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1、车用CNG缠绕气瓶设计制造 大连市锅炉压力容器检验研究院韩冰2016 8 13 2DBPVI 姓名 韩冰工作单位 大连市锅炉压力容器检验研究院通讯地址 辽宁省大连市西岗区新河街20号办公电话 0411 82479193移动电话 13841127626E MAIL hb dbpvi 1车用CNG缠绕气瓶简介2车用CNG缠绕气瓶结构特征3车用CNG缠绕气瓶设计4车用CNG缠绕气瓶制造及制造过程中常见缺陷5车用CNG缠绕气瓶检验6车用CNG缠绕气瓶出厂文件和制造原始标志 1车用CNG缠绕气瓶简介 4DBPVI 一 车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶与汽车用压缩天然气钢瓶相比具有以下优点 气瓶重量轻
2、刚性好 强度高 气密性好 可靠性高 二 金属材料的疲劳破坏通常是没有明显预兆的突发性破坏 而复合材料中的增强物与基体的结合既能有效地传递载荷 又能阻止裂纹的扩展 提高了气瓶的断裂韧性 三 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 使整个气瓶在短期内不至于失去承载能力 四 复合材料气瓶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 从而减少或避免了对人员的伤害 无需特殊处理就能满足耐腐蚀性能 5DBPVI 6DBPVI 2车用CNG缠绕气瓶结构特征 8DBPVI 车用CNG缠绕气瓶结构分类 一般分为二种型式 双口型 型式A 和单口型 型式B
3、 见下图所示 9DBPVI 车用CNG缠绕气瓶的规格参数 GB24160 2009 车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶 的规定 适用于设计 制造公称工作压力为20MPa或25MPa 公称水容积为30 450L 使用温度一般地区为 40 65 设计使用寿命为15年的环向缠绕气瓶 10DBPVI 车用CNG缠绕气瓶型号的表示方法 11DBPVI 示例 公称工作压力为20MPa 公称水容积为50L 内胆公称外径为325mm 纤维采用玻璃纤维 结构型式为A型的车用压缩天然气钢质内胆玻璃纤维环向缠绕气瓶 其型号标记为 CNG2 G 325 50 20A 3车用CNG缠绕气瓶设计 12DBPVI 盛装可燃
4、气体的高压缠绕气瓶内胆应当选用钢或者铝合金等金属材料 缠绕气瓶钢质内胆用材 应当是电炉或氧气转炉冶炼的无时效性镇静钢 钢内胆用材料抗拉强度大于880MPa 应当满足相应要求 缠绕材料应当选用玻璃纤维 芳纶纤维或者碳纤维 缠绕气瓶承载层应当采用单一纤维环向缠绕或者全缠绕 不得采用两种以上 包括两种 类型的纤维混缠 13DBPVI 气瓶安全技术监察规程 中对于材料和设计的规定 气瓶的实际爆破安全系数 车用钢质内胆玻璃纤维环向缠绕气瓶 2 5车用钢质内胆碳纤维及芳纶纤维环向缠绕气瓶 2 35瓶体金属材料屈服强度的设计选用值与抗拉强度的比值 0 90设计使用年限 15年 14DBPVI 对设计的一般要
5、求 根据薄膜应力理论 通过计算可以求得 气瓶筒体的环向应力是纵向应力的2倍 所以环向是气瓶的薄弱环节 气瓶的破裂一般是沿筒体的纵向开裂 即是由于作用在筒体的环向应力达到材料的抗拉强度极限所引起的 由于纤维是环向缠绕 因此缠绕层只承担环向应力 钢质内胆除承担完全的纵向应力外 还与缠绕层共同承担环向应力 环向缠绕气瓶的设计应遵守 未爆先漏 Leak before break LBB 准则 即气瓶材料具有足够的韧性 快速断裂前裂纹已穿透壁厚 导致泄漏发生 可避免突发快速断裂 减少损失 15DBPVI 1 设计使用寿命GB24160 2009 车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶 的规定的使用寿命为15
