复合材料压力容器设计
压力容器生产工艺流程及主要工艺参数
压力容器生产工艺流程及主要工艺参数压力容器的生产工艺流程：下料一成型一►焊接一►无损检测一►组对焊接无损检测一热处理一压力试验一.选材及下料（-）压力容器的选材要紧依据设计文件、合同约左及相关的国家标准及行业标准。
（二）压力容器材料的种类1. 碳钢、低合金钢2. 不锈钢3. 专门材料：（1）复合材料（2）钢银合金（3）超级双相不锈钢（4）哈氏合金（三）常用材料常用复合材料：16Mn+0Crl8ni9A：按形状分：钢板、管状、棒料、铸件、锻件B：按成分分：碳素钢：20号钢、20R、Q235低合金钢：16MnR、16MnDR、09MnNiDR. 15CrMoR. 16Mn 锻件、20MnMo 锻件高合金钢:0Crl3、0Crl8Ni9、0Crl8Nil0Ti尿素级材料：X2CrNiMol8.143mol （尿素合成塔中使用，有较髙耐腐蚀性）二.下料工具与下料要求（-）下料工具及适用范畴：1、气割：碳钢2、等离子切割：合金钢、不锈钢3、剪扳机：& L^2500 nun切边为直边4、锯管机：接管5、滚板机：三辘（二）椭圆度要求：内压容器：椭圆度＜1%D；且＜25 mm换热器：DNW1200mm椭圆度W0.5%DN且W5 mmDN＞ 1200 mm 椭圆度W0.5%DN 且W7mm塔器：多层包扎内筒：椭圆度W0.5%D,且＜6 nun（三）错边量要求：见下表（四）直线度要求：一样容器：L^30000 mm直线度 WL/1000 mmL > 30000 mm 直线度按塔器 塔器：15000 mm 直线度 WL/1000 mmL > 15000 mm 直线度 W0.5L/1000 +8 mm 换热器：L^6000 nun 直线度 WL/1000 且 W4.5 mmL > 6000 mm 直线度 WI71000 且 W8 mm三. 焊接（-）焊前预备与焊接环境1、 焊条、焊剂及英他焊接材料的贮存库应保持干燥，相对湿度不得大于60%。
第4章热压罐成型工艺（PDF）
胶膜压延法
树脂含量可由胶膜 厚度，辊压力与间 距、纤维张力、加 热温度等控制
线速度大，效率高 树脂含量容易控制 挥发分含量低，污染小 制膜和浸渍过程分步进
行，减少对纤维损伤
预浸料制备
大纱束或织物难于浸透 高粘度树脂难于浸渍 设备投资高，纤维用量大
2 辅助材料 Auxiliary material
碳纤维 其热膨胀系数与所成型复合材料构件一致，质量轻，材料模量高，模具
复合材料
刚度大；适用于高精度的大型构件的成型，但材料成本高，耐温低，表 面易划伤，有吸湿问题
玻璃纤维 质量轻，材料价格低；但材料模量低，模具刚度差；一般用于简单成型 复合材料 或型面要求不高的结构
3 模具材料－模具的分类
根据模具用材料
可很好的排除挥发物
4 袋压成型——压力袋成型
密封装置
盖板
压缩空气
空气压缩机
压力袋
特点：
模具
复合材料坯料
通过向橡皮囊构成的压力袋(气压室)内注入压缩空气，实现对 复合材料坯料的加压，也叫气压室成型；
真空袋基础上发展而来，气压均匀垂直作用在毛胚的表面，压 力可达0.25-0.5MPa，对模具强度和刚度的要求较高；
真空薄膜
具有较好的强度、延展性、耐温性、耐磨性和韧性。使用时，用腻子 将成型中的构件密封在模具上，形成真空袋
密封胶带
具有常温下的粘性，高温下密封性好，固化后易清理和贮存时间长等 特点
吸胶材料
可定量吸出复合材料毛坯中的多余树脂，并有一定透气性能的材料。 有吸胶毡、玻璃布、吸胶纸等，其单位面积吸树脂量随材料而异
成型工 艺稳定 可靠
热压罐内的压力和温度均匀，可以保证成型构件的质量稳定。一般热压罐成型 工艺制造的构件孔隙率较低、树脂含量均匀，相对其他成型工艺热压罐制备构 件的力学性能稳定可靠，迄今为止，航空航天领域要求高承载的绝大多数复合 材料构件都采用热压罐成型工艺。
复合材料导论
