薄壁金屬內(nèi)襯纖維復(fù)合材料纏繞壓力容器及其制造工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及壓力容器領(lǐng)域，具體為一種薄壁金屬內(nèi)襯纖維復(fù)合材料纏繞壓力容器及其制造工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬內(nèi)襯纖維復(fù)合材料纏繞壓力容器由雙層結(jié)構(gòu)組成，內(nèi)層為內(nèi)襯，其材料可為鋁合金、不銹鋼、純鈦、鈦合金及科乃爾合金等;外層為纖維復(fù)合材料纏繞層(即殼體)，其與內(nèi)襯的組合方式為，在內(nèi)襯外表面上纏繞一定層數(shù)經(jīng)樹脂浸漬過的纖維復(fù)合材料，并固化成型。壓力容器的筒身段為圓筒狀，兩端具有半球形或橢球形的封頭。作為壓力流體儲存裝置，纖維復(fù)合材料纏繞層是內(nèi)壓載荷的主要承載結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯也承擔(dān)部分內(nèi)壓載荷，主要起密封介質(zhì)，提供纖維復(fù)合材料纏繞芯模和對外接口的作用。
[0003]由于金屬材料和纖維復(fù)合材料的彈性性能相差較大，金屬內(nèi)襯纖維復(fù)合材料纏繞壓力容器在重復(fù)加卸載循環(huán)過程中金屬內(nèi)襯與纖維復(fù)合材料纏繞層的變形不協(xié)調(diào)。在工作壓力作用下，纖維復(fù)合材料纏繞層始終處在彈性變形內(nèi)，而金屬內(nèi)襯則承擔(dān)部分內(nèi)壓載荷并膨脹受拉進(jìn)入塑性變形階段，其應(yīng)力水平相對較高。卸載時，復(fù)合材料層發(fā)生完全彈性回復(fù)，金屬內(nèi)襯只能發(fā)生彈性部分回復(fù)，很大一部分塑性變形無法恢復(fù)，金屬內(nèi)襯中出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力，致使在重復(fù)加卸載循環(huán)過程中，金屬內(nèi)襯受外壓屈曲，造成金屬內(nèi)襯與纖維復(fù)合材料纏繞層間的界面脫粘失效，導(dǎo)致壓力容器發(fā)生泄露，從而限制了壓力容器的許用載荷，降低了壓力容器的耐疲勞和抗爆破性能。為使金屬內(nèi)襯能夠經(jīng)歷重復(fù)循環(huán)的拉壓應(yīng)力狀態(tài)而不失效，常需要較厚的金屬內(nèi)襯，造成壓力容器重量上升幅度較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的一個目的在于公開一種薄壁金屬內(nèi)襯纖維復(fù)合材料纏繞壓力容器，該壓力容器通過內(nèi)襯筒身段的壁面為波紋狀，且增加彈性材料填充層，在內(nèi)壓載荷重復(fù)加卸載循環(huán)過程中，內(nèi)襯筒身段的應(yīng)力水平得到顯著降低，解決了內(nèi)襯和纖維復(fù)合材料纏繞層與鄰接層之間界面容易脫粘失效的問題。
[0005]為解決技術(shù)問題，本發(fā)明采用的具體技術(shù)手段如下:
[0006]—種薄壁金屬內(nèi)襯纖維復(fù)合材料纏繞壓力容器，所述壓力容器包括內(nèi)襯和纖維復(fù)合材料纏繞層;所述內(nèi)襯包括內(nèi)襯筒身段，以及設(shè)置在所述內(nèi)襯筒身段兩端的內(nèi)襯封頭段；其特征在于，所述內(nèi)襯筒身段為薄壁金屬管狀結(jié)構(gòu)，且其壁面為波紋狀;所述壓力容器還包括包覆在所述內(nèi)襯筒身段外部的彈性材料填充層;所述纖維復(fù)合材料纏繞層包覆在所述彈性材料填充層和內(nèi)襯封頭段的外部。
[0007]進(jìn)一步地，所述壁面具有垂直于所述內(nèi)襯筒身段的中心軸線的波紋。
