宋維鳳，郝延平，馬 毅，董 寧，徐 勇

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

·氣瓶檢驗(yàn)·

對鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶的水壓試驗(yàn)結(jié)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(fù)科金壓力容器有限公司，遼寧沈陽 110141;2．沈陽特種設(shè)備檢測研究院，遼寧沈陽 110035）

根據(jù)制造廠實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)和氣瓶容積變形的統(tǒng)計(jì)分析，對同一時(shí)期10批次近1600只復(fù)合氣瓶的水壓試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，復(fù)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(yàn)后復(fù)合氣瓶的容積殘余變形值分散率大大降低。

復(fù)合氣瓶;水壓試驗(yàn);容積殘余變形率;自緊壓力

鋁合金內(nèi)膽碳纖維全纏繞復(fù)合氣瓶 (簡稱復(fù)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(diǎn)，在消防和救護(hù)、礦山搶險(xiǎn)和高原施工、海洋救援和潛水等領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用。

根據(jù)企標(biāo)Q/KJ 015規(guī)定，該類復(fù)合氣瓶在出廠前必須經(jīng)過嚴(yán)格的水壓試驗(yàn)，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(yàn)(以下簡稱外測法試驗(yàn)）進(jìn)行該項(xiàng)試驗(yàn)。指導(dǎo)該項(xiàng)試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)是建立在對復(fù)合氣瓶進(jìn)行應(yīng)力分析、加壓后容積變形等有限元方法上，這方面有不少學(xué)者發(fā)表自己研究觀點(diǎn)［3－6］，但在批量檢驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析上尚不多見。本文對近1600只復(fù)合氣瓶的水壓試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

1 試驗(yàn)方法和原理

受試復(fù)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(nèi)膽為6061T6鋁合金無縫結(jié)構(gòu)。纏繞層為T700SC碳纖維，外襯薄層為玻璃纖維保護(hù)層。其它參數(shù)列于表1中。

復(fù)合氣瓶制造工藝分為內(nèi)膽制造和碳纖維纏繞。內(nèi)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(nèi)膽上全纏繞。平均纏繞張力為150 N。纏繞后的復(fù)合氣瓶在150℃溫度下固化180 min。

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

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

復(fù)合氣瓶試驗(yàn)時(shí)使用水槽內(nèi)潔凈的淡水為介質(zhì)，試驗(yàn)水溫保持在15～20℃，試驗(yàn)用的壓力表其精度為1.5級，并在檢驗(yàn)有效期內(nèi)。復(fù)合氣瓶注滿水后用木槌輕擊氣瓶瓶體，將瓶內(nèi)殘留的空氣泡排出，以保證試驗(yàn)的精確性。

復(fù)合氣瓶試驗(yàn)分成兩個(gè)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(nèi)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(dòng)水壓泵J，當(dāng)壓力表K1和K2的示值升到受試瓶I的公稱工作壓力時(shí)，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(shí)啟動(dòng)水壓泵對水套內(nèi)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(nèi)被排出的水容積，稱為“氣瓶自緊膨脹量”，用“ZP”表示。然后將復(fù)合氣瓶泄壓至0 MPa，記錄水套內(nèi)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(yàn)壓力下，保壓30 s，并記錄水套內(nèi)排出的水容積，這個(gè)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(gè)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(dāng)β小于或等于5%時(shí)復(fù)合氣瓶水壓試驗(yàn)合格。

復(fù)合氣瓶在水壓試驗(yàn)以前進(jìn)行自緊的目的是通過水壓壓力使復(fù)合氣瓶內(nèi)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(nèi)膽一個(gè)正應(yīng)力，用以提高氣瓶的疲勞性能。自緊壓力值是在氣瓶設(shè)計(jì)時(shí)采用有限元法進(jìn)行應(yīng)力計(jì)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(yīng)力壓迫失穩(wěn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

表中1588只復(fù)合氣瓶是由10個(gè)批次的氣瓶組成，其試驗(yàn)結(jié)果顯示在表2、3中。其中最大批次中為202只復(fù)合氣瓶，最小批次為16只復(fù)合氣瓶，每個(gè)批次的復(fù)合氣瓶是用同一爐號的內(nèi)膽材料和同一批號的碳纖維材料，在同一時(shí)間內(nèi)連續(xù)制造完成的。每批次復(fù)合氣瓶的試驗(yàn)也為連續(xù)進(jìn)行。