第一章 绪论复合材料的定义： 复合材料(Composite materials)，是由界面分明、物理化学性质不同的组分材料，通过物理或化学的方法构成的性能优越的多相材料。
各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。
复合材料应具有以下三个特点：(1)复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着明显的界面。
(2)复合材料中各组元不但保持各自的固有特性而且可最大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元所不具备的优良持殊性能。
(3)复合材料具有可设计性。
复合材料的发展现状（1）玻璃钢和树脂基复合材料 非常成熟 广泛的应用（2）金属基复合材料 开发阶段 某些结构件的关键部位（3）陶瓷基复合材料及功能复合材料等 尚处于研究阶段 有不少科学技术问题有待解决 复合材料的组成结构特点和分类*细观复合：一种或几种制成细微形状的材料均匀分散于另一种连续材料中宏观复合：两层以上不同材料的叠合,层合复合材料可以是几种单成分材料,也可以细观复合材料细观复合材料的组成结构特点：1基体相（连续相）：Co 包围增强相并相对较软和韧的贯连材料，作用是粘结保护分散相材料和传递应力2界面：位于增强相和基体相之间并使两相彼此相连的、化学成分和力学性质与相邻两相有明显区别、能够在相邻两相间起传递载荷作用的区域3增强相（分散相）：被基体相包裹分隔，具有比基体相高的模量和强度，起到抵抗变形和破坏的作用 细观复合材料的分类细观复合材料的分类 （按分散相分类)1纤维增强复合材料 (包括连续纤维增强：“纤维的两端达到制成的复合材料构件的边界” 和 短纤维增强："将长纤维或纤维束切断分散于基体中"）2 颗粒增强复合材料 3晶须增强复合材料按连续相分类 非金属基复合材料 金属基复合材料 聚合物基复合材料碳基复合材料 陶瓷基复合材料 热固性树脂 热塑性树脂第二章复合材料增强体(1.纤维2.颗粒3.晶须)一纤维增强纤维的分类:有机纤维：芳纶纤维聚乙烯纤维尼龙纤维无机纤维：玻璃纤维碳纤维硼纤维氧化铝纤维碳化硅纤维氮化硼纤维纤维增强体的形态复合材料中的纤维连续是合成纤维，是上万跟纤维组成的基本无捻的长丝束/纱，称为粗纱。
美国GWS压力罐_膨胀罐
美国GWS压力罐/膨胀罐GLOBAL WATER SOLUTIONSGlobal Water Solutions Ltd(GWS)隶属于美国Swan Group, 提供水井、增压器、水压管理、反渗透、液体循环加热和热应用等所需的各种预充压力隔膜罐。
GWS独特的产品包括其专利保护的CAD2隔膜压力罐和单隔膜罐，后者拥有专利的水管连接技术，如今实现了可更换的多层隔膜设计。
这些产品使GWS客户可灵活选择其特定的适用产品。
GWS的定位是，听过美国马萨诸塞州总部对北美、欧洲、中东、亚洲等地提供仓储和技术支持。
GWS－压力罐/膨胀罐最全面的供应商GWS通过一些最具影响力的大型水泵专业代理和设备制造商（OEM）等进行其产品－包括PressureWave, Challenger, C2Lite, HeatWave, SolarWave, SuperFlow系列和GWS附件等的销售和服务，网络遍及全球64个国家且仍在不断扩大！GWS已添加C2Lite系列，它包含整个范围的复合材料压力容器。
C2Lite UT和C2Lite CAD压力罐是迄今生产的最可靠复合罐，使用了取得专利的CAD2隔膜技术和独特的3件式构造。
此外，GWS还推出了SuperFlow系列，提供压力和10、16和25巴、容积从8－10,000升不等均适用的各种互换式隔膜容器。
这些产品系列使GWS成为全球最全面的供应商。
除了在现有市场上进一步扩大市场份额，GWS将继续在产品和市场占有区域两方面进行扩张。
