趙亮

（貴州七冶壓力容器制造有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550014）

1 概述

壓力容器是承受一定壓力的設(shè)備，在化工、輕工、能源、航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。我國(guó)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展迫切要求壓力容器能夠在各種條件下具有更優(yōu)良的性能。壓力容器本身存在著很大的危險(xiǎn)性，其危害程度主要與設(shè)計(jì)壓力、溫度、介質(zhì)條件和材料力學(xué)性能有關(guān)。復(fù)合材料的發(fā)展對(duì)整個(gè)壓力容器技術(shù)的突破具有重要意義。壓力容器的材料選取是設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要步驟，對(duì)容器的后期使用起著決定性作用，材料的機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕性等都會(huì)影響壓力容器的使用狀況，以往壓力容器材料多為金屬板材，容器內(nèi)襯采用耐腐蝕的合金鋼材料，外層進(jìn)行金屬層板包扎以提高機(jī)械強(qiáng)度。但金屬材料密度大、造價(jià)高，尤其是在腐蝕嚴(yán)重的場(chǎng)合選用合金鋼材料，給工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)許多不便。上世紀(jì)40年代，復(fù)合材料得到迅速發(fā)展，尤其促進(jìn)了復(fù)合材料壓力容器的發(fā)展和應(yīng)用。復(fù)合材料壓力容器具有優(yōu)良的性能，在工業(yè)壓力容器中得到了廣泛應(yīng)用。

2 復(fù)合材料壓力容器的相關(guān)概述

2.1 復(fù)合材料壓力容器性能特點(diǎn)

根據(jù)國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）的定義，復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。其中，一種材料為基體，其它材料為增強(qiáng)體組合而成的材料各種材料在性能上互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求，不但具有可設(shè)計(jì)性材料與結(jié)構(gòu)的同一性。復(fù)合材料的優(yōu)越性、復(fù)合性能對(duì)復(fù)合工藝的依賴(lài)性等特點(diǎn)，還具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，減摩耐磨自潤(rùn)滑、耐熱、耐疲勞和電絕緣等性能，復(fù)合材料的優(yōu)良性能使得尤其制造而成的壓力容器具有獨(dú)特的特點(diǎn)和優(yōu)良性能：

2.1.1 機(jī)械強(qiáng)度高，目前復(fù)合材料的增強(qiáng)材料主要為一些纖維產(chǎn)品 復(fù)合材料中的大量增強(qiáng)纖維，使得材料過(guò)載而少數(shù)纖維斷裂時(shí)，載荷會(huì)迅速重新分配到未破壞的纖維上，使整個(gè)構(gòu)件在短期內(nèi)不至于失去承載能力；由于纖維材料本身強(qiáng)度高，形變性能好，與基體材料結(jié)合后強(qiáng)度性能會(huì)提高數(shù)倍；制成的容器質(zhì)量好、剛性好、強(qiáng)度高。

2.1.2 容器密度小，復(fù)合材料壓力容器基體材料為金屬、陶瓷和一些聚合物等，本身密度不是很大，與增強(qiáng)材料融合更加降低了其密度值，因而相應(yīng)的壓力容器密度也會(huì)隨之降低。

2.1.3 耐腐蝕好，與傳統(tǒng)金屬相比，復(fù)合材料的耐腐蝕性能明顯提高，不需要做特殊處理即能滿足耐腐蝕的要求，所以復(fù)合材料壓力容器耐腐蝕性也相應(yīng)由于一般金屬壓力容器。

2.1.4 韌性好，在壓力作用下，鋼制壓力容器破壞具有突發(fā)性，而復(fù)合材料壓力容器的生產(chǎn)中材料與基體有效結(jié)合，可以使載荷平衡傳遞，防止裂紋擴(kuò)展，提高了材料的斷裂韌性，從而提高了壓力容器的抗壓性能。

2.2 復(fù)合材料壓力容器研究現(xiàn)狀

目前，復(fù)合材料壓力容器正以獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)(重量輕、結(jié)構(gòu)效率高、失效形式安全、耐腐蝕性好)在飛機(jī)、潛艇、火箭等運(yùn)載工具及醫(yī)療方面廣泛應(yīng)用。

