專利名稱：高壓氣瓶的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高壓容器，特別是涉及一種用于儲運(yùn)壓縮天然氣(CNG)、氫氣等高壓氣 體的高壓氣瓶。
背景技術(shù)：
大型高壓氣瓶尤其是CNG大型高壓氣瓶(其水容積超過450公升)，目前還都是采 用合金無縫鋼管經(jīng)旋壓和調(diào)質(zhì)處理而制成的、整體結(jié)構(gòu)的無縫容器。滿載時(shí)，其內(nèi)表面承受 的切向拉應(yīng)力很大其計(jì)算應(yīng)力(如mises應(yīng)力)達(dá)到了工程許用應(yīng)力；而在遠(yuǎn)離氣瓶兩端 的部位，因軸向應(yīng)力很小，致使mises應(yīng)力僅達(dá)到許用應(yīng)力的1/2，即使在氣瓶兩端的mises 應(yīng)力也僅為許用應(yīng)力的2/3。在氣瓶的不同部位，mises應(yīng)力值相差如此之大，說明傳統(tǒng)的 整體筒氣瓶遠(yuǎn)未達(dá)到等強(qiáng)設(shè)計(jì)，還有強(qiáng)度潛力可挖掘。另一個(gè)重要問題是，整體筒存在著突 然爆裂的危險(xiǎn)。一旦產(chǎn)生裂紋，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)張的速度很快，無法控制就會爆裂，由此會導(dǎo)致 非常嚴(yán)重的危險(xiǎn)事故。因而目前的產(chǎn)品都采用加大安全系數(shù)的設(shè)計(jì)方法，導(dǎo)致該類氣瓶存 在自重很大、存儲效率較低的缺點(diǎn)。壓縮天然氣(CNG)的儲運(yùn)容器是高壓氣瓶。由于壓縮天然氣的存儲壓力高 (25MPa)，又是可燃?xì)怏w，所以，對氣瓶的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)、制造和檢查的各個(gè)環(huán)節(jié)都有嚴(yán)格 的要求。目前，對于高壓氣瓶已經(jīng)出臺相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)，例如IS011119、IS011120等。行業(yè) 中常用的、例如水容積450公升以上的大尺寸、大容積氣瓶都是整體結(jié)構(gòu)的高壓氣瓶，都采 用高強(qiáng)度合金無縫鋼管(4130X)作為原材料，經(jīng)兩端旋壓成形、整體調(diào)質(zhì)處理、加工瓶口螺 紋、清除內(nèi)外表面銹蝕物、無損探傷、測厚、外層涂覆防腐層、超值保壓等工序進(jìn)行加工。此 外，還需要進(jìn)一步執(zhí)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制和檢查措施，這樣才能保證達(dá)到相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)的要 求。因而，此類的高壓氣瓶的制造成本高昂，自重也比較大。此外，在現(xiàn)有技術(shù)中，還有一種 玻璃鋼纏繞結(jié)構(gòu)的中小型高壓氣瓶(水容積通常小于450公升)，在鋼瓶外層纏繞了玻璃纖 維和環(huán)氧樹脂的混合物，從而形成一個(gè)保護(hù)層殼，但纏繞時(shí)不可以施加較大的預(yù)應(yīng)力。這可 以對氣瓶內(nèi)膽形成一定程度的加強(qiáng)和保護(hù)，可以緩沖內(nèi)膽的爆裂。這種氣瓶比同等容積的 整體結(jié)構(gòu)氣瓶重量輕，已經(jīng)應(yīng)用于天然氣車輛的燃?xì)馊萜?；更高級的氣瓶是在高?qiáng)度鋁合 金內(nèi)膽或者高強(qiáng)度塑料內(nèi)膽的外表面纏繞碳纖維樹脂，形成重量更輕、強(qiáng)度更大的保護(hù)層， 可承受更高的工作壓力，此類高壓氣瓶也沒有施加預(yù)應(yīng)力。但是，經(jīng)過此類工藝處理的高壓 氣瓶的成本極其昂貴。例如，圖1顯示了現(xiàn)有的用于儲運(yùn)壓縮天然氣(CNG) —體式大型高壓氣瓶100’。該 高壓氣瓶100，在空載狀態(tài)下，內(nèi)膽101，不受力。該高壓氣瓶100，在滿載時(shí)，內(nèi)膽101，的 內(nèi)表面承受較大的圓周切向拉應(yīng)力。其破壞方式為切向拉應(yīng)力過大而引起的拉伸裂紋。根 據(jù)有關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)提供的計(jì)算方法，當(dāng)高壓氣瓶100’的材質(zhì)為4130X、工作壓力為25MPa時(shí)， 計(jì)算出的最小壁厚為17.3mm。由此可見，此種類型的高壓氣瓶完全依靠材料的自身性能來 實(shí)現(xiàn)高壓下的安全性，由此必然對材料性能提出了較高的要求。此外，所使用的材料量也非 常大，由此造成成本高昂。