全球客户服务则由为其富有经验的销售公司提供支持。
GWS还获得了WRAS, NSF, PED, ACS, GOST等认证和其他国家的特定认证。
GWS的独特理念GWS的一项独特的措施是将客户服务放在首位，尤其质量重视售后服务及为客户提供现场支持。
公司广泛的产品系列、创新的产品开发、以及经验丰富的技术销售人员和工程师等，使公司优于其他主要竞争对手，并能为客户提供最好的产品和服务。
宇航COPV缠绕复合材料结构设计的技术研究
宇航 器及 其分 系 统需要 各 种压 力容 器来 储存 液 体 和气体 ， 如 卫 星飞 船 推 进 系 统 用 气 瓶 和表 面张 力
推进 剂储 箱 ； 空 间站 推 进 系 统 、 流体管理系统、 环 境 控 制 与生 命保 障 系统 、 科 学 实验 和 商业 实 验 系 统 用 压力 容器 ； 运 载 系统 的各 种 气 瓶 、 低温推进剂储箱 。 相对 于全 金属 压 力 容器， 复 合 材 料 压 力 容 器
高空 间 Ｃ Ｏ Ｐ Ｖ性能， 对 宇航 事业 的发 展具 有 重要 意
义。
１ 技 术 指 标 分 析
Ｃ Ｏ Ｐ Ｖ技术 指标一般包括 工作介质 、 形 状、 长
度、 直径 、 容积 、 工作 压 力 、 安 全 系数 、 纤维 应 力 断裂
（ Ｃ Ｏ Ｐ Ｖ） 具有质量轻 、 刚度 好 、 容 器 特 性 系数 高 、 可 靠性高、 疲 劳 强度 高 、 负 载工 作 寿 命 长 、 爆 破 前 先 泄
设 计 计算
试 验研 究
宇航 Ｃ ＯＰ Ｖ 缠 绕 复合 材 料 结构 设 计 的技 术研 究
赵 为伟 ， 于 斌 。 ， 申 健
（ １ ． 中国 人 民 解 放 军 空军 驻 甘 肃 军代 表 室 ， 甘 肃 兰州 ７ ３ ０ ０ ０ ０ ； ２ ．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 ７ ３ ０ ０ ０ ０ ）
（ １ ． Ｇａ ｎ ｓ ｕ Ｍｉ ｌ ｉ ｔ ａ ｒ ｙ Ｒｅ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｏｆ ｆ ｉ ｃ ｅ ，Ａｖ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ａｒ ｍｙ ｏ ｆ Ｐ ＬＡ ，Ｌ ａ ｎ ｚ ｈ ｏ ｕ ７ ３ ０ ０ ０，Ｃｈ ｉ ｎ ａ ；
压力容器分类标准
压力容器分类标准压力容器是一种用来容纳气体或液体，能够承受一定压力的设备。
根据不同的用途和工作环境，压力容器可以被分为不同的分类。
压力容器的分类标准对于安全生产和设备选择至关重要，下面将介绍几种常见的压力容器分类标准。
1.按用途分类。
根据压力容器的用途不同，可以将其分为储存容器、输送容器和反应容器。
储存容器主要用于储存气体或液体，如储罐、气瓶等；输送容器用于输送气体或液体，如管道、气瓶等；反应容器用于进行化学反应或物理变化，如反应釜、蒸馏塔等。
根据不同的使用场景和要求，压力容器的设计和制造标准也会有所不同。
2.按工作介质分类。
根据压力容器所承受的工作介质不同，可以将其分为气体容器、液体容器和混合介质容器。
气体容器主要用于储存和输送气体，如气瓶、储气罐等；液体容器主要用于储存和输送液体，如储罐、液氮容器等；混合介质容器用于承受同时存在气体和液体的压力，如汽液混合容器等。
不同工作介质的特性决定了压力容器在设计和制造时需要考虑的因素，如材料选择、壁厚计算等。
3.按制造材料分类。
根据压力容器的制造材料不同，可以将其分为金属容器、非金属容器和复合材料容器。
金属容器是指由金属材料制造的压力容器，如钢制储罐、铝制气瓶等；非金属容器是指由非金属材料制造的压力容器，如玻璃钢储罐、塑料气瓶等；复合材料容器是指由金属和非金属材料复合制造的压力容器，如复合材料储气罐、复合材料液氮容器等。
