晉來(lái)法（山東科瑞油氣工藝設(shè)備有限公司,山東　東營(yíng)　257067）

關(guān)于復(fù)合材料纏繞壓力容器沖擊損傷的幾點(diǎn)思考

晉來(lái)法
（山東科瑞油氣工藝設(shè)備有限公司,山東東營(yíng)257067）

摘要：壓力容器的可靠性決定了內(nèi)容物體的穩(wěn)定性，其安全性將直接影響到整個(gè)空間系統(tǒng)的安全。由于壓力容器受外界儲(chǔ)存環(huán)境的影響比較大，此類容器對(duì)于外界的沖擊損傷非常敏感。根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究來(lái)看，一般情況下，沖擊損傷可以造成高壓容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)突變，整體結(jié)構(gòu)材料的受力強(qiáng)度和穩(wěn)定性嚴(yán)重降低、為了保障壓力容器的整體安全，使用復(fù)合材料纏繞的方法，可以有效減少壓力容器的沖擊損傷。本文根據(jù)碳合金、環(huán)氧復(fù)合等材料的主要特征做出探討，提出選用正確的配比材料的纏繞方法，有效緩解沖擊力，提高壓力容器穩(wěn)定性的方法。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；纏繞方法；沖擊損傷；壓力容器

1　復(fù)合材料壓力容器的特點(diǎn)

復(fù)合材料壓力容器因?yàn)榫哂兄亓枯p的特點(diǎn)，并且它的壓力承擔(dān)容限指數(shù)較高，在遭遇了外力沖擊的情況下，復(fù)合材料纏繞處理法容器具有穩(wěn)定性較高的特點(diǎn)，可以在比較惡劣的儲(chǔ)存環(huán)境下，保證壓力容器失效模式安全等等優(yōu)點(diǎn)。正因?yàn)槿绱耍瑥?fù)合材料纏繞的壓力容器以其較高的抗沖擊損傷的性能，不斷得到了廣大用戶的信賴，在宇宙中高壓真空環(huán)境的空間系統(tǒng)中得到了比較廣泛的應(yīng)用。其中，最典型的復(fù)合材料壓力容器（Copvs）是指，通過(guò)在壓力容器的薄壁金屬（或者塑膠）內(nèi)存上纏繞在符合材料的基礎(chǔ)罐體中，通過(guò)充分浸染和涂漬大量高強(qiáng)度的纖維，最終完成復(fù)合材料內(nèi)存的纏繞壓力容器的制造。復(fù)合材料壓力容器（COPVs）一般會(huì)被安排在國(guó)家高精尖領(lǐng)域的制造項(xiàng)目中，復(fù)合材料的壓力容器技術(shù)更是得到了廣泛的運(yùn)用。

2　沖擊效果損傷

2.1外力沖擊對(duì)內(nèi)外壁的影響

碳合金和環(huán)氧復(fù)合材料壓力容器在受到了外力沖擊之后，最為直接的結(jié)構(gòu)就是在容器的內(nèi)壁出現(xiàn)不均勻的裂縫，產(chǎn)生各種明顯的受損狀況下的缺陷。比如，在金屬容器的內(nèi)壁會(huì)出現(xiàn)襯體凹凸不平的現(xiàn)象。環(huán)氧符合材料由于纖維分層材料的特點(diǎn)顯著，會(huì)出現(xiàn)復(fù)合層與壓力容器的內(nèi)襯脫離粘黏、容器內(nèi)壁基體發(fā)生開(kāi)裂和顯著分層，這些都是典型的壓力容器受到?jīng)_擊損傷的效果表征。在外界壓力過(guò)大和沖擊損傷更加劇烈的時(shí)候，壓力容器還會(huì)因?yàn)槌惺苓^(guò)高的符合，容器內(nèi)壁出現(xiàn)明顯的纖維斷裂現(xiàn)象。