6、年 疲劳次数依据使用年限 1000次确定 即以平均每年1000次的使用次数模拟气瓶的疲劳使用寿命 2 最大许用工作压力公称工作压力P是以20 为基准温度的限定充装压力 环向缠绕气瓶允许达到的大许用工作压力Pm为公称工作压力P的1 3倍 这个压力与内胆小设计爆破压力相等 由此可见环向缠绕气瓶的安全系数是非常高的 16DBPVI 3 温度范围 气体温度 设计环向缠绕气瓶时应考虑气体温度变化的影响 a 在静止条件下 环向缠绕气瓶内气体的温度变化应处于 40 65 范围之内 b 在充装和排放时 气体温度的变化可以超过 40 65 的范围 缠绕气瓶温度 设计环向缠绕气瓶时应考瓶体虑材料温度变化的影响 a
7、 环向缠绕气瓶材料的温度变化应处于 40 82 范围之内 b 当温度超过65 时 应仅限于瓶体局部 或在相当短的时间内 除了在充装和排放时的条件下 环向缠绕气瓶的温度不得超过65 17DBPVI 4 气体成分应符合GB18047 车用压缩天然气 的规定要求 5 外表面设计环向缠绕气瓶时 应考虑其连续承受机械损伤或化学侵蚀的能力 环向缠绕气瓶外表面应能适应下列工作环境 间断地浸入水中 或者道路溅水 车辆在海洋附近行驶 或者在用盐融化冰的路面上行驶 阳光中的紫外线辐射 砾石的冲击 接触酸和碱溶液 肥料 汽车用液体的侵蚀 包括汽油 液压油 电池酸 乙二醇和油 接触排放的废气 18DBPVI 对气瓶材
8、料的选择 1 内胆材料的选用 1 内胆材料的基本要求 车用压缩天然气钢质内胆纤维环向缠绕气瓶材料应具有较高强度 良好的塑性和足够的韧性 以保证气瓶的安全可靠 由于环向缠绕气瓶所充装的介质为天然气 尽管天然气在充装前经过脱硫 脱水 脱轻油处理 其硫化氢含量较低 但气瓶中残存有水时 水中溶入大量的硫化氢 会对气瓶产生腐蚀作用 并可能产生硫化氢应力腐蚀 SCC 这就要求严格限制材料的硫 磷含量 以提高材料的抗应力腐蚀性能 2 车用气瓶安全技术监察规程 和GB24160 2009 车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶 对钢质内胆材料的一般规定 应是电炉或氧气转炉冶炼的无时效性镇静钢 应选用优质铬钼钢 应
9、具有良好的低温冲击性能 应符合其相应的国家标准或行业标准的规定 并有质量合格证明书 环向缠绕气瓶制造单位应按炉罐号进行各项指标的验证分析 材料的化学成分限定符合标准的要求 其化学成分允许偏差应符合GB T222 钢的成品化学成分允许偏差 的规定 钢坯低倍组织不允许有白点 残余缩孔 分层 气泡 异物和夹杂 中心疏松不应大于2 0级 偏析不应大于2 5级 无缝钢管的直线度应不大于1 5mm m 圆度应不大于外径允许偏差的80 钢管的内外表面不得有裂纹 折叠 轧折 离层和结疤 若有缺陷必须完全清除 清除处应光滑 清除后的实际壁厚不得小于壁厚允许的小值 无缝钢管应由钢厂按GB T5777 无缝钢管超声
10、波探伤检验方法 的规定逐根进行纵向和横向超声波探伤检验 应符合验收等级C5的规定 2 缠绕层材料的选用由于气瓶反复地进行充装 因此要求缠绕层在持续载荷和循环加载下应有非常高的安全可靠性 纤维和树脂材料的选用和匹配直接影响环向缠绕气瓶的安全性能 1 纤维的选用纤维增强层的主要作用是保证产品在受力的情况下 具有足够的强度 刚度和稳定性 其中纤维是主要的承载体 树脂只是对纤维起粘结作用 并在纤维之间起着分布和传递载荷的作用 因此选择高强度 高弹性的增强纤维和性能良好的树脂是提高结构承载能力的重要因素 复合材料所用的增强材料主要有三类 碳纤维 Kevlar纤维 也叫芳纶纤维 和玻璃纤维 不论从设计优化
11、方面考虑 还是从经济方面考虑 选用玻璃纤维作为增强层材料性价比都是高的 我国的环向缠绕气瓶增强层材料一般都采用玻璃纤维 玻璃纤维不燃烧 耐高温性能好 它具有强度高 延伸率大 抗冲击性能好 价格低廉等特点 但也存在弹性模量小 密度大 比刚度低 不耐磨 易折断 易受机械损伤和长期放置强度稍有下降的缺点 2 树脂基体的选用基体材料起粘接纤维的作用 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 根据环向缠绕气瓶的使用特性 要求缠绕所用的树脂须具有较高的韧性 否则在气瓶受内压作用时会因内胆和复合材料延伸率差别过大而在界面上产生轴向和环向应力 使复合材料层与内胆脱粘 不能作为一个整体同时受力
