国内复合材料气瓶发展及气瓶标准概况
碳纤维复合材料储氢气瓶发展及应用
碳纤维复合材料储氢气瓶发展及应用氢能源及储氢氢能作为一种零碳能源，具有来源丰富、洁净环保、燃烧值高、无污染、可储运等一系列优点，被誉为21世纪最具发展潜力的二次能源。
氢能利用形式广泛，氢燃料电池汽车、燃料电池叉车、燃料电池电站、通讯基站应急备用电源等氢能利用典型产品已逐步推广，这对解决世界面临的能源和环境问题具有重要意义。
氢能利用完整链条包括生产、储存、运输、应用等几方面，而决定氢能是否广泛应用的关键是安全可靠的储氢技术。
车载储氢技术主要包括高压气态储氢、低温液态储氢、固体储氢和有机液体储氢。
其中，高压储氢因具有设备结构简单、压缩氧气制备能耗低、充装和排放速度快等优点而备受重视，是目前占绝对主导地位的氢能储输方式。
综合考虑压缩能耗、续驶里程、基础设施建设、安全等因素，高压储氧气瓶的公称工作压力一般为35-70MPa。
高压储氧气瓶主要分为四个类型：全金属气瓶( Ⅰ型) 、金属内胆纤维环向缠绕气瓶( Ⅱ型) 、金属内胆纤维全缠绕气瓶( Ⅲ型) 、非金属内胆纤维全缠绕气瓶( Ⅳ型)。
其中，Ⅰ型、Ⅱ型重容比大，难以满足氢燃料电池汽车的储氬密度要求。
Ⅲ型、Ⅳ型瓶因采用了纤维全缠绕结构，具有重容比小、单位质量储氧密度高等优点，目前已广泛应用于氧燃料电池汽车。
高压储气瓶材料的发展及应用复合材料高压储气瓶的发展始于 20 世纪 50 年代，储气瓶具有质量轻、高强度、高模量和可设计性强等特点，被广泛应用于航空航天、建筑、汽车、火箭等重要领域。
早期的复合高压气瓶的形成主要是玻璃纤维、芳纶纤维等浸渍树脂逐层缠绕铝或者钢内胆上， 60 年代开始开始出现了新型材料即硼纤维和碳纤维增强复合材料。
美国在1972 年开始使用纯金属的铝合金气瓶，1975年研制出复合材料缠绕铝内胆的高压气瓶，这一研制成果使气瓶质量仅有钢瓶的百分之三十五。
由于复合材料的具有高模量、高强度、质量轻和抗腐蚀性强等优点，使用玻璃纤维增强材料制造的高压气瓶只有钢制气瓶的重量的三分之二，而使用碳纤维复合材料制造的高压气瓶的重量只有钢制内胆气瓶的重量的三分之一，因此对碳纤维复合材料高压气瓶的研究人员越来越多。
2024年气瓶市场分析现状
2024年气瓶市场分析现状1. 引言气瓶是指用于存放和运输气体的一种专用容器。
随着工业化的进程和人们对能源需求的不断增加，气瓶市场也得到了极大的发展。
本文将对当前气瓶市场进行分析，并探讨其现状。
2. 气瓶市场规模气瓶市场在过去几年中不断扩大，预计未来几年仍将保持增长势头。
根据市场研究报告，全球气瓶市场规模从2016年的X亿美元增长到了2019年的Y亿美元。
这主要得益于行业的技术进步、环境保护等因素的推动。
3. 气瓶市场主要应用领域气瓶广泛应用于各个行业，主要包括工业、医疗、航空航天、能源等领域。
工业领域是气瓶最主要的使用领域，占据了市场的大部分份额。
医疗行业的发展也推动了气瓶市场的增长，医用气瓶在临床治疗、急救等方面发挥着重要作用。
4. 气瓶市场发展动态4.1 技术进步随着科技的不断进步，气瓶的制造工艺和材料得到了改进。
例如，高强度合金材料的应用使气瓶的强度和安全性能得到提升。
此外，一些新型气瓶技术的出现进一步推动了市场的发展，如复合材料气瓶、智能化气瓶等。
4.2 环保意识增强环保意识的提高对气瓶市场也产生了积极的影响。
传统燃料的燃烧产生的有害物质对环境和健康造成了影响，而气瓶作为清洁能源的媒介，被越来越多地应用于替代传统能源。
这进一步推动了气瓶市场的发展。
4.3 国际贸易和合作气瓶市场的发展也离不开国际贸易和合作。
一些国家和地区拥有丰富的气瓶资源，并将其出口到全球各地。
同时，不同国家和地区之间的合作也促进了气瓶技术和市场的发展。
5. 气瓶市场竞争格局目前，全球气瓶市场呈现出较为分散的竞争格局。
市场上存在着许多气瓶生产商和供应商，其中一些大型企业拥有较高的市场份额。
这些企业通过技术创新、产品质量和服务等方面的优势与其他企业竞争。
6. 气瓶市场面临的挑战和机遇6.1 挑战气瓶市场也面临着一些挑战。
首先是安全性问题，气瓶的设计、制造和使用都需要严格的标准和控制，以确保其安全性。
其次，一些国家和地区对气瓶的进口和出口设立了限制和监管措施，这对市场发展提出了一定的挑战。
科技成果——复合材料天然气气瓶(CNG气瓶)
科技成果——复合材料天然气气瓶（CNG气瓶）主要研究内容天然气（CNG）是优质、高效的清洁能源。
用天然气替代传统的汽油、柴油作为汽车燃料，可使CO排放量减少97%，CH化合物减少72%，NO化合物减少39%，噪音减少40%，是汽车行业实现环保、节能的一种有效方式之一。
复合材料气瓶（CNG气瓶和LNG气瓶）具有高比强度、高比模量的特点，是贮存压缩天然气的关键容器，已被列入国家新材料领域重点发展的方向。
