要求压力容器能够在各种条件下具有更优良的性能。压力容器本身存在着很大的危险性，其危害程度主要与设计压力、温度、介质条件和材料力学性能有关。复合材料的发展对整个压力容器技术的突破具有重要意义。压力容器的材料选取是设计过程中的重要步骤，对容器的后期使用起着决定性作用，材料的机械强度和耐腐蚀性等都会影响压力容器的使用状况，以往压力容器材料多为金属板材，容器内衬采用耐腐蚀的合金钢材料，外层进行金属层板包扎以提高机械强度。但金属材料密度大、造价高，尤其是在腐蚀严重的场合选用合金钢材料，给工业生产带来许多不便。上世纪40年代，复合材料得到迅速发展，尤其促进了复合材料压力容器的发展和应用。复合材料压力容器具有优良的性能，在工业压力容器中得到了广泛应用。

2 复合材料压力容器的相关概述

2.1 复合材料压力容器性能特点

根据国际化标准组织（ISO）的定义，复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。其中，一种材料为基体，其它材料为增强体组合而成的材料各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求，不但具有可设计性材料与结构的同一性。复合材料的优越性、复合性能对复合工艺的依赖性等特点，还具有优良的化学稳定性，减摩耐磨自润滑、耐热、耐疲劳和电绝缘等性能，复合材料的优良性能使得尤其制造而成的压力容器具有独特的特点和优良性能：

2.1.1 机械强度高，目前复合材料的增强材料主要为一些纤维产品 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，使整个构件在短期内不至于失去承载能力；由于纤维材料本身强度高，形变性能好，与基体材料结合后强度性能会提高数倍；制成的容器质量好、刚性好、强度高。

2.1.2 容器密度小，复合材料压力容器基体材料为金属、陶瓷和一些聚合物等，本身密度不是很大，与增强材料融合更加降低了其密度值，因而相应的压力容器密度也会随之降低。

2.1.3 耐腐蚀好，与传统金属相比，复合材料的耐腐蚀性能明显提高，不需要做特殊处理即能满足耐腐蚀的要求，所以复合材料压力容器耐腐蚀性也相应由于一般金属压力容器。

2.1.4 韧性好，在压力作用下，钢制压力容器破坏具有突发性，而复合材料压力容器的生产中材料与基体有效结合，可以使载荷平衡传递，防止裂纹扩展，提高了材料的断裂韧性，从而提高了压力容器的抗压性能。

2.2 复合材料压力容器研究现状

目前，复合材料压力容器正以独特的优势(重量轻、结构效率高、失效形式安全、耐腐蚀性好)在飞机、潜艇、火箭等运载工具及医疗方面广泛应用。

复合材料压力容器是复合材料技术在压力容器中的重要应用，必将随着复合材料技术的发展而发展。因此，在拓展复合材料压力容器应用范围的同时，国内外都在加强复合材料压力容器方面的基础研究，特别是在带内衬或无内衬压力容器的受力状态进行精确分析取得了一定成果。在对改进复合材料的成型工艺，使碳纤维复合材料与其连接的金属材料成为整体，达到最佳的性能指标。从而促进了复合材料压力容器在性能上的进步。

3 复合材料压力容器制造中质量控制要点分析

3.1 复合材料的选择

复合材料压力容器在某些服役工况条件下，除了要有足够的强度外，还应具备良好的气密性，且与气体介质种类、压力有紧密联系。复合压力容器主要由内衬和纤维缠绕复合材料增强层组成。内衬材料的选取与复合材料的材料设计直接影响了压力容器的性能，所以在设计复合压力容器前，应根据压力容器的使用环境和用途等方面而定。谨慎选择复合压力容器的材料。

3.1.1 内衬材料

复合压力容器在高压作用下除了有足够的强度外，还应有良好的气密性。但纤维增强树脂基复合材料气密性较差，压力容器必须拥有能够密封的内衬。复合压力容器的内衬材料可以分为两类：金属材料和塑料材料。

3.1.2 纤维缠绕复合材料

1）纤维材料

复合压力容器中复合材料缠绕层承担绝大部分的压力载荷，纤维是复合材料的主要承载部分。目前常用的纤维增强材料有玻璃纤维、碳纤维、凯芙拉（Kevlar）纤维等，主要产品形式为无捻粗纱。

2）树脂粘结剂

树脂粘结剂起粘接纤维的作用，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。主要有环氧树脂、酚醛树脂、聚酸亚胺树脂等，目前常用的是环氧树脂，它具有粘结力大，制造工艺简单，固化后收缩率小，硬度高，韧性好的特点。

3.2 复合材料设计与工艺

决定复合材料性能的不仅是增强纤维，树脂基体也起着非常重要的作用。树脂基体的选择决定于纤维的种类和复合材料的性能要求，对于复合材料压力容器所用树脂通常采用环氧树脂。在生产实践中，应对复合材料的固化反应机理及固化反应动力学进行系统的分析研究，在树脂配方的使用设计工艺时应充分考虑材料的配比、成本和性能等问题。