圖2顯示了另一現(xiàn)有的高壓氣瓶100”，所述高壓氣瓶100”包括內(nèi)膽101” ；以及 纏繞在內(nèi)膽101”的外表面的玻璃纖維樹脂層102”。所述高壓氣瓶100”通常為中小型氣 瓶。內(nèi)膽101”也由優(yōu)質(zhì)高合金無縫鋼管旋壓而成。但是，玻璃纖維樹脂層102”在纏繞時(shí) 并不承受預(yù)應(yīng)力，僅起到內(nèi)膽101”的約束、增強(qiáng)和保護(hù)的作用。據(jù)此計(jì)算出的內(nèi)膽最小壁 厚為7. Imm,玻璃纖維樹脂層厚度為10mm。隨著人類社會對天然氣的需求不斷擴(kuò)大，隨著該行業(yè)的日益快速發(fā)展，對能承受 更大的工作壓力的大型氣瓶的需求也在增長。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明需要提供一種高壓氣瓶，所述高壓氣瓶能夠在保證強(qiáng)度的條件 下最大程度地減少材料的使用量，同時(shí)可以提高整個(gè)高壓氣瓶的使用安全性能。根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種高壓氣瓶，所述高壓氣瓶用于儲運(yùn)高壓流體，包 括內(nèi)膽；以及有效預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層，所述有效預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層形成在所述內(nèi)膽的外 表面上。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述有效預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層通過在內(nèi)膽上以預(yù)定額定 值張力的鋼絲纏繞而形成，且所述預(yù)定額定值控制成在空載條件和滿載條件下使得所述內(nèi) 膽的各部位的計(jì)算應(yīng)力大體相等。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述有效預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層層通過在內(nèi)膽上以預(yù)定額 定值張力的鋼絲纏繞而形成，且所述內(nèi)膽被施加以預(yù)壓應(yīng)力，從而在空載條件和滿載條件 下使得所述內(nèi)膽的各部位的計(jì)算應(yīng)力大體相等。根據(jù)本發(fā)明的具有預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度鋼絲纏繞結(jié)構(gòu)的高壓氣瓶，可以顯著地達(dá)到以下 的技術(shù)效果1、在原有鋼瓶材質(zhì)、尺寸和厚度不變的前提下，通過增設(shè)預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度鋼絲層，可 使鋼瓶所承受的工作壓力提高到30MPa以上，自重僅稍有增加，從而為提高高壓流體的工 作壓力找到了一種實(shí)用、簡便的結(jié)構(gòu)；2、在額定工作壓力無需提高的情況下，通過增設(shè)預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度鋼絲纏繞層，則可 以達(dá)到結(jié)構(gòu)和受力狀態(tài)等強(qiáng)，減少內(nèi)膽的壁厚，減少材料用量的效果；3、由于等彈性模量值、高強(qiáng)度鋼絲預(yù)應(yīng)力的并行結(jié)構(gòu)與非預(yù)應(yīng)力纏繞結(jié)構(gòu)(玻璃 纖維、碳纖維)相比，具有更高的可靠性和耐疲勞能力，從而進(jìn)一步消除了高壓氣瓶發(fā)生突 然炸裂的危險(xiǎn)。還有可能采用普通合金無縫管40Cr取代高成本的無縫鋼管4130X制造內(nèi) 膽，將大大降低制造成本。另外，根據(jù)本發(fā)明的高壓氣瓶還具有如下附加技術(shù)特征根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，用于形成所述內(nèi)膽和所述有效預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層的材 料的彈性模量大致相同。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述高壓氣瓶進(jìn)一步包括玻璃纖維保護(hù)層，所述玻璃 纖維保護(hù)層形成在所述有效預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層的外表面上。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述玻璃纖維保護(hù)層通過玻璃絲布條浸漬環(huán)氧樹脂而 固化形成。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述鋼絲由含碳量超過0. 60%的低合金鋼或碳鋼所制