不同的制造材料决定了压力容器的耐压性能、耐腐蚀性能和使用寿命。
4.按设计压力分类。
根据压力容器的设计压力不同，可以将其分为低压容器、中压容器和高压容器。
低压容器的设计压力一般在0.1MPa以下，主要用于一般工业和民用领域；中压容器的设计压力一般在0.1MPa~10MPa之间，主要用于化工和石油化工领域；高压容器的设计压力一般在10MPa以上，主要用于石油、化工、冶金等领域。
不同设计压力的压力容器在制造和使用时需要符合不同的标准和规定，以确保其安全可靠性。
复合材料气瓶的结构、性能和应用研究
复合材料气瓶的结构、性能和应用研究冯刚【摘要】摘要对复合材料气瓶的成型工艺进行介绍,阐述了国内外复合气瓶的应用进展,并介绍了复合材料气瓶的结构和性能研究.【期刊名称】工程塑料应用【年(卷),期】2011(039)007【总页数】3【关键词】关键词复合材料气瓶结构有限元分析压力容器是化工、机械、原子能、轻工、航天、冶金、海洋开发等领域普遍采用的一种重要设备,以往大多采用金属材料加工制造,如钢瓶、钛合金气瓶等[1].为了最大限度地减轻气瓶质量,科技人员开始将金属气瓶转为纤维缠绕的复合材料气瓶[2].1 复合材料气瓶的分类复合材料气瓶一般采用两种分类方法,一是按照应用领域分为:(1)作为天然气燃料汽车的压缩天然气(CNG)贮罐;(2)应用于呼吸器系统,包括背负式呼吸器、小型呼吸器以及逃生用的呼吸面具;(3)应用于航空或航海,主要包括逃生滑梯冲气装置和航空吸氧装置[3].二是按内胆材料和增强材料分类:按内胆材料可分为金属内胆缠绕气瓶和塑料内胆缠绕气瓶;还可按增强材料分为高强玻璃纤维缠绕气瓶、碳纤维缠绕气瓶、芳纶纤维缠绕气瓶.由于铝内胆具有密封性好、抗疲劳能力强、循环寿命长、稳定性高及质量轻等优点,目前在碳纤维缠绕气瓶中得到了广泛的应用[4].2 复合材料气瓶的成型工艺复合材料气瓶的成型包括内衬的制造和纤维增强复合材料层缠绕成型.现以铝内胆碳纤维缠绕复合材料气瓶为例,说明其制造工艺,如图l所示.内衬的制造主要包括金属板热压、拉伸、旋压、热处理、后加工、检验等工序,可以参照GB/T 11640-2001《铝合金无缝气瓶》标准.纤维缠绕成型工艺是指采用连续纤维经过树脂浸胶或采用预浸胶纤维,按照一定的规律缠绕到芯模上,然后在加热或常温下固化,按照一定条件的修整,制成一定形状制品的一种生产工艺.3 国内外复合材料气瓶的应用进展3.1 国外研究进展气瓶的研制己经有50多年的历史,国外对复合材料气瓶的研究最早开始于20世纪50～60年代,主要用于国防和航空、航天领域,如军用飞机喷射系统,紧急动力系统和发动机重新启动应用系统使用的复合材料气瓶,以及航空试验室的氧气罐和导弹系统的压力源[5].制造复合材料气瓶是一项高技术,它吸引了国外技术力量雄厚的纤维缠绕大公司投入力量来开发,如美国著名的火箭及纤维缠绕壳体公司Thiokol公司,美国Brunswick军工企业等.他们利用自身的设备、技术、人才及军工生产方面的经验和优势,试图在气瓶的开发生产中占有一席之地,无疑这将推动气瓶制造技术快速发展[6].早期的复合材料气瓶采用玻璃纤维浸渍环氧树脂缠绕于橡胶内胆上,虽然其质量比钢质气瓶轻,但由于玻璃纤维复合材料的强度及静态疲劳寿命较低,气体渗透率较大,设计时需要采用较高的安全系数[7]才能保证其可靠性.20世纪60年代,复合材料气瓶中开始使用金属内胆.如果内胆足够厚,允许纤维全缠绕或环向缠绕增强,那么采用金属内胆的复合气瓶渗透率要比采用橡胶内胆的气瓶低得多,但前者的疲劳寿命却受到限制[7].20世纪70年代,复合材料气瓶在商用系统中的应用大大增加,玻璃纤维和芳纶纤维缠绕于铝内胆或钢内胆上[7],用于消防呼吸器和民用飞机滑梯充气,以及相类似的气瓶用于海军救生筏充气.3.2 国内研究进展和现状我国研究气瓶开始比较晚,在新材料的应用上经历了和国外相似的历程,目前国外有的新材料我国大都有产品或正在进行研制.