復(fù)合材料壓力容器是復(fù)合材料技術(shù)在壓力容器中的重要應(yīng)用，必將隨著復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。因此，在拓展復(fù)合材料壓力容器應(yīng)用范圍的同時(shí)，國(guó)內(nèi)外都在加強(qiáng)復(fù)合材料壓力容器方面的基礎(chǔ)研究，特別是在帶內(nèi)襯或無(wú)內(nèi)襯壓力容器的受力狀態(tài)進(jìn)行精確分析取得了一定成果。在對(duì)改進(jìn)復(fù)合材料的成型工藝，使碳纖維復(fù)合材料與其連接的金屬材料成為整體，達(dá)到最佳的性能指標(biāo)。從而促進(jìn)了復(fù)合材料壓力容器在性能上的進(jìn)步。

3 復(fù)合材料壓力容器制造中質(zhì)量控制要點(diǎn)分析

3.1 復(fù)合材料的選擇

復(fù)合材料壓力容器在某些服役工況條件下，除了要有足夠的強(qiáng)度外，還應(yīng)具備良好的氣密性，且與氣體介質(zhì)種類(lèi)、壓力有緊密聯(lián)系。復(fù)合壓力容器主要由內(nèi)襯和纖維纏繞復(fù)合材料增強(qiáng)層組成。內(nèi)襯材料的選取與復(fù)合材料的材料設(shè)計(jì)直接影響了壓力容器的性能，所以在設(shè)計(jì)復(fù)合壓力容器前，應(yīng)根據(jù)壓力容器的使用環(huán)境和用途等方面而定。謹(jǐn)慎選擇復(fù)合壓力容器的材料。

3.1.1 內(nèi)襯材料

復(fù)合壓力容器在高壓作用下除了有足夠的強(qiáng)度外，還應(yīng)有良好的氣密性。但纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料氣密性較差，壓力容器必須擁有能夠密封的內(nèi)襯。復(fù)合壓力容器的內(nèi)襯材料可以分為兩類(lèi)：金屬材料和塑料材料。

3.1.2 纖維纏繞復(fù)合材料

1）纖維材料

復(fù)合壓力容器中復(fù)合材料纏繞層承擔(dān)絕大部分的壓力載荷，纖維是復(fù)合材料的主要承載部分。目前常用的纖維增強(qiáng)材料有玻璃纖維、碳纖維、凱芙拉（Kevlar）纖維等，主要產(chǎn)品形式為無(wú)捻粗紗。

2）樹(shù)脂粘結(jié)劑

樹(shù)脂粘結(jié)劑起粘接纖維的作用，以剪切力的形式向纖維傳遞載荷，并保護(hù)纖維免受外界環(huán)境的損傷。主要有環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、聚酸亞胺樹(shù)脂等，目前常用的是環(huán)氧樹(shù)脂，它具有粘結(jié)力大，制造工藝簡(jiǎn)單，固化后收縮率小，硬度高，韌性好的特點(diǎn)。

3.2 復(fù)合材料設(shè)計(jì)與工藝

決定復(fù)合材料性能的不僅是增強(qiáng)纖維，樹(shù)脂基體也起著非常重要的作用。樹(shù)脂基體的選擇決定于纖維的種類(lèi)和復(fù)合材料的性能要求，對(duì)于復(fù)合材料壓力容器所用樹(shù)脂通常采用環(huán)氧樹(shù)脂。在生產(chǎn)實(shí)踐中，應(yīng)對(duì)復(fù)合材料的固化反應(yīng)機(jī)理及固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究，在樹(shù)脂配方的使用設(shè)計(jì)工藝時(shí)應(yīng)充分考慮材料的配比、成本和性能等問(wèn)題。

復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計(jì)通常采用網(wǎng)格理論，但網(wǎng)格理論無(wú)法分析壓力容器封頭處的應(yīng)力分布，由碳纖維和芳綸纖維增強(qiáng)的壓力容器又經(jīng)常出現(xiàn)封頭早期破壞形式，因此，分析復(fù)合材料壓力容器封頭處的應(yīng)力分布，從而給出合理的封頭補(bǔ)強(qiáng)形式尤為必要。用有限元方法對(duì)復(fù)合材料壓力容器封頭處的應(yīng)力分布進(jìn)行有效的分析可給出合理的封頭補(bǔ)強(qiáng)形式。

對(duì)于金屬內(nèi)襯復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計(jì)有別于橡膠或塑料內(nèi)襯的壓力容器。一方面，金屬內(nèi)襯本身在工作的時(shí)候承受一定的拉應(yīng)力；另一方面，金屬內(nèi)襯容易出現(xiàn)早期或疲勞開(kāi)裂破壞形式。