5成。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述鋼絲相對于所述高壓氣瓶的母線以小于90度的 預(yù)定角度纏繞在所述內(nèi)膽上。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述鋼絲的導(dǎo)程等于所述螺旋線的螺距，可選地，所述 鋼絲的導(dǎo)程可以大于所述螺旋線的螺距，進(jìn)一步可選地，所述鋼絲的導(dǎo)程可以小于所述螺 旋線的螺距。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述高壓氣瓶進(jìn)一步包括保護(hù)鋼絲纏繞層，所述保護(hù) 鋼絲纏繞層通過在所述有效預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層的外表面纏繞鋼絲而形成，且所述保護(hù)鋼絲 纏繞層的鋼絲張力為預(yù)定額定值的張力的10-80%。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述高壓氣瓶進(jìn)一步包括玻璃纖維保護(hù)層，所述玻璃 纖維保護(hù)層形成在所述保護(hù)鋼絲纏繞層的外表面上。預(yù)定額定值根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述玻璃纖維保護(hù)層中纏繞有稀疏鋼絲， 以進(jìn)一步緊固所述玻璃纖維保護(hù)層。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述內(nèi)膽被施加以預(yù)定的預(yù)壓應(yīng)力，所述預(yù)壓應(yīng)力被 控制成在滿載時(shí)，使所述高壓氣瓶內(nèi)壁中的切拉應(yīng)力或切拉應(yīng)變均達(dá)到預(yù)定值，以進(jìn)一步 獲得有益的技術(shù)效果。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述鋼絲的橫截面為帶圓角的矩形、正方形、梯形或圓 形。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述有效預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層通過將多條鋼絲焊接，且 所述鋼絲以預(yù)定額定值纏繞在所述內(nèi)膽上，其中與焊接接頭相鄰的第一圈鋼絲張力為所 述預(yù)定額定值的40 50%，與所述焊接接頭相鄰的第二圈鋼絲張力為所述預(yù)定額定值的 60 70%，與所述焊接接頭相鄰的第三圈鋼絲張力應(yīng)達(dá)到所述預(yù)定額定值。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，形成所述有效預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層的鋼絲的第一圈和最 后一圈的鋼絲預(yù)應(yīng)力張力為鋼絲預(yù)定額定值的10-20%。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述高壓氣瓶具有大致I形的形狀。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，纏繞在所述高壓氣瓶上的非圓柱體部分的有效預(yù)應(yīng)力 鋼絲纏繞層內(nèi)的被纏繞鋼絲之間通過粘合劑粘接而固定。本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。


本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對實(shí)施例的描述中將變 得明顯和容易理解，其中圖1顯示了現(xiàn)有整體結(jié)構(gòu)的大型高壓氣瓶的剖視圖；圖2顯示了另一現(xiàn)有玻璃纖維樹脂纏繞結(jié)構(gòu)的中小型高壓氣瓶的剖視圖；圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的高壓氣瓶的剖視圖；圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的高壓氣瓶的剖視圖；圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的高壓氣瓶的鋼絲纏繞示意圖；以及圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的高壓氣瓶的部分截面剖視圖。
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的描述中，術(shù)語“內(nèi)側(cè)”、“外側(cè)”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“頂”、“底” 等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明而 不是要求本發(fā)明必須以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。在下述中，將以儲存壓縮天然氣(CNG)的高壓氣瓶來進(jìn)行詳細(xì)說明，但是需要理 解的是，本發(fā)明的高壓氣瓶還可以用于儲運(yùn)壓縮氮?dú)?、壓縮高壓液體等，由此，此處壓縮天 然氣僅出于示例的目的，而不能理解為限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明的高壓氣瓶的保護(hù) 范圍由所附權(quán)利要求進(jìn)行限定。本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思如下。提出了一種在鋼質(zhì)氣瓶內(nèi)膽的外表面增加高強(qiáng)度的預(yù) 應(yīng)力纏繞層，預(yù)應(yīng)力鋼絲層的外表面再纏繞玻璃纖維保護(hù)層，從而形成一種復(fù)合結(jié)構(gòu)、復(fù)合 材料的高壓氣瓶。