12、 影响材料性能的发挥 浸渍材料可以是热固性或热塑性树脂 适合的基体材料有 环氧 改性环氧 聚脂和乙烯类热固性树脂和聚乙烯 聚酰胺热塑性树脂 环向缠绕气瓶采用的树脂一般为环氧树脂 GB24160 2009对设计的要求 GB24160 2009 车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶 标准是修改采用ISO11439 2000 气瓶 车用天然气高压气瓶 英文版 有关CNG 2型气瓶部分制订的 ISO11439标准属于性能导向型标准 其原则是如果产品通过所有试验 则产品是安全的 因此 ISO11439标准不指定设计公式 而是要求对设计进行适当的分析验证 保证产品可通过试验 环向缠绕气瓶的强度设计理论目前
13、对环向缠绕气瓶的力学计算 一般都是采用网格理论分析 其基本假设如下 1 瓶体是由连续纤维缠绕构成 纤维分布均匀 对称 2 对树脂不计承载能力 3 纤维只承受拉应力 没有抵抗弯曲和剪切变形的能力 在单向受力情况下 要求纤维安放在主应力方向上 纤维用量则可由受力大小来计算 具体要求如下 1 不提供设计公式 但要求设计时进行适当的计算 分析和论证 以使环向缠绕气瓶能顺利地通过本标准所规定的材料 型式和批量等试验 2 设计应保证环向缠绕气瓶在正常使用期间 由于承压部件质量退化而引起的失效模式为 未爆先漏 如果金属内胆发生泄漏 只应是由于疲劳裂纹的扩展所致 3 设计时 内胆材料屈服强度的保证值应不超过抗
14、拉强度保证值的90 应对内胆材料的实测抗拉强度进行控制 热处理后内胆材料的大抗拉强度不得超过880MPa 车用压缩天然气钢质内胆用材 当材料的实际抗拉强度大于880MPa时 应当满足以下要求 在严格控制材料硫 磷等成分含量条件下 通过相应标准规定的硫化氢应力腐蚀试验 应力环法 允许材料的实际抗拉强度提高到950MPa 试验结果纳入气瓶设计文件鉴定报告和型式试验报告 制造过程中 材料实际硫 磷等成分含量以及热处理后的实际抗拉强度不得超出硫化氢应力腐蚀试验报告中试样材料的硫 磷含量以及抗拉强度控制范围 材料加工单位应当向气瓶制造单位提供由钢坯生产单位出具的所用钢坯质量证明文件以及由材料加工单位出具
15、的热轧管或者冷拔管质量证明文件 改变材料的牌号 生产单位 冶炼方法 热加工方法等 应当重新进行硫化氢应力腐蚀试验 4 环向缠绕气瓶水压试验压力Ph为公称工作压力P的1 5倍 5 内胆小设计爆破压力应为环向缠绕气瓶公称工作压力P的1 3倍 6 环向缠绕气瓶小设计爆破压力不应小于给定值 为保证在承受持续载荷和循环载荷条件下复合材料缠绕层的设计具有高度可靠性 纤维应力比应满足相应的规定 7 应力分析 应采用能用于材料非线性分析的软件 专用计算机程序或有限元分析程序 建立计算复合材料力学性能的适当模型 对环向缠绕气瓶进行自紧压力 自紧后零压力 工作压力和小设计爆破压力下的应力分析 确定缠绕层和内胆中的
16、应力分布 纤维应力比应符合标准的规定 端部结构端部结构可采用半球形 椭圆形 碟形等凸形结构 允许缠绕气瓶在端部开瓶口 瓶口的中心线必须与缠绕气瓶的中心线一致 瓶口螺纹瓶口螺纹应符合GB8335 气瓶专用螺纹 的规定 瓶口的厚度 应能保证在承受紧阀的力偶矩和铆合颈圈的附加外力时不变形 车用CNG缠绕气瓶型式试验 新设计和设计变更型式试验项目 内胆 壁厚测量 内外表面检查 制造公差检查 瓶口螺纹检查 硬度试验 拉伸试验 冲击试验 冷弯试验 金相试验 底部解剖 无损检测和水压爆破试验 气瓶 缠绕层层间剪切强度 缠绕层抗拉强度 缠绕层外观检查 水压试验 气密性试验 水压爆破试验 常温压力循环试验 极限温度压力循环试验 加速应力破裂试验 枪击试验 火烧试验 裂纹容限试验 酸环境试验 未爆先漏试验和高温蠕变试验 4车用CNG缠绕气瓶制造及制造过程中常见缺陷 33DBPVI 气瓶安全技术监察规程 对气瓶制造的规定 气瓶的分批与批量 纤维缠绕气瓶 金属内胆按本条第 1 项规定分批 成品瓶按同一规格 同一设计 同一制造工艺 同一复合材料型号 连续制造为条件分批 无缝气瓶 按同一设计 同一炉罐号材料 同一