哈尔滨工业大学在国家“863”计划、国家自然基金和省市等相关科技计划的支持下，经过十余年的科研攻关，研制出了一系列具有独立自主知识产权的高性能轻量化复合材料高压气瓶，相对同容积、同压力的金属压力容器减重70%，达到国际先进水平，获授权发明专利13项，先后荣获国家技术发明二等奖1项、黑龙江省技术发明一等奖1项、国防技术发明二等奖1项。
制定“复合材料压力容器”国家军用标准2项。
现已形成容积6L-1500L、工作压力5MPa-36MPa、重量6kg-66kg的系列化高性能复合材料气瓶产品系列。
大庆作为国内第一大油田，是我国重要的石油化工基地，具有雄厚的基础。
本项目可结合哈尔滨工业大学在复合材料气瓶设计与制备方面的科研实力以及大庆在油气、天然气资源的开发、利用方面的优势，合作开发复合材料天然气气瓶，开拓新的经济增长点。
市场前景复合材料天然气气瓶的研发具有广阔的市场前景，尤其对气体能源的存储、新能源汽车的设计制造有着重要的影响。
据统计，国民生产总值每增加1%，压力容器的需求量就增加1.5%，而国际市场每年大约以5%的速度增长。
据悉，全世界有300万只复合材料气瓶在运行。
到21世纪中叶，汽车以石油作燃料的时代将会结束。
寻求新的汽车能源，降低汽车排放污染是燃气汽车发展的动力。
高性能超轻量化复合材料压力容器的发展已被列入国家新材料领域的重点项目，符合国家及地区经济发展的需求。
同时，复合材料高压气瓶还可以应用在航空航天、石油化工、民用储气贮液等领域。
复合材料LNG气瓶的现状及未来展望
㊀第１０期㊀㊀收稿日期:２０２１－０２－１８作者简介:李蔚(１９６５ )ꎬ高级工程师ꎬ硕士ꎬ１９９３年毕业于华南理工大学金属材料专业ꎬ目前从事低温容器的检验与研究ꎻ通信作者:张耕ꎮ复合材料ＬＮＧ气瓶的现状及未来展望李蔚ꎬ张耕ꎬ谭粤ꎬ夏莉ꎬ杨刚ꎬ徐瑶(广东省特种设备检测研究院ꎬ广东佛山㊀５２８０００)摘要:介绍了ＬＮＧ气瓶的使用情况以及复合材料ＬＮＧ气瓶中的应用发展概况ꎬ简述了现阶段面临的实际问题和基本情况ꎮ从气瓶产品本身出发ꎬ结合气瓶行业发展情况ꎬ从选材㊁设计㊁制造㊁检验环节探讨了复合材料ＬＮＧ气瓶的合理性以及可行性问题ꎬ提出了未来发展的展望和研究的思路ꎮ关键词:复合材料ꎻＬＮＧ气瓶ꎻ液化天然气中图分类号:ＴＢ３３２ꎻＴＥ８㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀㊀文章编号:１００８－０２１Ｘ(２０２１)１０－００６３－０２㊀㊀通常气体液化后体积会变成原来的几千分之一ꎬ便于贮藏和运输ꎮ现实中某些气体如氢(－２５３ħ)㊁氮(－１９６ħ)㊁天然气(－１６２ħ)等的临界液化温度很低ꎬ在加压的同时必须进行深度冷却ꎬ实现液化ꎮ而低温绝热气瓶作为一种十分常见的储运低温冷冻液化气体的特种设备ꎬ目前被广泛应用于化工㊁机械和国民经济的各个领域ꎮ目前ꎬ使用卧式低温绝热气瓶承装天然气燃料的液化天然气(ＬＮＧ)公交车因为其燃料环保㊁经济高效㊁行驶平稳的特点ꎬ并有助于改善城市空气质量而被广泛的推广应用ꎮ截止２０１５年年底我国ＬＮＧ汽车保有量约为２３万辆ꎻ根据国家天然气发展十三五规划ꎬ到２０２０年ꎬ我国ＬＮＧ汽车的保有量将达到４０~５０万辆ꎮ目前ꎬＬＮＧ气瓶生产企业达８０余家ꎬ２０１２年我国车用气瓶产量为４.７６３１万个ꎬ２０１４－２０１６年受天然气价格影响ꎬＬＮＧ汽车销量不及预期ꎬＬＮＧ车用气瓶销量数据不佳ꎬ２０１７年我国ＬＮＧ汽车产销量又出现跳跃式增长ꎬ车用气瓶年产量达到１０.５１２３万个[１]ꎬ２０１２－２０１７年中国ＬＮＧ车用气瓶产量见图１ꎮ图１㊀２０１２－２０１７年中国ＬＮＧ车用气瓶产量㊀㊀随着我国天然气资源的不断发现㊁天然气进口量的增加以及各地ＬＮＧ加气站的不断建设ꎬＬＮＧ汽车有了更广阔的发展前景ꎮ随着各地大力推广ＬＮＧ公交车㊁客车等城市公交体系以及ＬＮＧ重型卡车ꎬ此ＬＮＧ车用气瓶的中国市场已经蓄势待发ꎮ２０１５年我国车用气瓶市场需求达到１５.８万个ꎬ２０１７年达到３４.６万个ꎬ２０１２－２０１７年中国ＬＮＧ车用气瓶需求量见图２ꎮ㊀㊀未来ꎬ东南沿海地区将以ＬＮＧ汽车为主ꎬ包括浙江㊁福建㊁广东㊁上海㊁海南和广西等地ꎮ广东各城市都有ＬＮＧ加气站的建设规划ꎬ其中广州规划２０２０年建ＬＮＧ加气站１２６座ꎬ东莞规划２０２０年建８１座ꎮ深圳也出台政策对ＬＮＧ重卡给予补贴ꎬ以推动ＬＮＧ能源的使用ꎮ未来的车用ＬＮＧ瓶的数量将出现爆发式增长ꎮ现阶段的ＬＮＧ车载气瓶一般是由不锈钢制造的具有内外双层结构的容器ꎬ其中内胆负责承压并装在ＬＮＧ液体ꎬ外壳与内胆形成夹层并添加多层绝热材料并高真空处理成为绝热层ꎬ不锈钢耐低温性能好㊁可加工性高ꎬ应用得相对比较成熟ꎮ但另一方面ꎬ由于不锈钢材质有密度大