該高壓氣瓶的內(nèi)膽在空載情況下，要承受鋼絲層施加的預(yù)定的內(nèi)壁切向 壓應(yīng)力，高強(qiáng)度的預(yù)應(yīng)力纏繞層可以承受足夠的預(yù)拉應(yīng)力；當(dāng)氣瓶充滿氣、達(dá)到額定工作壓 力時(shí)，內(nèi)膽內(nèi)壁的切向應(yīng)力值雖有增加，但仍在允許范圍內(nèi)；預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層的應(yīng)力值也 會增加，即預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層的拉應(yīng)力值從原來預(yù)拉應(yīng)力值又進(jìn)一步增加，但現(xiàn)有的例如 65Mn等高強(qiáng)度鋼絲均具有足夠的強(qiáng)度和蠕變閾值，并不會發(fā)生失效。玻璃纖維樹脂層纏繞 在預(yù)應(yīng)力鋼絲層表面，可以進(jìn)一步防止機(jī)械碰撞、腐蝕等對預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層的損傷作用， 從而起到保護(hù)的作用。因而，所述高壓氣瓶的安全裕度很高。下面將參照附圖來說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的高壓氣瓶100，其中圖3顯示 了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的高壓氣瓶100的剖視圖，圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí) 施例的高壓氣瓶200的剖視圖，圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的高壓氣瓶100的鋼 絲104的纏繞示意圖，圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的高壓氣瓶100的部分截面剖 視圖。如圖3中所示，所述高壓氣瓶100包括內(nèi)膽101 ；以及有效預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層 102，所述有效預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層102纏繞在所述內(nèi)膽101的外表面上。所述預(yù)應(yīng)力纏繞層 102通過在內(nèi)膽101上以預(yù)定的額定值張力的鋼絲纏繞而形成預(yù)定額定值，且所述預(yù)定額 定值控制成在空載條件和滿載條件下使得所述內(nèi)膽的各部位的計(jì)算應(yīng)力大體相等。圖3中示出了所述內(nèi)膽101的三向應(yīng)力，根據(jù)計(jì)算應(yīng)力的計(jì)算方法，例如Mises應(yīng) 力，其可以由例如下述的三向主應(yīng)力來獲得彳O1- )2+O2-σ3)2+(1 )其中0l、02、03分別為三向主應(yīng)力。在本發(fā)明中，需要將計(jì)算應(yīng)力在滿載和空載 的情況下均實(shí)現(xiàn)等強(qiáng)設(shè)計(jì)，即雙向等強(qiáng)設(shè)計(jì)，從而可以最大程度地提高高壓氣瓶100的強(qiáng) 度和安全性以及最大程度地減輕所使用的材料重量。由此，在本發(fā)明的高壓氣瓶100中，通過改善所述高壓氣瓶100的內(nèi)膽101以及有 效預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層102的受力狀態(tài)，從而可以從根本上改善高壓氣瓶的受力狀態(tài)，并達(dá)到高壓氣瓶內(nèi)部的等強(qiáng)設(shè)計(jì)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，用于形成所述內(nèi)膽101和所述有 效預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層102的材料的彈性模量大致相同，從而可以保證預(yù)應(yīng)力纏繞層102和 內(nèi)膽101之間變形的一致性和連續(xù)性。采用多層、等彈性模量纏繞層的并行結(jié)構(gòu)、完全消除 了內(nèi)膽101裂紋迅速擴(kuò)展而造成的爆裂，由此可設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)新穎、實(shí)用經(jīng)濟(jì)的新型鋼瓶。所述高壓氣瓶100可以進(jìn)一步包括玻璃纖維保護(hù)層103，所述玻璃纖維保護(hù)層 103可以纏在所述有效預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層102的外表面上。如圖3中所示，所述玻璃纖維保 護(hù)層103可以通過將玻璃絲布條浸漬環(huán)氧樹脂并纏在所述有效預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層102上而 被固化形成?？蛇x地，所述鋼絲104由含碳量超過0. 60%的低合金鋼或碳鋼所形成。且所述鋼 絲104的橫截面為帶圓角的矩形、正方形、梯形或圓形。鋼絲可以由成本不高的高強(qiáng)度材料制成?？