張瑜

摘 要：隨著我國經濟建設的快速發(fā)展，城市化和工業(yè)化進程不斷加快，高層、大型復雜建筑越來越多，火災規(guī)模越來越大，進入縱深越來越遠，對呼吸器用復合氣瓶[1]的使用時間，質量等要求也越來越高。

關鍵詞：呼吸器 復合氣瓶 質量 控制

中圖分類號：TH49 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（b）-0216-01

目前，國外空氣呼吸器普遍使用額定工作壓力為20 MPa、30 MPa的復合氣瓶，國內亦然。美國SCOTT公司與Luxfer Inc.氣瓶公司共同研發(fā)，于2012年1月開發(fā)出了額定工作壓力為5500 PSI（約38 MPa）的空氣呼吸器用復合氣瓶，獲得了美國職業(yè)安全與衛(wèi)生研究院（NIOSH）和美國消防協會（NFPA）認可。此氣瓶外形輪廓減小了11%，重量減輕了15%，有效降低了使用者的疲勞感。

上海天海復合氣瓶有限公司則是：在氣瓶容積不變的前提下，通過提升氣瓶的工作壓力（40 MPa）來增加氣瓶的儲氣量，從而有效增加使用時間。兩者目的不同，但手段相同，都是通過提升氣瓶的額定壓力來達到目的。

1 40 MPa氣瓶的設計過程質量控制要點

由于復合氣瓶目前都需要采用專業(yè)的設計分析軟件（如ANSYS）對氣瓶進行分析計算，確定高壓氣瓶的應力載荷分布、復合層材料的厚度以及纏繞方式等，同時根據試驗進一步驗證理論設計的正確性，所以40 MPa氣瓶的設計過程質量控制要點在于通過分析計算結果，選擇適合的原材料、工藝方案及驗證方式確保復合氣瓶質量。

1.1 復合氣瓶的結構

本文探討的復合氣瓶是由無縫鋁合金內膽外表面采用碳纖維、玻璃纖維進行有序鋪層纏繞而成的高壓復合氣瓶[2]。鋁內膽碳纖維全纏繞復合氣瓶，主要承載結構是由鋁內膽和碳纖維纏繞層。

鋁內膽外碳纖維纏繞層是由縱向纏繞纖維層和環(huán)向纏繞纖維層按優(yōu)化設計鋪層次序進行交替纏繞而成，玻璃纖維纏繞層及外層涂層作為保護碳纖維承載結構層的保護層。

1.2 40 MPa復合氣瓶的工藝方案

（1）無縫鋁合金內膽內膽合理的構形是氣瓶設計的起點，設計時需要綜合考慮性能、氣瓶外形和工藝等要求。采用鋁板拉伸成型的無縫，首先鋁板拉伸形成杯狀胚料，并通過多次拉伸成型鋁合金內膽工藝技術，不同于鋁錠沖壓技術，該加工工藝能使鋁板通過多次拉伸、均勻變薄，并對封頭部分采用漸變后設計，提高鋁合金內膽壁厚的均勻性及可控性。

（2）碳纖維纏繞層，高壓碳纖維全纏繞復合氣瓶是用碳纖維在外層進過優(yōu)化鋪層纏繞而成的復合氣瓶，其中碳纖維的壓力承載達到75%～95%。所以碳纖維的鋪層設計尤為重要。碳纖維纏繞層不僅對氣瓶的疲勞壽命及爆破壓力有著巨大的影響，影響氣瓶失效模式。

1.3 40 MPa復合氣瓶的性能實驗驗證方式選擇

鋁內膽碳纖維全纏繞復合氣瓶為金屬材料和非金屬材料共同組成，不能夠通過簡單的理論計算公式進行分析，對于此類氣瓶一般都是采用試驗導向型進行驗證設計的符合性。

由于國內外市場還沒有40 MPa高壓力的鋁內膽碳纖維全纏繞復合氣瓶用于空氣呼吸器的實例，同時國內亦沒有空氣呼吸器氣瓶相關標準。為此，根據國際上相關產品標準ISO 11119-2-2002《復合結構氣瓶 規(guī)范和試驗方法第2部分：金屬內膽承載全纏繞纖維增強復合氣瓶》確定氣瓶的主要參數及對產品的符合性、安全性進行驗證實驗項目[3]。

2 40 MPa復合氣瓶制造過程質量控制要點

2.1 40 MPa復合氣瓶內膽制造過程質量控制要點

（1）鋁內膽成型工藝，鋁合金內膽在整個復合氣瓶結構中起密封作用。由于復合氣瓶需要進行多次的充氣放氣過程（按照復合氣瓶10～15年的使用壽命，平均每天2次充氣放氣，約7300～10000次），對氣瓶內膽的壁厚度均勻性具有較高的要求。壁厚均勻性越好，對于使用壽命具有顯著提高。

（2）熱處理控制，無縫鋁內膽制造過程中，需要進行固溶化熱處理。在熱處理過程中，要控制加熱（升溫）、保溫、降溫三個階段。應當強調的是，在調質處理的淬火階段和固溶處理的降溫階段，要有足夠快的冷卻速度。

2.2 40 MPa復合氣瓶制造過程質量控制要點

（1）原材料控制，鋁合金內膽和復合材料是40 MPa復合氣瓶的最重要組成部分，40 MPa復合氣瓶使用的復合材料包括碳纖維、玻璃纖維、環(huán)氧樹脂、固化劑等。在制造過程中，原材料的控制直接決定著產品質量的好壞。所以一定要建立原材料的進廠檢驗規(guī)程及原材料的保存、發(fā)放領用、過期處理等程序。

（2）自緊/水壓試驗控制，水壓試驗是使用水對氣瓶進行加壓到試驗壓力，并保持試驗壓力一定的時間，最后卸去壓力并觀察氣瓶膨脹量、變形量等數據的試驗。

氣瓶自緊是使用水對氣瓶進行加壓到自緊壓力，并保持自緊壓力一定的時間，使內膽充份膨脹產生塑性變形及產生屈服的試驗。

（3）疲勞、爆破試驗控制，疲勞試驗是模擬氣瓶在使用壽命期間，不斷進行加壓卸壓的試驗。以驗證氣瓶滿足壽命要求。

爆破試驗是通過不斷對氣瓶加壓直至爆破，觀察爆破數據以驗證氣瓶的安全性。

從通過自緊/水壓試驗合格的一批氣瓶抽出氣瓶做疲勞、爆破試驗，理論上每一只氣瓶的耐壓性和壽命的差異性幾乎不大。只有使用同一制造工藝，相同的材料才能使氣瓶的水壓數據保持在一個相同的區(qū)間。因此關注疲勞、爆破試驗數據同樣重要。

參考文獻

[1] 國家標準.呼吸器用復合氣瓶（GB28053-2011）[S].

[2] 企業(yè)標準.鋁內膽碳纖維全纏繞呼吸器用高壓復合氣瓶（Q/JB THB0033-2012）[S].北京天海工業(yè)有限公司.

[3] Gas cylinders of composite construction-Specification and test methods -Part 2：Fully wrapped fiber reinforced composite gas cylinders with load-sharing metal liners.ISO 11119-2：2002[S].endprint