表2 復(fù)合氣瓶檢測的相關(guān)數(shù)據(jù)*Table 2 Related data of test composite cylinder

表3 每批次復(fù)合氣瓶試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析Table 3 Statistical analysis of test data for each batch composite cylinders

每批次的復(fù)合氣瓶，由于材料和制造工藝的差別，其試驗(yàn)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(fù)合氣瓶容積變形也比較大。這個(gè)差別可視為來自復(fù)合氣瓶的材料和工藝所致，而不是來自復(fù)合氣瓶的初始容積。表3對所有批次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算。結(jié)果顯示，每批次復(fù)合氣瓶容積變化的標(biāo)準(zhǔn)差在0.025以下，而相對應(yīng)的自緊容積膨脹量ZP變化的標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到8.8。同時(shí)，在這兩者之間也不存在相關(guān)性。每批次兩個(gè)量對應(yīng)的散點(diǎn)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(rèn)為復(fù)合氣瓶經(jīng)自緊壓力后的容積膨脹量和復(fù)合氣瓶原始容積的關(guān)系不大。主要來自復(fù)合氣瓶所用材料和制造工藝之間的差別。

復(fù)合氣瓶經(jīng)自緊處理后，其容積有所變化。這個(gè)變化和自緊過程的容積膨脹量具有較強(qiáng)相關(guān)性。以1037批202只復(fù)合氣瓶的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為例，其相關(guān)性圖標(biāo)顯示在圖4中。隨著自緊過程復(fù)合氣瓶容積膨脹量的提高，自緊后的復(fù)合氣瓶容積變化也相應(yīng)提高。

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

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

被試驗(yàn)的復(fù)合氣瓶都經(jīng)過有限元應(yīng)力分析計(jì)算。理論的自緊—應(yīng)力變化曲線顯示在圖5中。當(dāng)自緊完成后，內(nèi)膽應(yīng)力回到230 MPa左右。在后續(xù)的循環(huán)使用過程中，保證內(nèi)膽的變形一直處于彈性變形范圍內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析證明了這一點(diǎn)。

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

圖6顯示了1036批復(fù)合氣瓶在自緊壓力時(shí)的容積膨脹量、自緊后的容積變化以及后續(xù)水壓試驗(yàn)的容積膨脹量。從圖6中可見，盡管自緊時(shí)由于制造工藝的影響，復(fù)合氣瓶經(jīng)自緊壓力時(shí)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(yàn)時(shí)，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(guān)系。保證了復(fù)合氣瓶在使用過程中的同一性。

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

圖8 復(fù)合氣瓶自緊時(shí)的容積膨脹量分布Fig.8 Distribution of autofrettage volumeexpansion of composite cylinder

一般情況下實(shí)驗(yàn)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(fù)合氣瓶的自緊容積膨脹量ZP和水壓試驗(yàn)膨脹量QB統(tǒng)計(jì)表明，基本上正態(tài)分布，見圖8和圖9。盡管水壓試驗(yàn)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(yàn)后氣瓶殘余變形的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示沒有遵從正態(tài)分布的規(guī)律，如圖10所示。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)分析過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)復(fù)合氣瓶制造工藝分散性比較大的時(shí)候，盡管自緊可以提高復(fù)合氣瓶壓力—變形穩(wěn)定的同一性。但這種分散性還會對復(fù)合氣瓶剛度留下影響。對10個(gè)批次復(fù)合氣瓶ZP標(biāo)準(zhǔn)差和SY標(biāo)準(zhǔn)差的比較，發(fā)現(xiàn)具有關(guān)聯(lián)性，如圖11。當(dāng)復(fù)合氣瓶個(gè)體剛度比較分散時(shí)，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(shè)計(jì)，必須能夠涵蓋制造工藝不穩(wěn)定的影響，保證復(fù)合氣瓶安全可靠。

3 結(jié) 論

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

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

［1］GB/T 9251，氣瓶水壓試驗(yàn)方法［S］．

［2］Q/KJ 015，鋁合金內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶［S］．

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

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

［5］張潔．國內(nèi)復(fù)合材料氣瓶發(fā)展及氣瓶標(biāo)準(zhǔn)概況 ［J］．纖維復(fù)合材料，2007(3）:38-42．

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

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

［8］李欣，成志剛．壓力容器使用壽命試驗(yàn)計(jì)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(xué)。沈陽中復(fù)科金壓力容器有限公司質(zhì)量保證工程師，主要從事氣瓶生產(chǎn)的技術(shù)和質(zhì)量管理工作。