ꎬ传热效果好等特点ꎬ气瓶有着自身过重ꎬ绝热效果不佳等劣势ꎮ图２㊀２０１２－２０１７年中国ＬＮＧ车用气瓶需求量１㊀复合材料ＬＮＧ气瓶的现状通常情况ꎬＬＮＧ气瓶通常选用金属材料作为气瓶内胆材质ꎬ在ＩＳＯ２１０２８－１<Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｖｅｓｓｅｌｓ－Ｔｏｕｇｈｎｅｓｓｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｍａｔｅｒｉａｌｓａｔｃｒｙｏｇｅｎｉｃｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－Ｐａｒｔ１:Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｂｅｌｏｗ－８０ħ>中ꎬ由于液化天然气的临界液化温度在－１６２ħꎬ所以标准推荐使用的内胆材料为不锈钢㊁铝合金㊁铜合金三种ꎮ相比较而言ꎬ铝合金㊁铜合金的热导率更大ꎬ焊接收缩率更高ꎬ所以在实际产品应用中使用较少ꎮ面对市场上越来越强烈的高端化㊁轻量化的产品需求ꎬ耐低温㊁低热导率㊁高强度的复合材料ＬＮＧ气瓶成为了未来潜在的发展方向之一ꎮ复合材料具有低质量㊁高强度㊁高耐蚀性以及方便设计等多种优点ꎬ在航空航天㊁机械工程等各个领域有着广泛应用ꎮ而复合材料气瓶由于具有高强度㊁高质量密度㊁失效模式安全㊁较好的抗腐蚀及疲劳等性能等一系列特点ꎬ已经被广泛地应用于航天技术中ꎮ并在高压气瓶领域ꎬ有着较为成熟的应用ꎬ像呼吸气瓶㊁储氢气瓶等用途中都基本采取的复合材料气瓶ꎮ对于全复合材料低温气瓶ꎬ复合材料内胆结构不仅仅要起到承载介质的作用ꎬ还需要对低温液体具有良好的密封的作用ꎬ同时兼具较好的绝热保温性能和真空维持性能ꎮ因此ꎬ研究复合材料的低温性能ꎬ包括低温力学性能㊁低温载荷㊁化学相容性以及低温下的导热系数和出气率等具有重要意义ꎮ目前ꎬ３６ 李蔚ꎬ等:复合材料ＬＮＧ气瓶的现状及未来展望山㊀东㊀化㊀工许多学者已经论证了聚合物基复合材料作为气瓶材料应用的必要性和可行性[２]ꎮ同时ꎬ对无衬低温复合气瓶的低温包容性和化学相容性的研究也取得了重要成果ꎬ为低温复合气瓶的研究奠定了坚实的基础ꎮ进一步研究开发低温复合气瓶是节能环保㊁降低成本㊁提高气瓶性能的内在要求ꎬ也是必然趋势ꎮ因此ꎬ研究无衬里低温复合气瓶具有重要意义ꎮ在航空航天领域当中[３]ꎬ低成本航天器(ＥＬＶ)和可重复使用航天器(ＲＬＶ)具有对材料更高的要求ꎮ简而言之ꎬ就是具备低成本和轻量化ꎮ轻质高强复合材料在飞机等航空航天应用领域已成为主要部件的常用材料ꎬ因此复合材料低温燃料箱也成为目前航天探索和研究的未来方向ꎮ复合材料低温燃料箱的应用可以显著降低飞行器的重量从而节约飞机的成本ꎬ其质量比铝合金燃料箱轻约２０％~４０％ꎬ比传统钢制燃料箱优势则更为明显ꎬ可以满足飞机未来最小净起飞质量的要求ꎮ近年来ꎬ可重复使用运载火箭用液氧㊁液氢和液化天然气轻量化燃料箱的研究越来越受到重视ꎮ到目前为止ꎬ国外对低温复合燃料箱的研究已经比较深入ꎬ取得了很多研究成果ꎬ而国内对此的研究尚处于起步阶段ꎮ也因如此ꎬ航天领域的复合材料低温燃料箱研究进程要远快于气瓶ꎮ复合材料气瓶的研究可从两个方面着手:复合材料本身的低温性能研究和气瓶本身的研究ꎮ对于车载ＬＮＧ复合材料气瓶ꎬ目前的研究大多集中在复合材料的气密性和低温性能方面ꎬ而对于内外材料均为复合材料的气瓶研究较少ꎮ国内现阶段对于低温复合材料气瓶的研究也主要集中在复合材料相关的防渗性能和低温行为方面ꎬ对气瓶整体结构设计和分析的研究较少ꎬ针对整体工程应用的气瓶产品性能和实际情况更是没有涉足ꎮ实际上ꎬ经过十余年的积累和发展ꎬＬＮＧ作为清洁能源已经大量推广应用ꎬ在未来的车用ＬＮＧ瓶的数量也将持续大量增长ꎮ但现阶段的ＬＮＧ车载气瓶一般是由不锈钢制造的具有内外双层结构的容器ꎬ其中内胆负责承压并装在ＬＮＧ液体ꎬ外壳与内胆形成夹层并添加多层绝热材料并高真空处理成为绝热层ꎬ不锈钢耐低温性能好㊁可加工性高ꎬ应用得相对比较成熟ꎮ但另一方面ꎬ由于不锈钢材质有密度大ꎬ传热效果好等特点ꎬ气瓶有着自身过重ꎬ绝热效果不佳等劣势ꎬ所以与现在国家大力推广的高压储氢气瓶等无论从能源替代效果㊁储能密度㊁环保意义等均不占绝对优势ꎮ综合而论ꎬ目前国内ＬＮＧ气瓶的性能评价方法较为老旧ꎬ检验机构不足以支撑对于复合材料ＬＮＧ高压气瓶的较为贴合的性能评价需求ꎮ作为未来ＬＮＧ气瓶的重要发展趋势ꎬＬＮＧ气瓶性能评价平台的建立㊁形成符合实际情况的评价方法和标准至关重要ꎬ这也有将长久服务于能源结构多元化㊁清洁化的转型升级ꎮ因此ꎬ深入研究低温复合材料气瓶ꎬ完善其合理的设计和分析方法具有重要意义ꎬ我们可以借鉴汽车储氢气瓶和低温储罐的研究方法来研究ＬＮＧ气瓶ꎮ国内已有基于ＡＮＳＹＳ有限元