但是我国研制的气瓶品种单一、性能较差、制造工艺和设备相对较为落后,这和我国的基础工业水平较差和工艺水平落后有着很大关系.目前我国除玻璃纤维/环氧复合材料气瓶进行工程应用外,其它类型的纤维增强复合材料气瓶虽然也开展了大量研究,但离工程化应用还有很大距离.现有的高性能有机纤维、碳纤维还需依靠进口,这也制约了我国复合材料气瓶技术的发展[8].在我国,有很多公司和院校投入大量资金和人力对复合材料气瓶进行各方面的研究.目前国内复合材料气瓶的生产单位主要有北京天海工业有限公司、西安向阳气瓶有限公司、四川自贡格瑞复合材料公司、沈阳中复科金压力容器有限公司和北京航空制造工程研究所.其中北京天海工业有限公司能设计、生产种类繁多的气瓶,已有7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NGV2-2000标准设计和制造许可证.现在市面出租车上所用的CNG气瓶,多是"天海"的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.沈阳中复科金压力容器有限公司的主导产品有碳纤维缠绕气瓶和缠绕气瓶用铝合金内胆.仅铝合金内胆而言,从1.4 L到20 L就有14个规格之多.四川自贡格瑞复合材料公司引进德国BSD设备和技术,于2000年6月生产CNG复合材料气瓶,年生产能力为5万只(按复合材料气瓶计算).自贡久大盐业集团公司、中国节能投资公司、哈尔滨玻璃钢研究所等为该公司的股东.哈尔滨玻璃钢研究所能提供四工位微机控制的气瓶专用缠绕机[9-10].另外国内的一些高校也投入到复合材料气瓶的研究中,哈尔滨工业大学下属的复合材料研究所,在气瓶复合材料层的黏弹性结构关系上做了大量研究,综合考虑了固化度、化学反应热、纤维张力、树脂黏度和固化反应等因素对外纤维缠绕层的影响,建立了固化过程中树脂的流动模型,并根据复合材料特有的性质建立了合理的气瓶模型.南京航空航天大学对全复合材料气瓶做了市场考察,在技术可行性方面提出全复合材料气瓶的关键技术是疲劳设计技术和制造技术.北京玻璃钢研究院在全复合材料气瓶的研制方面,将内胆采用了变壁厚的设计,使气瓶结构更加合理.另外武汉理工大学有自行研制的张力、含胶量微机控制系统;有高压气瓶纤维缠绕设备和工艺一体化制造技术.四川大学科技园也发出复合材料高压(CNG 气瓶)容器生产线招商消息.4 国内外复合材料气瓶性能和结构的研究情况目前,国外复合材料气瓶的研究主要集中在对复合材料本身的性能及容器本身的各种极限问题的研究上.Krikanov[11]采用数值方法,考虑了封头强度必须由螺旋缠绕层来提供,并用层合板参数进行了压力容器优化,并结合实验进行了优化设计.M.W.K.Rosenow[12]利用经典层合理论分析了薄壁复合容器的缠绕角度在15°～85°之间变化时的应力应变;对于环向应力和轴向应力之比等于2的圆筒形容器,均衡性缠绕角最优值为55°.M.Z.Kabir[l3]把内衬视为理想塑性材料,而缠绕层视为弹性材料,研究了容器的等应力封头应力分布,同时又利用接触单元研究了纤维层与内衬界面应力分布问题.Adali等[l4]则应用弹性理论和Tsai-Wu破坏准则来计算容器的最大破坏压力,在此基础上采用鲁邦多维法进行了优化分析.Chamis等[15]研究了复合容器的断裂破坏问题.Ahlstrom[16]研究了复合容器的形状优化问题,并优化了纤维缠绕角.Martin[17]利用膜应力理论对复合容器进行了优化设计.国内的研究主要在结构设计以及数值模拟方面.陈汝训[18]对复合材料压力容器进行了设计,给出了具有衬里的纤维缠绕压力容器纤维厚度的设计计算方法;通过对具有内衬的压力容器的分析,提出了如果内衬选取塑性性能较高的材料时,可实现内衬和纤维缠绕壳体同时破坏,以提高壳体的承载能力;并指出对于具有内衬的厚壁纤维缠绕压力容器的分析是不能采用网格理论的.