本文討論了金屬內(nèi)襯的纖維纏繞壓力容器設(shè)計(jì)方法，通過(guò)應(yīng)變控制準(zhǔn)則，有效的解決了壓力容器的設(shè)計(jì)問(wèn)題。同時(shí)通過(guò)對(duì)金屬內(nèi)襯斷裂延伸率的提高，預(yù)防了金屬內(nèi)襯的早期開(kāi)裂，提高了壓力容器的疲勞壽命及可靠性。

3.3 壓力容器焊接控制

編制壓力容器焊接工藝時(shí)，給出的焊接規(guī)范是一個(gè)范圍，這有利于焊工操作。但在實(shí)際焊接過(guò)程中，焊接參數(shù)是一個(gè)給定值（表值）。有的制造廠在焊接檢查記錄中填寫(xiě)的焊接參數(shù)與焊接工藝一樣（是一個(gè)范圍）。這是不真實(shí)的，也是不負(fù)責(zé)任的。因此，焊接參數(shù)控制必須以焊機(jī)上的表讀顯示數(shù)值為準(zhǔn)，焊接記錄也必須填寫(xiě)這個(gè)表示值。這一點(diǎn)應(yīng)當(dāng)予以足夠的重視。焊接質(zhì)量就是靠焊接參數(shù)來(lái)保證的。焊接參數(shù)記錄不能反映實(shí)際情況，甚至不按焊接參數(shù)施焊，那后果不堪設(shè)想，所以，必須真實(shí)記錄實(shí)際施焊參數(shù)。另外一個(gè)參數(shù)是焊接速度，這是焊接過(guò)程中保證線能量（焊接輸入熱）的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在制造低溫容器時(shí)，要求焊工一根焊條在保證焊接質(zhì)量的前提下，盡量增加焊接長(zhǎng)度。

3.4 熱處理控制

壓力容器制造過(guò)程中，有時(shí)需要進(jìn)行熱處理。常見(jiàn)的熱處理有下述幾種：消除焊接殘余應(yīng)力熱處理、正火熱處理、調(diào)質(zhì)熱處理和固溶化熱處理等等。不管哪種熱處理，均要控制加熱（升溫）、保溫、降溫三個(gè)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化處理的降溫階段，要有足夠快的冷卻速度。這個(gè)冷卻速度，一般根據(jù)鋼的連續(xù)冷卻曲線來(lái)確定。因此，必須把握住這個(gè)至關(guān)重要的數(shù)值?？梢圆捎脟娏艽慊?，這比水池淬火冷卻速度更快，效果更好。

3.5 無(wú)損檢測(cè)控制

無(wú)損檢測(cè)就是我們通常稱(chēng)之為探傷。在壓力容器制造過(guò)程中常用的探傷方法有射線、超聲波、磁粉、滲透幾種。這幾種探傷方法可分別檢測(cè)母材、焊縫、表面和近表面的缺陷，確保壓力容器的質(zhì)量。

首先要明確設(shè)計(jì)要求的探傷方法及合格標(biāo)準(zhǔn)，看其是否能執(zhí)行，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)圖紙要求的特殊探傷方法。

其次，無(wú)損檢測(cè)往往實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)顯得更為重要。同一臺(tái)儀器，不同的人操作，結(jié)果可能不一樣。經(jīng)驗(yàn)豐富的人，往往正確準(zhǔn)確，特別是超聲波探傷。

第三，控制探傷儀器和器材的質(zhì)量，這對(duì)探傷結(jié)果的評(píng)定是至關(guān)重要的，質(zhì)量不好的器材，會(huì)導(dǎo)致誤判。

第四，不斷開(kāi)發(fā)新技術(shù)，為壓力容器質(zhì)量安全提供更多的保障技術(shù)和手段，有的制造廠開(kāi)發(fā)出長(zhǎng)方形截面長(zhǎng)形內(nèi)壓容器角對(duì)接焊縫射線探傷技術(shù)，使這類(lèi)承受高壓力容器的角對(duì)接焊縫質(zhì)量得到保證。

3.6 焊縫返修控制

3.6.1 焊縫返修必須編制返修工藝，經(jīng)焊接責(zé)任人審核后依據(jù)返修工藝進(jìn)行返修，對(duì)焊接接頭的同一部位的返修次數(shù)超過(guò)2次以上的返修，需經(jīng)單位技術(shù)總負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)。