2.2復(fù)合材料纏繞壓力的標(biāo)準(zhǔn)性測(cè)試

在上個(gè)世紀(jì)九十年代的中后期，美國(guó)的國(guó)家航空公司開(kāi)展了一項(xiàng)針對(duì)航天器復(fù)合材料纏繞壓力的標(biāo)準(zhǔn)性測(cè)試，為壓力容器沖擊損傷狀態(tài)下，復(fù)合材料纏繞壓力容器加強(qiáng)的技術(shù)進(jìn)行了研究和分析。美國(guó)航天公司抽調(diào)全國(guó)技術(shù)骨干，對(duì)將近220個(gè)直徑約為150-500MM的球形壓力容器和圓柱體碳合金/環(huán)氧壓力容器（Copvs）進(jìn)行了高頻次的沖擊試驗(yàn)。根據(jù)研究實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，獲得了大量碳合金/環(huán)氧（Copvs）的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用復(fù)合材料可以顯著緩解沖擊損傷的效力。根據(jù)復(fù)合材料纏繞技術(shù)中，壓力容器沖擊損傷的實(shí)驗(yàn)中得到了測(cè)試結(jié)果表明，用不同能量的沖擊碳元素/環(huán)氧壓力容器（Copvs）產(chǎn)生的具體損傷效果很不一樣，沒(méi)有使用復(fù)合材料的壓力容器在沖擊能量加大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)內(nèi)壁爆裂的現(xiàn)象。

3　沖擊損傷效果的影響因素以其檢測(cè)

3.1沖擊位置的影響

對(duì)于球形的復(fù)合材料纏繞壓力容器而言，沖擊位置會(huì)在對(duì)受壓容器的靠近接頭位置出現(xiàn)集中施壓的現(xiàn)象。由于復(fù)合材料在接頭處內(nèi)壁纏繞侵染效果比較好，因此，此處的沖擊損傷反而比較小，主要原因就是由于碳合金與環(huán)氧壓力材料與接頭處連接，使得此處的高度顯著增加。

3.2沖擊損傷檢測(cè)

目視法是檢測(cè)壓力容器COPVS沖擊損傷的最簡(jiǎn)單和直接有效的方法?？睖y(cè)科學(xué)家通過(guò)肉眼對(duì)壓力容器的內(nèi)部進(jìn)行檢查，或者借助放大鏡對(duì)容器外表面的壁襯進(jìn)行檢測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)在受力情況下，復(fù)合材料表面纖維的具體受損傷的情況。使用找色繩頭或者酒精擦拭，可以顯著加強(qiáng)目視法沖擊探傷的效果和準(zhǔn)確度。由于經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展和科技研究的深入，目前一些有條件的探傷沖擊檢測(cè)中，大多使用超聲探測(cè)對(duì)內(nèi)襯的凹陷翹張屈合以及壓力容器的復(fù)合層分層進(jìn)行準(zhǔn)確探傷。采用超聲反射發(fā)可以對(duì)沖擊傷后的COPVS中出現(xiàn)的分層狀況進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)算，可以對(duì)內(nèi)襯復(fù)合材料的纏繞狀況進(jìn)行準(zhǔn)確的定量檢測(cè)。

3.3減輕沖擊損傷

為了提高材料纏繞處理方法壓力容器的抗沖擊效果，必須要在壓力容器的加壓過(guò)程和材料內(nèi)襯處理過(guò)程中，嚴(yán)格按照罐體設(shè)計(jì)和復(fù)合材料纏繞處理的相關(guān)工藝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，展開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的細(xì)節(jié)管控，從而有效減弱因?yàn)楦咚僮矒粼斐傻膲毫θ萜鲹p傷。比如，對(duì)加壓容器的復(fù)合層部分，展開(kāi)實(shí)時(shí)的聲波探傷和外觀質(zhì)量檢查，直接剔除復(fù)合層表面或者壓力容器內(nèi)部存在裂紋和部分氣孔脫層的產(chǎn)品，從源頭上加強(qiáng)對(duì)于壓力容器的質(zhì)量管控，提高容器整體數(shù)量上的優(yōu)良率和抗沖擊性能。由于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)在抵御撞擊損傷的作用比較明顯，因此要考慮到COPVs在內(nèi)襯泄露失效和動(dòng)力學(xué)環(huán)境壓力驟增的情況下的容器承受過(guò)載的能力。在壓力容器的生產(chǎn)、試驗(yàn)和搬運(yùn)的操作過(guò)程中，提高其抗風(fēng)險(xiǎn)失效的安全系數(shù)。

4　結(jié)束語(yǔ)

從高壓容器內(nèi)襯纏繞的復(fù)合材料來(lái)看，我們國(guó)家一般采用了碳合金材料與環(huán)氧復(fù)合材料，作為高壓容器的內(nèi)部填充支持物，它與其它的鋼、碳合金等金屬合成材料相比，具有更高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與緩擊沖壓的比模量。另外，使用碳合金和環(huán)氧符合材料的多層纏繞技術(shù)，可以使壓力容器在空間運(yùn)行的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)有效的減重目標(biāo)，保證符合材料纏繞處理方法壓力容器的抗壓強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：晉來(lái)法（1980-），山東壽光人，本科，設(shè)計(jì)工程師，研究方向:壓力容器設(shè)計(jì)。