复合材料压力容器的设计通常采用网格理论，但网格理论无法分析压力容器封头处的应力分布，由碳纤维和芳纶纤维增强的压力容器又经常出现封头早期破坏形式，因此，分析复合材料压力容器封头处的应力分布，从而给出合理的封头补强形式尤为必要。用有限元方法对复合材料压力容器封头处的应力分布进行有效的分析可给出合理的封头补强形式。

对于金属内衬复合材料压力容器的设计有别于橡胶或塑料内衬的压力容器。一方面，金属内衬本身在工作的时候承受一定的拉应力；另一方面，金属内衬容易出现早期或疲劳开裂破坏形式。

本文讨论了金属内衬的纤维缠绕压力容器设计方法，通过应变控制准则，有效的解决了压力容器的设计问题。同时通过对金属内衬断裂延伸率的提高，预防了金属内衬的早期开裂，提高了压力容器的疲劳寿命及可靠性。

3.3 压力容器焊接控制

编制压力容器焊接工艺时，给出的焊接规范是一个范围，这有利于焊工操作。但在实际焊接过程中，焊接参数是一个给定值（表值）。有的制造厂在焊接检查记录中填写的焊接参数与焊接工艺一样（是一个范围）。这是不真实的，也是不负责任的。因此，焊接参数控制必须以焊机上的表读显示数值为准，焊接记录也必须填写这个表示值。这一点应当予以足够的重视。焊接质量就是靠焊接参数来保证的。焊接参数记录不能反映实际情况，甚至不按焊接参数施焊，那后果不堪设想，所以，必须真实记录实际施焊参数。另外一个参数是焊接速度，这是焊接过程中保证线能量（焊接输入热）的关键环节。在制造低温容器时，要求焊工一根焊条在保证焊接质量的前提下，尽量增加焊接长度。

3.4 热处理控制

压力容器制造过程中，有时需要进行热处理。常见的热处理有下述几种：消除焊接残余应力热处理、正火热处理、调质热处理和固溶化热处理等等。不管哪种热处理，均要控制加热（升温）、保温、降温三个阶段。应当强调的是，在调质处理的淬火阶段和固溶化处理的降温阶段，要有足够快的冷却速度。这个冷却速度，一般根据钢的连续冷却曲线来确定。因此，必须把握住这个至关重要的数值。可以采用喷淋淬火，这比水池淬火冷却速度更快，效果更好。

3.5 无损检测控制

无损检测就是我们通常称之为探伤。在压力容器制造过程中常用的探伤方法有射线、超声波、磁粉、渗透几种。这几种探伤方法可分别检测母材、焊缝、表面和近表面的缺陷，确保压力容器的质量。

首先要明确设计要求的探伤方法及合格标准，看其是否能执行，有时也会出现图纸要求的特殊探伤方法。

其次，无损检测往往实践经验显得更为重要。同一台仪器，不同的人操作，结果可能不一样。经验丰富的人，往往正确准确，特别是超声波探伤。

第三，控制探伤仪器和器材的质量，这对探伤结果的评定是至关重要的，质量不好的器材，会导致误判。

第四，不断开发新技术，为压力容器质量安全提供更多的保障技术和手段，有的制造厂开发出长方形截面长形内压容器角对接焊缝射线探伤技术，使这类承受高压力容器的角对接焊缝质量得到保证。

3.6 焊缝返修控制

3.6.1 焊缝返修必须编制返修工艺，经焊接责任人审核后依据返修工艺进行返修，对焊接接头的同一部位的返修次数超过2次以上的返修，需经单位技术总负责人批准。

3.6.2 返修的现场记录应详细，至少包括坡口型式、尺寸、返修长度、焊接工艺参数（焊接电流、电弧电压、焊接速度、预热温度、层间温度、后热温度和保温时间，焊材牌号及规格，焊接温度等）和施焊者及钢印等。

3.6.3 要求焊后热处理的压力容器，应在热处理前焊接返修；如在热处理后进行返修，返修后应再作热处理。

3.6.4 有抗晶间腐蚀要求的奥氏体不锈钢制压力容器，返修部位仍需保证原有的抗晶间腐蚀性能。

3.6.5 压力试验后需返修的返修部位，必须按原质量要求经无损检测合格，由于焊接接头或接管泄漏而进行返修的，或返修深度大于1/2壁厚的压力容器，还需重新进行压力试验。