许贤泽等[19-20]对纤维缠绕复合材料气瓶壳体进行了弹性和弹塑性分析.刑志敏[9]分析了气瓶的弹性力学几何方程、气瓶的内力等;采用非电量电测法分别对复合材料气瓶和内衬铝胆的应变进行测试,并得出其应变分布曲线,分析出复合材料气瓶在压力加载下的轴向应变和环向应变主要发生在筒身部分,在封头和过渡区域的应变比较小;并利用AN-SYS对复合材料气瓶及其铝胆进行建模和分析计算,得出铝胆的工作应力水平是影响复合材料CNG气瓶工作性能的关键因素之一.许贤泽和刑志敏还对气瓶的破坏机理进行了探究和分析.苏文献等[21]对CNG燃料汽车气瓶进行了水压试验,同时进行了爆破试验,预测出该气瓶的实际爆破压力.结果证明,有限元分析结果与实际情况吻合得较好.嵇醒等[22-23]讨论了对复合材料气瓶采用预紧工艺的必要性及其实现方法,并使用有限元分析软件分析了预紧压力对工作压力下气瓶应力的影响,得出预紧压力可以降低工作压力下气瓶的应力水平和提高气瓶的疲劳寿命[24].5 结语复合材料气瓶属于朝阳产业,目前正方兴未艾.国内外在复合材料气瓶的研究方面都投入了很大的人力和物力,我国的复合材料气瓶产业刚刚起步,目前还存在很多问题.但是我国的纤维缠绕技术有深厚的根基,把纤维缠绕技术和其它技术相结合,另外加强Ansys软件在复合材料气瓶方面的应用,在不久的将来便会收获成就和喜悦.参考文献[1]王明寅,刘文博,王士巍,等.复合材料高压氮气气瓶的结构设计与试验分析[J].纤维复合材料,2003,32(2):53-54.[2]赵颖.复合气瓶的界面及缠绕方式研究[D].辽宁:辽宁工程技术大学,2002.[3]解越美,谭轶谦.复合材料气瓶在美国的现状及发展[J].锅炉压力容器安全技术,2002,24(6):15-17.[4]张克铜.空气呼吸器复合气瓶及定期检验[J].中国个体防护装备,2009,17(5):40-44.[5]周海成,阮海东.纤维缠绕复合材料气瓶的发展及其标准情况[J].压力容器,2004,21(9):32-36.[6]张璇.铝合金内胆碳纤维缠绕气瓶结构分析与研究[D].长沙:国防科技大学,2007.[7]Vey R,Cederbergar,Schimentijd.Design and analysis techniques for composite pressure tankage with plastically operating aluminum liners,AIAA29022345[R].New York:AIAA,1990.[8]张洁.国内复合材料气瓶发展及气瓶标准概况[J].纤维复合材料,2007,36(3):39-42.[9]邢志敏.复合材料CNG气瓶的力学性能研究[D].北京.北方工业大学,2005.[10]周海成,阮海东.纤维缠绕复合材料气瓶的发展及其标准情况[J].压力容器,2004,21(9):32-36.[11]Krikanov.Minimum weight design of pressure vessel with constraints on stiffness and strength[C].Proceedings of the 10th ASC Technical Conference on Composite material.Santa Monica,CA,1995:107-113. 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固规(压力容器容规)介绍
监检人员应当对焊接工艺的评定过程进行监督。 焊接工艺评定完成后，焊接工艺评定报告和焊接工艺指导书应 当经过制造（组焊）单位焊接责任工程师审核，技术负责人批准， 并且经过监检人员签字确认后存入技术档案。焊接工艺评定技术 档案应当保存至该工艺评定失效为止，焊接工艺评定试样应当保 存5年。 3.关于外观要求（ 《固规》笫四章笫四节） (1)将“原容规”的“外部检查”修改为“外观要求”因外部 检查意味着只检查容器及其承压另部件外表面的质量,而外观要 求则要求检查容器及其承压另部件内、外表面的尺寸、形状与表 面缺陷，使之更加完善合理。 （2）删除“原容规”关于咬边等过细的具体要求。