软件针对复合材料ＬＮＧ车载气瓶ꎬ提出了其设计思路和模拟验证思路的相关研究[４－５]ꎬ可以实现有限元仿真的方法模拟气瓶的工况ꎬ分析计算气瓶在给定的不同工况下是否满足使用条件ꎮ２㊀复合材料ＬＮＧ气瓶的未来展望结合ＧＢ/Ｔ３４５１０－２０１７«汽车用液化天然气气瓶»和目前ＬＮＧ气瓶轻量化㊁大容积化㊁高端化的ＬＮＧ气瓶趋势ꎮ提出对于复合材料ＬＮＧ气瓶发展的思路探索和未来展望ꎬ从选材环节开始ꎬ内胆材料选择轻量㊁耐低温㊁天然气介质相容(阻燃耐火)的高强复合材料ꎬ借鉴氢能源应用领域广泛应用的树脂固化纤维缠绕型式高压储氢气瓶ꎬ外壳材料选取放气率低㊁热导率低的低成本材料ꎬ真空夹层中的绝热材料及吸附材料满足阻燃特性和产品设计环节要求的真空维持性能和绝热性能ꎮ设计上ꎬ气瓶由内胆㊁外壳以及夹层中绝热层和阀门管路系统组成ꎬ在不同用途中选择不同结构型式和支撑方式ꎬ车载宜采用卧式ＬＮＧ气瓶型式ꎬ工业应用宜采用立式型式ꎮ积极探索增加容积上限和压力等级ꎬ结合新材料和新型式ꎬ实现更高储存密度的高效储能方式ꎮ在制造环节ꎬ优化现有工艺ꎬ提升复合材料可加工性和产品实际综合性能ꎬ从成型㊁焊接㊁组装㊁返修㊁清洁等环节ꎬ把握产品质量降低产品成本提升性能参数ꎮ实际产品落地之前ꎬ应用ＡＮＳＹＳ有限元软件对材料㊁结构㊁产品进行模拟仿真ꎬ验证其可靠性㊁性能ꎮ实际产品生产后ꎬ在现有检测手段的基础上提升检测能力和检测精度ꎬ积累试验数据和关键参数要求ꎬ不断提高相关产品性能指标ꎮ对于实际产品的验证和应用推广ꎬ在未来ꎬ不仅仅在复合材料ＬＮＧ气瓶的应用场景ꎬ同样在能源转型升级的大背景中ꎬ对于轻量高密度大容积低温液体储能而言都将拥有越来越广阔的市场ꎬ实现真正的能源产业革命ꎬ保障安全提升效率ꎮＬＮＧ气瓶属于使用量巨大的八大类特种设备之一ꎮ按照«特种设备安全法»要求ꎬ需要实施定期检验ꎬ完成检验方可投入下一周期使用ꎻ对于新型号产品需完成产品型式试验方可投产ꎬ一是在设计制造阶段的检验(型式试验及出厂检验)ꎬ二是在役设备的定期检验ꎮ在液化天然气产业中最为关键的上车应用环节ꎬＬＮＧ气瓶作为支撑的储存设备ꎬ由于装备内部装载的介质具有易燃易爆特性ꎬ而且其所处状态或低温ꎬ同时车辆行驶过程属于极为复杂的工况且关乎民生安全ꎬ因此其安全性必然是液化天然气领域乃至全社会关注的焦点ꎮ液化天然气储存装备的安全性㊁可靠性㊁效率高低已然成为决定氢能产业能否稳步发展的关键因素之一ꎮ同时ꎬＬＮＧ金属内胆气瓶已成熟应用多年ꎬ积累了丰富的实践经验ꎬ但极端条件下测试平台及其方法和标准完全不足以满足复合材料ＬＮＧ气瓶极端工况的要求ꎮ所以ꎬ应充分考虑新型产品实际本质安全ꎬ在考核指标中明确测试能力以保证复合ＬＮＧ气瓶产品的安全ꎬ摸清新产品的规律ꎬ才能真正实现液化天然气行业安全快速发展突破ꎮ３㊀结束语综上所述ꎬ本文对ＬＮＧ气瓶的使用情况和复合材料ＬＮＧ气瓶的研究现状进行了简要的概括ꎬ结合目前国内外研究现状和产品实际情况ꎬ提出了复合材料ＬＮＧ气瓶的未来发展展望和研究思路ꎮ由于低温绝热气瓶产品结构的特殊性ꎬ同时气瓶作为使用量巨大的特种设备ꎬ产品创新和应用推广具有较大的难度ꎮ但同时气瓶轻量化是大势所趋ꎬ在环保和节能减排的双重大背景下ꎬ打破固有思维定式ꎬ复合材料在低温绝热储能方式中大有可为ꎮ参考文献[１]王健.浅谈低温绝热气瓶的损坏形式及危害[Ｊ].低温与特气ꎬ２０２０ꎬ３８(０５):５２－５３.[２]许乔奇.Ｔ７００碳纤维/环氧复合材料超低温力学性能研究[Ｄ].大连:大连理工大学ꎬ２０１６.[３]张辰威ꎬ张博明.复合材料贮箱在航天飞行器低温推进系统上的应用与关键技术[Ｊ].航空学报ꎬ２０１４ꎬ３５(１０):２７４７－２７５５.[４]高二盼.复合材料ＬＮＧ车载气瓶有限元分析与研究[Ｄ].大连:大连理工大学ꎬ２０１７.[５]刘凤阳.复合材料ＬＮＧ车用气瓶设计及有限元分析[Ｄ].大连:大连理工大学ꎬ２０１８.(本文文献格式:李蔚ꎬ张耕ꎬ谭粤ꎬ等.复合材料ＬＮＧ气瓶的现状及未来展望[Ｊ].山东化工ꎬ２０２１ꎬ５０(１０):６３－６４.)４６ ＳＨＡＮＤＯＮＧＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２１年第５０卷。
国内外复合材料气瓶发展概况与标准分析
国内外复合材料气瓶发展概况与标准分析（二）于斌1，刘志栋1，赵为伟2，申健2，靳庆臣1，栗刚1，程彬1（1．兰州空间技术物理研究所航天压力容器研制中心，甘肃兰州730000；2．空军驻甘肃军代表室，甘肃兰州730000）摘要：复合材料气瓶在航天、航空和民用领域都有着广泛的应用，对复合材料气瓶的研制进展和典型应用进行了简要介绍，并分析了复合材料气瓶及其成型工艺的发展趋势，综述了航天、航空和民用领域复合材料气瓶标准的发展概况，并针对我国复合气瓶标准制定面临的问题进行了分析。