3.6.2 返修的現(xiàn)場(chǎng)記錄應(yīng)詳細(xì)，至少包括坡口型式、尺寸、返修長(zhǎng)度、焊接工藝參數(shù)（焊接電流、電弧電壓、焊接速度、預(yù)熱溫度、層間溫度、后熱溫度和保溫時(shí)間，焊材牌號(hào)及規(guī)格，焊接溫度等）和施焊者及鋼印等。

3.6.3 要求焊后熱處理的壓力容器，應(yīng)在熱處理前焊接返修；如在熱處理后進(jìn)行返修，返修后應(yīng)再作熱處理。

3.6.4 有抗晶間腐蝕要求的奧氏體不銹鋼制壓力容器，返修部位仍需保證原有的抗晶間腐蝕性能。

3.6.5 壓力試驗(yàn)后需返修的返修部位，必須按原質(zhì)量要求經(jīng)無(wú)損檢測(cè)合格，由于焊接接頭或接管泄漏而進(jìn)行返修的，或返修深度大于1/2壁厚的壓力容器，還需重新進(jìn)行壓力試驗(yàn)。

3.7 復(fù)合材料壓力容器性能檢測(cè)

圖1 復(fù)合材料壓力容器示意圖

圖2

圖3 連接環(huán)示意圖

如何獲取復(fù)合材料壓力容器制造過(guò)程信息，提高其穩(wěn)定性，一直是復(fù)合材料壓力容器工作者關(guān)注的重要課題。復(fù)合材料壓力容器成型工藝過(guò)程中包含復(fù)雜的物理化學(xué)變化，影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素十分復(fù)雜。傳統(tǒng)的工藝過(guò)程控制無(wú)法得到加工材料內(nèi)部狀態(tài)變化的信息。光纖傳感技術(shù)是近年來(lái)隨著智能材料與結(jié)構(gòu)在各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用而興起的一種全新的監(jiān)測(cè)手段。光纖傳感器具有體積小、重量輕、抗電磁干擾、信噪比高、測(cè)量對(duì)象范圍廣、與基體材料相容性好等特點(diǎn)，最適合于埋入式測(cè)量，因而使復(fù)合材料固化工藝過(guò)程的監(jiān)測(cè)成為可能。

根據(jù)復(fù)合材料的特點(diǎn)，用多種手段對(duì)復(fù)合材料的工藝全過(guò)程、多種參量進(jìn)行在線監(jiān)控。將光纖智能化在線監(jiān)測(cè)技術(shù)引入復(fù)合材料壓力容器生產(chǎn)工藝中，將大大提高復(fù)合材料成型工藝過(guò)程的效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能，降低工藝成本。實(shí)時(shí)獲取復(fù)合材料壓力容器服役條件下的狀態(tài)信息，對(duì)提高結(jié)構(gòu)安全與可靠性、降低維護(hù)成本以及理論模型的發(fā)展具有重要意義。通常所采用的一些復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)方法成本較高，設(shè)備復(fù)雜，不能實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。迫切需要建立一種有效的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確檢測(cè)損傷的形成以及損傷的位置。因此，將材料開(kāi)發(fā)、力學(xué)設(shè)計(jì)與在線監(jiān)測(cè)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，針對(duì)一些特殊的復(fù)合材料壓力容器服役環(huán)境有必要采用氦檢漏技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)、高精度變形測(cè)量技術(shù)、光纖健康監(jiān)測(cè)技術(shù)等，建立一套滿足復(fù)合材料壓力容器使用性能評(píng)價(jià)方法，為復(fù)合材料壓力容器的工程應(yīng)用提供相關(guān)的配套技術(shù)，保障其在特殊環(huán)境應(yīng)用的可靠性和安全性。

復(fù)合材料壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的發(fā)展，薄壁金屬內(nèi)襯成型技術(shù)的創(chuàng)新，纏繞成型工藝仿真技術(shù)的實(shí)現(xiàn)以及性能監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)體系的建立，為最大化地優(yōu)化了復(fù)合材料壓力容器個(gè)方面性能，解決了如航天，深海潛水等科學(xué)。

4 復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計(jì)及其典型結(jié)構(gòu)

4.1 復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計(jì)