GB150等标准已对锻焊式压力容器的制造与检验做了较为完 善严格的规定,锻焊式压力容器产品的质量日益稳定与提高, 因此“固规”仅保留“原容规”对锻焊式压力容器的原则要 求,而将材料延伸率、容器圆度、表面粗糙度等过细的技术指 标全部删除。
12.铸造容器（“固规”笫一百零三条）
(1)将“原容规”中铸铁容器更名为铸造容器,以适应对铸 铁与铸钢容器的发展需求。 （2）仅保留“原容规”对铸造容器基本安全的原则要求， 将修复方法等过细的技术内容删除。
（4）将“原容规”对耐压试验时“升压到规定的试验压力,保 压30分钟,然后,降至规定试验压力的80%(指液压)或87%(指气 压) ”的规定修改为“升压到规定的试验压力,保压足够时间, 然后降至设计压力”。（“固规”笫九十五条三款）
14
（5）考虑到耐压试验时，因临时受压元件焊接质量不良而存 在诱发事故的可能，“固规”增加了“耐压试验时，压力容 器上焊接的各种临时受压元件，其焊接与无损检测要求应当 与永久受压元件相同”。（“固规”笫九十三条） （6）考虑到夹套搪玻璃设备进行压力试验，有可能诱发搪玻 璃层出现裂纹，从而降低其耐蚀功能，因此，删除“原容规” 对这类产品进行耐压试验的要求。 （7）为满足日益增多的高严密性容器检漏的需要，依据检漏 技术发展现状，将“原容规”中单一的气密性试验，扩充至 气密性试验、氨检漏试验、卤素检漏试验及氦检漏试验四种 检漏试验方法，并对三种新增加的检漏方法提出了原则要求。 （“固规”笫一百条）
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复合材料压力容器设计
摘要:
本文主要是对具体复合材料制品的设计方案报告，内容涵盖所选产品构件
的发展历程及应用现状、总体设计目标及性能指标要求、材料选择及适用性分析、
结构形式及设计思路方法、制造工艺方案及实现流程、产品质量成本分析与性能
验收指标等。
关键词:复合材料，压力容器，设计方案
一、 引言:
压力容器是承受一定压力，具有潜在危险的设备。用于制造压力容器的材料
需要满足机械强度、韧性、与介质相容性、可制造性等要求。随着工业上对压力
容器技术要求的不断提高，迫切要求压力容器能够在更苛刻的条件下具有更优良
的性能，压力容器材料方面的突破，对整个压力容器技术的突破具有重要意义。
本文主要是对具体复合材料制品的设计方案报告，内容涵盖所选产品构件的
发展历程及应用现状、总体设计目标及性能指标要求、材料选择及适用性分析、
结构形式及设计思路方法、制造工艺方案及实现流程、产品质量成本分析与性能
验收指标等。
二、 发展历程及应用现状
压力容器是当代化工、炼油、石化、冶金、轻工、食品、宇航、海洋以及核
站等广泛应用的关键设备。其中， 诸如大型压力贮罐、氨合成塔、尿素合成塔、
石油加氢反应器， 以及核堆压力壳等都是国际上公认的高科技重大装备。应力
状态复杂， 使用条件苛刻， 大型化， 制造运输困难， 安全状态难以实现自动
监控， 潜在断裂爆破危险等， 是当代压力容器技术的基本特点。国际上压力容
器单台造价超千万美元和发生突然断裂、泄漏、爆炸、燃烧、中毒等严重后果的
事例常见， 因此， 发展科学合理的压力容器技术关系重大。
三、 总体设计目标及性能指标要求
材质自然可靠， 各种缺陷， 特别是隐藏在原材料和焊缝中的裂纹等缺陷应
少且小， 最终又能被容器结构本身自然分散；
容器环向与轴向承压和温差应力状态均安全合理， 抗疲劳强度、刚度均足
够可靠， 能实现较为理想的等强度优化设计；