关键词：复合材料气瓶；标准；金属内衬；纤维缠绕；应力断裂；疲劳循环中图分类号：TH49；TG435；T－65文献标识码：B文章编号：1001－4837（2011）12－0034－07doi：10．3969/j．issn．1001－4837．2011．12．007Development of World－wide Composite Gas Cylinder andAnalysis of Chinese COPV Standard（2）YU Bin1，LIU Zhi－dong1，ZHAO Wei－wei2，SHEN Jian2，JIN Qing－chen1，LI Gang1，CHENG Bin1（1．Lanzhou Institute of Physics，Aerospace Pressure Vessel Research Center，Lanzhou730000，China；2．Gansu Military Representative Office of the Aviation，Lanzhou730000，China）Abstract：Composite gas cylinders are widely used in aerospace，aviation and civil field，the study devel-opment and representative application of composite gas cylinders were briefly introduced，and the develop-ment trend and the manufacture process was analyzed，the present status of the standard in these fields was summarized，the problem of standard establishment in China was analyzed．Key words：composite gas cylinders；standard；metal liner；filament－wound；stress－rupture；cycle fa-tigue（接上期）2．2航空领域航空工业部301所针对航空用金属气瓶研制推出了HB6134—87《航空气瓶通用技术条件》，对金属气瓶结构设计、材料选择、工艺控制、试验方法和检验要求提出了较为全面的指导，对航空用复合材料气瓶环境适应性设计起到一定的借鉴作用。
纤维缠绕复合材料气瓶的发展及其标准情况
纤维缠绕复合材料气瓶的发展及其标准情况1引言在压力容器中，中低压容器一般以板焊结构为主，而高压容器则出现多种结构：单层结构有整体锻造式、锻焊式、厚板卷焊式、电渣重熔式；多层结构有层板包扎式、螺旋包扎式、热套式、整体包扎多层式；缠绕结构有绕丝式、绕板式、扁平钢带倾角错绕式和型槽绕带式。
但这些结构都是指金属材料而言，单台压力容器重量根据容积大小和压力高低，最重的甚至可达数千吨。
而高压气瓶过去制造和使用的主要是金属材料即钢质和铝质的，按制造方法分有冲拔拉伸（E 法）、管材收口（M法）以及冲压拉伸（C法）等。
随着材料科学和制造工艺技术的进步，由于气瓶为移动式容器，为了减轻气瓶的重量，同时又能承受较高的压力，也出现了在金属或非金属材料内胆上环缠绕和全缠绕纤维材料组合结构的缠绕气瓶，即复合材料气瓶。
复合材料缠绕气瓶目前主要应用于呼吸器（如消防呼吸系统、登山、老人及病人吸氧、航空及航天系统等）及车用压缩天然气燃料气瓶两大领域，也可用于某些压缩气体和液化气体及其混合物。
现就纤维缠绕复合气瓶的发展及其标准的有关情况作一简要说明。
2纤维缠绕复合材料气瓶的发展及其标准情况2.1复合材料气瓶的发展复合材料气瓶的发展始于20 世纪50 年代，是基于火箭发动机复合材料机壳技术。
早期的复合气瓶是用玻纤浸渍环氧树脂缠绕于橡胶内胆上，虽然其重量比钢质轻，但由于玻纤较低的抗应力断裂及静态疲劳能力，以及气体渗透率较大，因此需要采用较高的安全系数。
20世纪60 年代开始使用金属内胆，如果内胆足够厚，允许纤维全缠绕或环缠绕增强。
复合气瓶采用金属内胆的渗透率比橡胶内胆的低得多，但内胆的疲劳寿命却受到限，薄壁内胆可在100～1000次循环产生开裂到泄漏，而厚壁内胆可在10000～30000 次循环产生泄漏。
复合材料容器和气瓶最早于20世纪50年代和60 年代用于国防和航天，这些容器或气瓶用于军用飞机的喷射系统，紧急动力系统和发动机重新启动应用系统，它们也用于航天试验室的氧气罐和导弹系统的压力源。
国内复合材料气瓶发展及气瓶标准概况
