2.1.2 缠绕层材料

    纤维材料选用符合标准的结构增强性玻璃纤维、芳纶纤维或碳纤维。采用碳纤维时，应采取措施，防止缠绕气瓶金属部件产生电化学腐蚀(在内胆外表面与碳纤维之间缠绕部分玻璃纤维；或对内胆外表面进行防腐处理等)。

    树脂选用热固性环氧树脂，按一定的比例配料，经过缠绕、固化工序后，验证其缠绕层抗拉强度和层间剪切强度是否达到保证值的要求，并据此制订合格、成熟的工艺路线和工艺手册。

    根据标准规定，缠绕气瓶在正常使用期间，其承压部件由于可能的质量退化会出现“未爆先漏”的失效模式^[3]。参照GB 5099—1994《钢质无缝气瓶》实际爆破压力计算公式S=p_b·D₀/(2.1R_m+p_b)^[4]，计算出内胆筒体满足最小爆破压力时的最小厚度；由缠绕气瓶最小爆破压力确定缠绕层数(金属内胆封头承担轴向拉应力，缠绕层只承受周向应力)；确定缠绕气瓶自紧压力极限范围(根据载荷、位移的边界条件及其有限元网格图，用应力分析的方法，计算自紧后缠绕气瓶在零压力、公称工作压力、水压试验压力和设计爆破压力下，缠绕层和内胆中的应力)；根据应力分析，确定最优化的结构；同时，计算缠绕气瓶在水压试验压力下的安全泄放量，据此选择安全泄放装置。该安全泄放装置应为易熔合金塞和爆破片复合式。

    1) 钢管进厂复验其化学成分，并采用超声检测方法检测其质量。经过中频加热旋压后，分别成型瓶肩和瓶底；瓶肩、瓶底形状应圆滑过渡，无突变；收底后，去除瓶肩、瓶底附近内壁皱折和其他缺陷，并保持圆滑过渡；同时用专用工具检查其内部。对气瓶内外表面进行抛丸处理，不允许有裂纹存在，表面应光滑平整，尽量减少应力集中。

    2) 为了得到满足性能和要求的金相组织，对金属内胆进行调质热处理，热处理后的力学性能控制在设定的范围之内，同时对内胆的金相组织进行检测，其纤维组织应为回火索氏体；晶粒度不低于6级；内外壁脱碳层深度不超过0.3mm，确保内胆组织不存在马氏体，避免发生氢脆。然后用磁粉和射线检测方法，检查其质量。

    3) 气瓶内胆缺陷易加剧气瓶氢脆、发生应力腐蚀。因而，必须控制其缺陷的产生。在热处理后，对内胆进行磁粉和射线探伤检查，不允许有任何裂纹存在，并对内胆的直线度、椭圆度等加以严格控制。

    4) 气瓶内壁的拉应力易导致氢脆。因此，对气瓶内壁进行喷丸处理，内表面形成局部压应力，使钢瓶内壁处于预压应力状态，改善其抗疲劳性能和抗氢脆能力。

    5) 对缠绕气瓶内壁进行防腐处理，防止氢向钢中扩散，产生氢脆。

    6) 纤维处理。纤维采用了增强浸润剂进行处理，存储不当会吸附大量的水分，纤维表面的这些游离水会影响树脂基体与纤维的黏合，使微裂纹等缺陷进一步扩展，从而使缠绕层强度和耐老化性能下降^[5]。因此，纤维使用前需进行烘干处理(60～80℃下烘干24h)。

    7) 浸胶及胶液含量。胶液含量的变化及分布对缠绕气瓶质量的影响较大：①会直接影响缠绕气瓶的厚度控制；②若含胶量过高，缠绕层的强度会降低，含胶量过低，则耐老化性能及剪切强度又会下降，同时也影响纤维强度的发挥。因此，需严格控制纤维缠绕的含胶量，保证整个缠绕过程中的含胶量均匀。实际操作中将含胶量控制在17%～25%之间。影响含胶量的因素较多，主要有胶液黏度、缠绕张力、浸胶时间等。同时胶液温度也与缠绕气瓶质

量息息相关，因此，通常在浸胶槽下装备恒温水箱，以控制胶液温度。水温控制在20～40℃，胶液黏度控制在0.35～1.0Pa·s。

    8) 连续、成熟的缠绕、固化技术。缠绕张力是缠绕工艺的重要参数。张力大小、各束纤维间张力的均匀性以及各缠绕层之间纤维张力的均匀性等都直接影响着缠绕气瓶的质量。因此，采用专用设备控制其缠绕张力的大小和变化，限制缠绕速度。湿法缠绕纱线速度不超过0.9m/s，同时气瓶内胆旋转速度也不能过高，否则，胶液会在离心力作用下，向外迁移和溅洒。缠绕角是纤维缠绕方向与气瓶内胆轴向之间的夹角。对于环向缠绕气瓶，其缠绕角接近于90°。缠绕角与纤维缠绕纱片宽度有直接关系。经测算，缠绕时，纱片宽度不宜大于24mm，以便纤维受力最大限度地用于环向。

    9) 对固化后的缠绕气瓶进行自紧处理。自紧是制造缠绕气瓶时对金属内胆的加压过程，使内胆应变超过其屈服点，足以引起永久性的塑性变形。加压的结果，使缠绕气瓶内部在零压力时，内胆具有压应力，纤维具有拉应力。这样，有利于提高缠绕气瓶的承载能力、改善其抗疲劳性能和抗氢脆能力。

    缠绕气瓶的安全性既与金属内胆化学成分、力学性能有关，又与其缠绕层质量和制作工艺密不可分。主要从以下方面来控制缠绕气瓶的安全性：

    1) 限定金属内胆材料中硫和磷的含量，要求含硫量小于0.02%，含磷量小于0.02%，硫磷总量小于0.03%。

    2) 限制金属内胆实际抗拉强度值，要求σ_b不高于880MPa，屈强比不大于0.85。

    3) 要求金属内胆材料有较高塑性，其断后伸长率不小于14%，3个试样冲击功平均值不低于30J。

    4) 控制金属内胆初始缺陷尺寸，并采取内胆内壁喷丸和外壁抛丸的工艺保障措施。

    5) 对缠绕气瓶内壁进行防腐处理。

    6) 采用自紧工艺，使内胆与纤维缠绕层紧密贴合，成为连续受力体，使缠绕气瓶在零压力时，内胆具有压应力，纤维具有拉应力，以此来提高缠绕气瓶的承载能力和延长其使用寿命。

    综上所述，针对影响缠绕气瓶安全性的因素，从材料、设计、制造、验收等各个环节采取有效措施，尤其是限制金属内胆实际抗拉强度上限值和对内胆内壁进行防腐处理，对于降低氢脆等危害的产生，提高缠绕气瓶的安全性非常重要，并在实践中取得了良好的效果。

[1] 化学工业部化工机械研究院.腐蚀与防护手册——腐蚀理论、试验及监测[M].北京：化学工业出版社，1989.

[2] 秋长鋆.高强度钢在常温高压氢气中的氢脆[J].中国锅炉压力容器安全，1999(6).

[3] IS011439—2000天然气汽车车载高压气瓶[S].[出版地不详]：[出版者不详]，2000.

[4] 国家技术监督局.钢质无缝气瓶[S].北京：中国标准出版社，1995.