3.7 复合材料压力容器性能检测

如何获取复合材料压力容器制造过程信息，提高其稳定性，一直是复合材料压力容器工作者关注的重要课题。复合材料压力容器成型工艺过程中包含复杂的物理化学变化，影响产品质量的因素十分复杂。传统的工艺过程控制无法得到加工材料内部状态变化的信息。光纤传感技术是近年来随着智能材料与结构在各行各业的广泛应用而兴起的一种全新的监测手段。光纤传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、信噪比高、测量对象范围广、与基体材料相容性好等特点，最适合于埋入式测量，因而使复合材料固化工艺过程的监测成为可能。

根据复合材料的特点，用多种手段对复合材料的工艺全过程、多种参量进行在线监控。将光纤智能化在线监测技术引入复合材料压力容器生产工艺中，将大大提高复合材料成型工艺过程的效率，提高产品质量和性能，降低工艺成本。实时获取复合材料压力容器服役条件下的状态信息，对提高结构安全与可靠性、降低维护成本以及理论模型的发展具有重要意义。通常所采用的一些复合材料结构的损伤检测方法成本较高，设备复杂，不能实时在线监测。迫切需要建立一种有效的复合材料结构在线监测系统，实现快速、准确检测损伤的形成以及损伤的位置。因此，将材料开发、力学设计与在线监测技术有机结合，针对一些特殊的复合材料压力容器服役环境有必要采用氦检漏技术、声发射技术、高精度变形测量技术、光纤健康监测技术等，建立一套满足复合材料压力容器使用性能评价方法，为复合材料压力容器的工程应用提供相关的配套技术，保障其在特殊环境应用的可靠性和安全性。

复合材料压力容器结构设计理论的发展，薄壁金属内衬成型技术的创新，缠绕成型工艺仿真技术的实现以及性能监测与评价体系的建立，为最大化地优化了复合材料压力容器个方面性能，解决了如航天，深海潜水等科学。

4 复合材料压力容器的设计及其典型结构

4.1 复合材料压力容器的设计

复合材料压力容器一般采用纤维缠绕工艺方法制造，由连续纤维提产品所需的强度和刚度。制造时一般采用延展性好的金属材料如铝、塑性塑料或橡胶傲内衬以满足容器的气密性能和疲劳性能要求。设计上一般采用网络理论，进行网络分析。

网络理论认为由纤维连续缠绕而成的（压力容器）器纤维分布均匀，同时受力，不计基体刚度，载荷全部由纤维承担。筒身可以进行螺旋缠绕、螺旋缠绕加环向缠绕、螺旋缠绕加纵向铺放、纵向铺放加环向缠绕。封头的形状不能预先给定，必须通过计算决定，且网络徽元必须以均衡型条件为前提，只能进行螺旋或平面缠绕，不能进行环向缠绕。通过网络分析获得缠绕纤维的缠绕方向、纤维厚度和纤维应力。

4.2 复合材料压力容器的典型结构

由于复合材料不同于钢材的制造工艺压，不能在筒体上方便地开孔、接管等，复合材料压力容器必须考虑复合材料的特有性能，其结构的连接、密封等都有不同于钢材的方法。

图1介绍一个典型的轴对称圆柱形筒体复合材料压力容器的结构和制造过程。典型的压力容器通常由接头2，上部3，中部4和下部5构成，6和7分别表示的是短纤维复合填料和长纤维复合加强件。图2表示的接头是由短纤维复合材料层包围的金属适配器，用以连接管子、阀门等，以便装载和排出物料，由于复合材料不适合经常的螺纹装配，需要使用金属。在这种情况下，连接部分必须保证安全，由短纤维和树脂组成的填料能够较好地填进槽中，将长纤维加强件和金属适配器紧密地连接起来。

本例的容器下部是向内的，这适合于低压的情况,而向外则适合于高压的情况上部和中部、中部和下部之间通过金属环连接，结构见图3。该结构的压力容器在制造时，用工具钢或碳钢做模.模通常分为上、下两个部分，严格定义内部空心部分的形状。将待成型的容器做成上面所述的形状，化工装备在其内部放置一个用尼龙做成的袋子，袋子端部有一个用以接受压缩空气的接头。然后将成型的容器放进模中，通入压缩空气，使得容器的材料膨胀，紧贴模的内壁，最终制成所需的容器。由经典的应力分析可知，承受内压圆柱壳的周向应力、轴向应力和长度无关，容器的容积可以在不影响应力的情况下通过改变而改变，该结构的容器的改变是通过图3中所示的金属连接环的使用而实现。

结束语

复合材料压力容器生产技术的不断发展和复合材料结构设计理论、制备工艺、性能评价方法的不断突破，使得复合材料压力容器性能越来越高，从而能够适应更多的使用环境。社会经济的发展和全球化给我国压力容器行业带来了新的发展机遇，同时也给复合材料压力容器的带来了新的挑战。作为生产者的我们应严格把好压力容器的生产质量关，以身作则，兢兢业业，生产出优质、安全的产品，为企业提高效益的同时，为社会创造财富。

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