復(fù)合材料壓力容器一般采用纖維纏繞工藝方法制造，由連續(xù)纖維提產(chǎn)品所需的強(qiáng)度和剛度。制造時(shí)一般采用延展性好的金屬材料如鋁、塑性塑料或橡膠傲內(nèi)襯以滿足容器的氣密性能和疲勞性能要求。設(shè)計(jì)上一般采用網(wǎng)絡(luò)理論，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析。

網(wǎng)絡(luò)理論認(rèn)為由纖維連續(xù)纏繞而成的（壓力容器）器纖維分布均勻，同時(shí)受力，不計(jì)基體剛度，載荷全部由纖維承擔(dān)。筒身可以進(jìn)行螺旋纏繞、螺旋纏繞加環(huán)向纏繞、螺旋纏繞加縱向鋪放、縱向鋪放加環(huán)向纏繞。封頭的形狀不能預(yù)先給定，必須通過(guò)計(jì)算決定，且網(wǎng)絡(luò)徽元必須以均衡型條件為前提，只能進(jìn)行螺旋或平面纏繞，不能進(jìn)行環(huán)向纏繞。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析獲得纏繞纖維的纏繞方向、纖維厚度和纖維應(yīng)力。

4.2 復(fù)合材料壓力容器的典型結(jié)構(gòu)

由于復(fù)合材料不同于鋼材的制造工藝壓，不能在筒體上方便地開(kāi)孔、接管等，復(fù)合材料壓力容器必須考慮復(fù)合材料的特有性能，其結(jié)構(gòu)的連接、密封等都有不同于鋼材的方法。

圖1介紹一個(gè)典型的軸對(duì)稱(chēng)圓柱形筒體復(fù)合材料壓力容器的結(jié)構(gòu)和制造過(guò)程。典型的壓力容器通常由接頭2，上部3，中部4和下部5構(gòu)成，6和7分別表示的是短纖維復(fù)合填料和長(zhǎng)纖維復(fù)合加強(qiáng)件。圖2表示的接頭是由短纖維復(fù)合材料層包圍的金屬適配器，用以連接管子、閥門(mén)等，以便裝載和排出物料，由于復(fù)合材料不適合經(jīng)常的螺紋裝配，需要使用金屬。在這種情況下，連接部分必須保證安全，由短纖維和樹(shù)脂組成的填料能夠較好地填進(jìn)槽中，將長(zhǎng)纖維加強(qiáng)件和金屬適配器緊密地連接起來(lái)。

本例的容器下部是向內(nèi)的，這適合于低壓的情況,而向外則適合于高壓的情況上部和中部、中部和下部之間通過(guò)金屬環(huán)連接，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。該結(jié)構(gòu)的壓力容器在制造時(shí)，用工具鋼或碳鋼做模.模通常分為上、下兩個(gè)部分，嚴(yán)格定義內(nèi)部空心部分的形狀。將待成型的容器做成上面所述的形狀，化工裝備在其內(nèi)部放置一個(gè)用尼龍做成的袋子，袋子端部有一個(gè)用以接受壓縮空氣的接頭。然后將成型的容器放進(jìn)模中，通入壓縮空氣，使得容器的材料膨脹，緊貼模的內(nèi)壁，最終制成所需的容器。由經(jīng)典的應(yīng)力分析可知，承受內(nèi)壓圓柱殼的周向應(yīng)力、軸向應(yīng)力和長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，容器的容積可以在不影響應(yīng)力的情況下通過(guò)改變而改變，該結(jié)構(gòu)的容器的改變是通過(guò)圖3中所示的金屬連接環(huán)的使用而實(shí)現(xiàn)。

結(jié)束語(yǔ)

復(fù)合材料壓力容器生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論、制備工藝、性能評(píng)價(jià)方法的不斷突破，使得復(fù)合材料壓力容器性能越來(lái)越高，從而能夠適應(yīng)更多的使用環(huán)境。社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和全球化給我國(guó)壓力容器行業(yè)帶來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇，同時(shí)也給復(fù)合材料壓力容器的帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。作為生產(chǎn)者的我們應(yīng)嚴(yán)格把好壓力容器的生產(chǎn)質(zhì)量關(guān)，以身作則，兢兢業(yè)業(yè)，生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)、安全的產(chǎn)品，為企業(yè)提高效益的同時(shí)，為社會(huì)創(chuàng)造財(cái)富。

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