根本消除厚环焊缝或贯穿焊缝， 避免单向缠绕的复杂型槽扣合或庞大的轴
向承力框架；
根本改变容器突然断裂爆破的失效破坏方式，具有自我抑爆保护功能， 在
操作压力条件下，即使发生腐蚀、疲劳等各种裂纹严重扩展， 容器结构本质上
不会发生突然断裂爆破的严重后果；
能实现经济可靠的失效报警， 内部介质泄漏能自动收集与排放处理， 在线
安全状态及腐蚀状态能自动监控诊断；
制造过程避免使用大型、贵重设备和困难的制造技术， 以根本避免制造过
程产生裂纹等缺陷， 并降低制造成本和提高生产效率；
能实行设备的预知维修， 延长停产开罐检查的使用周期， 减少频繁停产检
查的重大经济损失；
具有耐高温、耐低温、耐腐蚀、耐辐射， 以及较好的抗地震、飓风等突然
冲击破坏的性能， 结构设计灵活， 限制条件少， 适应范围广。
四、 材料选择及适用性分析
五、 结构形式及设计思路方法
由于复合材料不同于钢材，不能通过焊接等工艺制造压力容器，也不能在筒
体上方便地开孔、接管等，复合材料压力容器必须考虑复合材料的特有性能，其
结构的连接、密封等都有不同于钢材的方法。
图1介绍一个典型的轴对称圆柱形筒体复合材料压力容器的结构和制造过
程。典型的压力容器通常由接头2，上部3，中部4和下部5构成。6和7分别
表示的是短纤维复合填料和长纤维复合加强件。
图1 复合材料压力容器示意图
1.容器；2. 接头；3. 上部；4. 中部；5.下部；
6.短纤维；7. 长纤维加强件
图2表示的接头是由短纤维复合材料层包围的金属适配器，用以连接管子、
阀门等，以便装载和排出物料，由于复合材料不适合经常的螺纹装配，需要使用
金属。在这种情况下，连接部分必须保证安全，由短纤维和树脂组成的填料能够
较好地填进槽中，将长纤维加强件和金属适配器紧密地连接起来。
主视图 左视图
图2 接头
1.金属适配器；2. 金属螺纹；3.纵向槽；4. 周向槽
在本例中，容器下部是向内的，这适合于低压的情况，而向外则适合于高压
的情况。上部和中部、中部和下部之间通过金属环连接，结构见图3。
图3 连接环示意图
1.上部；2.中部；3，4.金属环
该结构的压力容器在制造时，用工具钢或碳钢做模。模通常分为上、下两个
部分，严格定义内部空心部分的形状。将待成型的容器做成上面所述的形状，在
其内部放置一个用尼龙做成的袋子，袋子端部有一个用以接受压缩空气的接头。
然后将成型的容器放进模中，通入压缩空气，使得容器的材料膨胀，紧贴模的内
壁，最终制成所需的容器。
六、 制造工艺方案及实现流程
复合材料压力容器一般采用纤维缠绕工艺方法制造，由连续纤维提供产品所
需的强度和刚度。制造时一般采用延展性好的金属材料如铝、热塑性塑料或橡胶
傲内衬以满足容器的气密性能和疲劳性能要求。
设计上一般采用网络理论进行网络分析。网络理论认为由纤维连续缠绕而成
的器纤维分布均匀，同时受力，不计基体刚度，载荷全部由纤维承担。筒身可以
进行螺旋缠绕、螺旋缠绕加环向缠绕、螺旋缠绕加纵向铺放、纵向铺放加环向缠
绕。封头的形状不能预先给定。必须通过计算决定，且网络徽元必须以均衡型条
件为前提，只能进行螺旋或平面缠绕，不能进行环向缠绕。通过网络分析获得缠
绕纤维的缠绕方向、纤维厚度和纤维应力。
具体方案如下
七、 产品质量成本分析与性能验收指标
容器载荷分析方法
复合材料结构是生产与成型一起完成的，材料内部纤维结构保存完整，从而
保证复合材料机械强度较高。但由于纤维结构沿壁厚上呈现非均匀分布，使得应
力分析比较困难，目前还没有完整的理论体系对其进行分析，只能通过一些简化
理论进行求解。对于一些复杂的问题，可采用数值分析方法分析，复合材料压力
容器可用的数值分析方法有有限元位移法、边界元法、应力杂交元法和有限元混
合法等。
八、 结语：
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中国专利：CN1529083A.2004-9-15