[0008]進(jìn)一步地，所述壁面具有平行于所述內(nèi)襯筒身段的中心軸線的波紋。
[0009]進(jìn)一步地，所述波紋的波形為正弦波。
[0010]進(jìn)一步地，所述壓力容器的外徑為2η，所述波形的曲率為p，其中，p<5/ri。
[0011]進(jìn)一步地，所述壓力容器的內(nèi)徑為2r2，所述內(nèi)襯的厚度為a，其中，2X 10—3r2 <a<IX 10? ο
[0012]更進(jìn)一步地，所述彈性材料填充層采用橡膠材料。
[0013]本發(fā)明的另一個目的在于公開一種薄壁金屬內(nèi)襯纖維復(fù)合材料纏繞壓力容器的制造工藝，其特征在于，包括以下步驟:
[0014]S1、用薄壁金屬材料制造內(nèi)襯，其中內(nèi)襯筒身段為波紋狀；
[0015]S2、在內(nèi)襯筒身段外部包覆彈性材料，彈性材料與內(nèi)襯筒身段的外表面毗連，并充分填充內(nèi)襯筒身段波紋的波谷，形成彈性材料填充層，為纖維復(fù)合材料纏繞層提供纏繞界面；
[0016]S3、在所述彈性材料填充層外表面上分層纏繞經(jīng)樹脂浸漬過的纖維復(fù)合材料，并固化成型，形成纖維復(fù)合材料纏繞層。
[0017]進(jìn)一步地，纖維復(fù)合材料層采用反對稱角鋪設(shè)方式纏繞。
[0018]更進(jìn)一步地，在內(nèi)襯筒身段外部包覆彈性材料前，先對內(nèi)襯筒身段外表面采用細(xì)砂進(jìn)行噴砂粗化處理，再進(jìn)行磷化處理并輔以溶劑去油處理，然后在內(nèi)襯筒身段外表面均勻涂抹粘合劑。
[0019]本發(fā)明提供的壓力容器的內(nèi)襯筒身段為薄壁金屬管狀結(jié)構(gòu)，且其壁面為波紋狀，在內(nèi)壓載荷重復(fù)加卸載循環(huán)過程中，內(nèi)襯筒身段的應(yīng)力水平顯著降低，內(nèi)襯筒身段絕大部分區(qū)域可始終處在彈性變形內(nèi)，僅在內(nèi)襯筒身段的波紋的波峰與波谷過渡處的極少部分區(qū)域應(yīng)力水平較高，可能會進(jìn)入塑性變形階段;減少了內(nèi)襯承擔(dān)的內(nèi)壓載荷，更充分地發(fā)揮內(nèi)襯的密封作用，使內(nèi)壓載荷更加完整、均勻及平緩地經(jīng)由彈性材料填充層傳遞給纖維復(fù)合材料纏繞層承擔(dān)，避免了內(nèi)襯中出現(xiàn)重復(fù)循環(huán)拉壓應(yīng)力狀態(tài)，降低金屬內(nèi)襯工作失效及界面層之間發(fā)生脫粘現(xiàn)象的可能性，從而提高了壓力容器的許用載荷及其耐疲勞和抗爆破性會泛。
[0020]內(nèi)襯和纖維復(fù)合材料纏繞層之間具有彈性材料填充層。由于纖維復(fù)合材料纏繞層與內(nèi)襯的電極電位存在一定的差異，如果該壓力容器是在潮濕的環(huán)境中工作，存在金屬內(nèi)襯被電化學(xué)腐蝕的危險，通過在內(nèi)襯和纖維復(fù)合材料纏繞層之間加入絕緣的彈性材料填充層，不僅可以避免金屬內(nèi)襯被電化學(xué)腐蝕，而且可以改善內(nèi)襯與纖維復(fù)合材料纏繞層之間的載荷傳遞狀態(tài)，提高壓力容器整體性能。
[0021]本發(fā)明提供的壓力容器的內(nèi)襯筒身段的壁面為波紋狀，其波形采用光滑平緩、曲率變化不大的正弦波形，可避免產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，并可將內(nèi)壓載荷完整、均勻地傳遞給外層結(jié)構(gòu)。
[0022]纖維復(fù)合材料層采用反對稱角鋪設(shè)方式纏繞，有效避免了纖維復(fù)合材料纏繞層(壓力容器的筒身)發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。
【附圖說明】