产品・应用国内复合材料气瓶发展及气瓶标准概况张 洁(哈尔滨玻璃钢研究院,哈尔滨150036)摘 要 本文通过对国内众多复合材料气瓶生产厂家的不同类型产品的介绍,简述了目前国内这一行业的发展情况;同时对几种主要类型气瓶的标准进行了概述。
关键词 气瓶;复合材料;标准Development and Specification Summary of Composite G as Cylinder in ChinaZH ANGJie(Harbin FRP Institute,Harbin150036)ABSTRACT This paper summarizes domestic industry development at present and the specification of several main type gas cylinder by introduction to various type products manu factured by many gas cylinder production factories in China.KEY WORDS G as cylinder;C om posites;specification1 前 言在经济高速发展的现代社会中,气瓶制造业被认为属于朝阳工业范畴。
气体应用技术在发达国家已经达到很高的水平,全世界已有130种气体要用气瓶充装,中国也达到了80余种。
据统计,国民生产总值每增加1%,气瓶需求量就增加1.5%,而国际市场每年大约以5%的速度增长。
全世界年需求气瓶量可达到500万支,产值约40亿美元。
这其中一部分自然也包括了新兴的以“轻质高强”为特点的复合材料气瓶。
据悉,全世界有300万只复合材料气瓶在运行。
自上世纪后半叶以来,复合材料气瓶在西方国家得到飞快的发展。
以C NG气瓶的研制和开发方面为例,美国的Lincol公司、SCI公司、和Hydospin公司都走在世界前列。
国内复合材料气瓶发展及气瓶标准概况
自上 世 纪后 半 叶 以来 ， 合材 料 气瓶 在 西方 国 复
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西安 天洁航 天科 技 有 限 公 司是 原 七 机 部 ４ ３所
认 为属于 朝 阳工 业范 畴 。气 体应用 技术在 发 达 国家
已经达到 很高 的 水平 ， 全世 界 已有 １０种 气体 要 用 ３
气瓶 充装 ， 中国也 达 到 了 ８ 种 。据统 计 ， ０余 国民生 产总值每 增加 １ ， 瓶 需 求 量 就增 加 １５ ， 国 ％ 气 ．％ 而
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第 ３期３ ８纤维 Nhomakorabea复
合
材
料
Ｎｏ ３ Ｓ ｐ． ２ ０ ｅ ，０ ７
２０ ０７年 ９月
ＦＩ ＥＲ Ｃ ｏ Ⅱ ． ＳＩ Ｓ Ｂ Ｏ １
产品・ 应用
国 内复 合 材 料 气 瓶 发 展 及 气 瓶 标 准 概 况
张 洁
海” 的产品， 即所谓“ Ｎ ２ 气瓶 ， Ｃ Ｇ一 型” 也就是钢质内 胆外 加环 向纤维 缠绕形 式 的气瓶 。纤维 采用 的是玻
璃纤 维 ， 体用 环氧树 脂 。 基
２ ２ 重 庆益 峰高压 容器 有 限公 司 ． 重庆 益峰 公 司是 由原 兵 工企 业 “ 庆益 民机 械 重
Ｚ ＡＮ ｉ Ｈ Ｇ Ｊｅ
（ ｒｉ Ｒ ｎｔｕｅ Ｈａｂｎ １０ ３ ） ＨａｈｎＦ Ｐ Ｉｓ ｔｔ， ｒｉ ５ ０ ６ ｉ
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产品・应用国内复合材料气瓶发展及气瓶标准概况张 洁(哈尔滨玻璃钢研究院,哈尔滨150036)摘 要 本文通过对国内众多复合材料气瓶生产厂家的不同类型产品的介绍,简述了目前国内这一行业的发展情况;同时对几种主要类型气瓶的标准进行了概述。
关键词 气瓶;复合材料;标准Development and Specification Summary of Composite G as Cylinder in ChinaZH ANGJie(Harbin FRP Institute,Harbin150036)ABSTRACT This paper summarizes domestic industry development at present and the specification of several main type gas cylinder by introduction to various type products manu factured by many gas cylinder production factories in China.KEY WORDS G as cylinder;C om posites;specification1 前 言在经济高速发展的现代社会中,气瓶制造业被认为属于朝阳工业范畴。