[0023]為了更清楚地說明本申請實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請中記載的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0024]圖1為本發(fā)明第一種實(shí)施方式的壓力容器部分截面立體圖；
[0025]圖2為本發(fā)明第一種實(shí)施方式的內(nèi)襯部分截面立體圖；
[0026]圖3為本發(fā)明第一種實(shí)施方式的壓力容器橫截面示意圖；
[0027]圖4為本發(fā)明第二種實(shí)施方式的內(nèi)襯立體圖；
[0028]圖5為本發(fā)明第二種實(shí)施方式的壓力容器軸截面示意圖；
[0029]圖6為反對稱角鋪設(shè)示例圖。
[0030]圖中:1、內(nèi)襯，10、內(nèi)襯筒身段，11、內(nèi)襯封頭段，2、彈性材料填充層，3、纖維復(fù)合材料纏繞層，4、介質(zhì)進(jìn)出口。
【具體實(shí)施方式】
[0031]為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0032]如圖1-圖3所示的第一種實(shí)施方式的薄壁金屬內(nèi)襯纖維復(fù)合材料纏繞壓力容器，包括內(nèi)襯1、彈性材料填充層2、纖維復(fù)合材料纏繞層3和介質(zhì)進(jìn)出口(未示出)。
[0033]內(nèi)襯1包括薄壁金屬管狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)襯筒身段10，以及設(shè)置在內(nèi)襯筒身段10兩端的內(nèi)襯封頭段11。其中，內(nèi)襯筒身段10的壁面為波紋狀，其壁面具有垂直于內(nèi)襯筒身段的中心軸線的波紋;波紋應(yīng)采用光滑平緩、曲率變化不大的波形，避免出現(xiàn)尖角、產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，使內(nèi)壓載荷完整、均勻地傳遞給外層結(jié)構(gòu)。內(nèi)襯1的材料采用鋁6061T6。設(shè)定壓力容器的外徑為2ri，內(nèi)徑為2r2，其中內(nèi)徑為壓力容器內(nèi)部的最小直徑，波形的曲率為ρ，內(nèi)襯1的厚度為a，詳見圖3。
[0034]作為一種優(yōu)選的實(shí)施方式，波紋的波形采用正弦波。
[0035]作為另一種優(yōu)選的實(shí)施方式，波形的曲率5/ri。
[0036]作為又一種優(yōu)選的實(shí)施方式，內(nèi)襯1的厚度要求為2X 10—3r2 <a<lX 10—2r2。
[0037]彈性材料填充層2包覆在內(nèi)襯筒身段10的外部，彈性材料應(yīng)將內(nèi)襯1壁面的波紋的波谷充分填滿，并使其外表面形成光滑的圓柱面，以給纖維復(fù)合材料纏繞層3提供纏繞界面。彈性材料填充層2所使用的材料應(yīng)是彈性近似不可壓縮的，其彈性模量應(yīng)盡量小，通常應(yīng)小于lOOMPa，以使內(nèi)壓載荷能夠有效的傳遞給纖維復(fù)合材料層。
[0038]作為一種優(yōu)選的實(shí)施方式，彈性材料填充層2采用橡膠材料。
[0039]纖維復(fù)合材料填充層3為在彈性材料填充層2外表面上纏繞一定層數(shù)經(jīng)樹脂浸漬過的纖維復(fù)合材料，并固化成型。其中纖維復(fù)合材料可選用碳纖維、芳綸纖維或玻璃纖維等，樹脂基體材料可選用聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂或酚醛樹脂等。
[0040]在纏繞纖維復(fù)合材料時，為保證壓力容器質(zhì)量，采用分層固化工藝，即在彈性材料填充層2上先纏繞一定厚度的纖維，使其固化，再纏繞第二次，使其固化，直至產(chǎn)品厚度達(dá)到設(shè)計要求。
[0041]對纖維復(fù)