气体应用技术在发达国家已经达到很高的水平,全世界已有130种气体要用气瓶充装,中国也达到了80余种。
据统计,国民生产总值每增加1%,气瓶需求量就增加1.5%,而国际市场每年大约以5%的速度增长。
全世界年需求气瓶量可达到500万支,产值约40亿美元。
这其中一部分自然也包括了新兴的以“轻质高强”为特点的复合材料气瓶。
据悉,全世界有300万只复合材料气瓶在运行。
自上世纪后半叶以来,复合材料气瓶在西方国家得到飞快的发展。
以C NG气瓶的研制和开发方面为例,美国的Lincol公司、SCI公司、和Hydospin公司都走在世界前列。
改革开放后的中国自然也应当有所作为,国内许多公司企业、科研院所以及高等院校也纷纷加入到这个行列中来,经过数年努力,他们都拿出了自己的产品或研究成果。
下面就简述国内有关单位复合材料气瓶发展的概况。
2 国内复合材料气瓶研发概况2.1 北京天海工业有限公司北京天海工业有限公司自称是“全球钢质无缝气瓶最大制造企业”。
该公司能设计、生产种类繁多的气瓶,今已有七条生产线,年产100万只气瓶。
其中一条就是从美国引进的纤维缠绕气瓶及呼吸气瓶生产线。
该公司生产车用压缩天然气、机动车用液化石油气钢瓶和缠绕气瓶。
钢质缠绕气瓶已取得美国NG V2-2000标准设计和制造许可证。
现在市面出租车上所用的C NG(压缩天然气)气瓶,多是“天海”的产品,即所谓“C NG-2型”气瓶,也就是钢质内胆外加环向纤维缠绕形式的气瓶。
纤维采用的是玻璃纤维,基体用环氧树脂。
2.2 重庆益峰高压容器有限公司重庆益峰公司是由原兵工企业“重庆益民机械厂”控股的合资企业,现已成为上海华盛企业(集团)有限公司旗下的子公司。
“益峰”在复合材料C NG 气瓶方面也是将产品定位在钢质内胆外缠绕增强纤维的气瓶位置上,也是“C NG-2”类型。
但是,这类气瓶还难以减低重量,于是,将目光放在“铝内胆”缠绕气瓶上。
有关人士说:“今后益峰公司会利用华盛集团在齐齐哈尔市的铝内胆生产基地,结合自身的技术优势,发展出适应市场高端用户需求的铝胆缠绕气瓶,但由于受价格因素的制约(铝内胆气瓶的价格要高出钢内胆气瓶好几倍),批量投放市场尚需一定时间。
”这种铝内胆外加纤维缠绕的气瓶类型属于所谓“C NG-3型”复合材料气瓶。
2.3 西安天洁航天科技有限公司西安天洁航天科技有限公司是原七机部43所第3期38 纤维复合材料N o13 2007年9月FIBER COMPOSITES Sep1,2007下属的一个股份公司。
该公司依托于航天用固体火箭发动机的纤维缠绕技术,独立开发了“C NG-4型”,即所谓“全塑复合材料气瓶”。
这类气瓶的特点是内胆采用了抗疲劳性能极好的聚乙烯塑料,外加玻璃纤维缠绕而成。
其缠绕形式要比“C NG-2型”复杂,包括纵向纤维层和环向纤维层两种方式的结构。
该公司曾设计生产能力为年产气瓶2万只。
其气瓶产品行销于本省和四川一带。
不幸的是2004年在成都市发生了一次爆瓶(造成一死一伤)的重大事故,被亮黄牌,公司受到很大的冲击,被迫停产。
也使“C NG-4”背上了“塑料瓶安全性能不可靠”的坏名声。
其实,任何一种气瓶使用不当都会产生问题。
该公司至今也不知是否已走出了低谷?2.4 四川格瑞复合材料有限公司该公司是自贡盐业“久大”集团下属的一个子公司。
该公司于2000年从德国引进缠绕设备和气瓶制造技术,也生产“C NG-4型”全塑气瓶,设计生产能力为50升玻璃钢气瓶年产5万只。
自制内胆,材料为高密度聚乙烯,滚塑成型。
初期生产玻璃钢气瓶,后来制造碳纤维复合材料气瓶。
气瓶行销于本省及中原一带。
2004年在郑州市曾发生“3.15”气瓶充气时爆炸造成人员伤亡重大事故。
但究竟是气瓶“自爆”还是“被炸”,原因不清。
由于收益回报方面的原因,该公司业已于2005年春暂停运作。
其实,对于C NG气瓶,人们还没有足够清醒的认识:车用压缩天然气(C NG)属于高压、易燃、易爆气体。
C NG汽车的贮气瓶是用于天然气的高压缩容器,具有爆炸性的危险性。
天然气的主要成分甲烷属一级可燃气体,甲类火灾危险性,爆炸极限为5%-15%(V/V),最小点火能量仅0.28m J,燃烧速度快,且热值高。
极易燃烧、爆炸,并且扩散能力强,火势蔓延迅速,一旦发生火灾难以施救。
成都玻璃钢气瓶爆炸被炒作得沸沸扬扬,其实同一时期钢瓶与复合材料瓶事故的比较,据悉四川自施行C NG以来已爆瓶八只:七只钢瓶,一只复合材料瓶。
2.5 上海康巴赛特高压容器制造公司该公司已被航天机电整体收购,成立了航天机电康巴赛特高压容器分公司。
初始,公司将产品定位于C NG气瓶的开发,但由于市场初次开发被社会认可尚待时日,公司运作几至到了难以维持的地步。
于是公司调整了开发思路,先从市场迫切需要而制造难度较低的呼吸气瓶入手,终于有了转机走出低谷。
现在已自称是“国内最大的纤维缠绕呼吸气瓶提供商之一”了。
2.6 上海德坤复合气瓶有限公司该公司是一家中美合资公司。
公司引进了德国纤维缠绕机和美国的制造技术,用以生产铝内胆碳纤维缠绕的复合材料气瓶。
该公司自述“选取了要求最严的美国国家标准DOT-CFFC2000”作为自己的参照标准。
鉴于国产铝内胆的不均匀性,公司采用了美国进口铝内胆,为保证气瓶的质量打下了基础。
该公司的空气呼吸气瓶,从2L到12L已经基本开发完毕。
下一个目标自然是C NG气瓶。
2.7 北京科泰克科技有限责任公司北京科泰克将数十年金属旋压技术,揉和了复合材料缠绕技术用于压力容器的制造,从事铝合金内胆、车用复合气瓶、呼吸气瓶等产品的开发、生产和销售。
该公司已拥有“车用复合气瓶”和“复合气瓶用铝胆”两项国家专利。
仅C NG气瓶已有从30L 到250L范围27个规格的产品。
尤其是对外可供应铝胆成品,公司从2005年开始建设第二条铝胆生产线,值得关注。
2.8 黑龙江华安工业(集团)公司地处北国的齐齐哈尔“华安”公司也研发了铝内胆纤维缠绕复合材料气瓶。
有玻璃纤维和碳纤维两种类型,50L、70L和90L三种规格的C NG气瓶,并且向外频发招商引资合作开发的信息。
2.9 沈阳中复科金压力容器有限公司该公司由连云港中复连众复合材料集团有限公司、中国科学院金属研究所和沈阳科金新材料公司等组建的股份有限公司。
碳纤维缠绕气瓶和缠绕气瓶用铝合金内胆是公司的主导产品之一。
仅铝合金内胆而言,从1.4L到20L就有14个规格之多。
铝内胆作为独立的产品销售。
2.10 其它厂商和公司由中材科技股份有限公司与北京玻璃钢研究院复合材料有限公司组成“中材科技(苏州)有限公司”,注册资金1亿元。
将以高压复合材料气瓶为主导产品。
蚌埠高新技术开发区,有招商引资项目:年产碳纤维气瓶2万只,C NG气瓶4千只。
区内有碳纤维工业园区,安徽华皖碳纤维有限公司:年产200吨聚丙烯腈基碳纤维。
湖南湘潭有招商项目:复合材料气瓶。
此外,还有许多新兴的厂家,皆跃跃欲试,今不冗叙。
倒是有许多有很强研究能力的大学和研究院所值得介绍。
2.11 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学下属的复合材料研究所,对复合材料高压气瓶做如下研究:根据复合材料特有的3期张洁:国内复合材料气瓶发展及气瓶标准概况39 性质,建立更合理的模型。
包括:研究缠绕层材料的粘弹性本构关系;在考虑固化度、化学反应热、纤维张力、树脂粘度和固化反应等因素下考察缠绕和固化过程中树脂的流动模型;研究缠绕张力对内胆约束塑性变形的影响;考虑材料、工艺和结构一体化分析与优化的设计方法。
为求得验证,曾制造出体积为20升、质量小于6kg、工作压力为40MPa、爆破压力为70MPa的复合材料高压气瓶对外进行展示。
2.12 南京航空航天大学南京航空航天大学对复合材料气瓶做过市场考察,认为5L助力车液化气瓶、8L家用氧气瓶和2L 携带式氧气瓶很有市场前景,仅后者市场需求量约2万只/年以上。
在技术可行性分析方面,他们认为:复合材料缠绕气瓶的关键技术是疲劳设计技术和制造技术,疲劳设计技术包括内衬设计、接嘴设计和缠绕线型设计技术。
进入市场的策略是:首先研制压力等级较低的液化气瓶,积累经验后再开展压力等级较高的便携式复合材料氧气瓶和家用气瓶。
这是一个很实际的策略。
2.13 北京玻璃钢研究院北京玻璃钢研究院早年间就曾研制过复合材料氧气瓶,积累了许多经验。
现今,在复合材料气瓶研究方面,他们认为,对内胆采用了变壁厚的设计,将使结构更加合理。
另外,他们认为生产这类气瓶的关键技术包括:铝合金内胆的成形工艺、热处理工艺及强化工艺方法与参量;铝合金内胆结构的优化设计,张力缠绕工艺与内胆的变形匹配等。
2.14 西安向阳公司西安向阳公司所属“陕西非金属材料研究所”,即航天部四院第43研究所。
该所擅长于纤维缠绕高压容器的设计和制造。
对于全塑复合材料C NG 气瓶而言,他们认为:首先是金属瓶口的材料和设计形状;其次是瓶口与非金属内胆的结合及气密可靠性;第三是低温下内胆与复合材料的剥离;第四是非金属内胆要求所选用的树脂体系只能是中、低温固化体系,而这类树脂体系将不利于材料性能的发挥,从而导致水爆压力和疲劳寿命的稳定性较差。
与43所毗邻的41所更擅长于缠绕结构的理论分析。
有专家认为高压复合材料气瓶的初期设计,仍可用业界工程人士所掌握的“网格理论”进行,提出了气瓶爆破的薄弱环节仍然在封头,因此,可用加大缠绕角的办法增加封头纤维承受环向应力的能力。