蛰d條件下，高強(qiáng)度鋼絲層本身承受著 一定的預(yù)拉應(yīng)力，在滿載條件下，其拉應(yīng)力值雖繼續(xù)增加，但仍小于強(qiáng)度許用值及蠕變門檻 值，從而極大地降低了高壓氣瓶100的制造成本。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述鋼絲104相對于所述高壓氣瓶100的母線以小于 90度的預(yù)定角度纏繞在所述內(nèi)膽101上。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述鋼絲104的導(dǎo)程d等于所述螺旋線的螺距，如圖5 中所示，可選地，所述鋼絲104的導(dǎo)程d大于所述螺旋線的螺距，進(jìn)一步可選地，所述鋼絲 104的導(dǎo)程d小于所述螺旋線的螺距。如圖5中所示，已纏繞鋼絲與正在纏到氣瓶上的鋼絲104之間存在一個(gè)夾角α，稱 為導(dǎo)前角，控制α值可保證鋼絲104的纏繞質(zhì)量。可選地，如圖6中所示，所述高壓氣瓶100可以進(jìn)一步包括保護(hù)鋼絲纏繞層105， 所述保護(hù)鋼絲纏繞層105纏繞在所述有效預(yù)應(yīng)力纏繞層102的外表面上，且所述保護(hù)鋼絲 預(yù)應(yīng)力纏繞層105的鋼絲的張力為預(yù)定額定值的10-80%。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述高壓氣瓶100可以進(jìn)一步包括玻璃纖維保護(hù)層 103，所述玻璃纖維保護(hù)層103形成纏在所述保護(hù)鋼絲纏繞層105的外表面上。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述高壓氣瓶100可以進(jìn)一步包括另一保護(hù)鋼絲纏 繞層106，所述另一保護(hù)鋼絲纏繞層106纏繞在所述保護(hù)鋼絲纏繞層105的外表面上，且所 述另一保護(hù)鋼絲纏繞層106的鋼絲的張力為預(yù)定額定值的10-15%。由此，通過在內(nèi)膽101之上采用多層等彈性模量預(yù)應(yīng)力纏繞層的并行結(jié)構(gòu)，且其 中的預(yù)應(yīng)力逐級減小的應(yīng)力分布特點(diǎn)，從而完全地消除了內(nèi)膽101爆裂的可能性，由此設(shè) 計(jì)出結(jié)構(gòu)新穎、實(shí)用經(jīng)濟(jì)的新型鋼瓶。基于所述另一保護(hù)鋼絲纏繞層106的結(jié)構(gòu)，可選地，所述高壓氣瓶100可以進(jìn)一步 包括玻璃纖維保護(hù)層103，所述玻璃纖維保護(hù)層103形成在所述另一保護(hù)鋼絲纏繞層106 的外表面上。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述玻璃纖維保護(hù)層中纏繞有稀疏鋼絲，以進(jìn)一步緊 固所述玻璃纖維保護(hù)層。即，在浸漬環(huán)氧樹脂的玻璃絲布外表面上，當(dāng)環(huán)氧樹脂尚未固化 時(shí)，用大導(dǎo)程稀疏纏繞鋼絲以緊固環(huán)氧樹脂玻璃絲布層，大導(dǎo)程稀疏纏繞鋼絲用環(huán)氧樹脂 玻璃絲布層最終固結(jié)，從而形成所述玻璃纖維保護(hù)層103，并保護(hù)所述預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述內(nèi)膽101自身也可以被施加以預(yù)定的預(yù)壓應(yīng)力，所述預(yù)壓應(yīng)力被控制成在滿載時(shí)，使所述高壓氣瓶100的內(nèi)壁具有預(yù)定的切拉應(yīng)力和/或 者切拉應(yīng)變。下面將說明形成所述有效預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層102的方法。需要說明的是，對于保 護(hù)鋼絲纏繞層105、所述另一保護(hù)鋼絲纏繞層106均可以采用相同的纏繞方法來進(jìn)行纏繞。需要說明的是，鋼絲104不但在高壓氣瓶100的母線為直線的部位(筒身處)處 纏繞，也同樣可以在母線為非直線的部位(兩端處)對高壓氣瓶100進(jìn)行纏繞預(yù)緊，并達(dá)到 相同的應(yīng)力要求。例如，對于纏繞在所述高壓氣瓶100上的非圓柱體部分的有效預(yù)應(yīng)力鋼 絲纏繞層102內(nèi)的被纏繞鋼絲之間可以通過粘合劑粘接而固定。同樣地，對于保護(hù)鋼絲纏 繞層105、所述另一保護(hù)鋼絲纏繞層106均可以采用相同的纏繞方法來進(jìn)行纏繞。通常，可以采用單條鋼絲來纏繞形成所述有效預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層102。可選地，在 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述有效預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層102可以通過將多條鋼絲104焊 接，且所述鋼絲104以預(yù)定的鋼絲預(yù)定額定值纏繞在所述內(nèi)膽101上，其中與焊接接頭相鄰 的第一圈鋼絲張力為所述鋼絲預(yù)定額定值的40 50%，與所述焊接接頭相鄰的第二圈鋼 絲張力為所述鋼絲預(yù)定額定值的60 70%，與所述焊接接頭相鄰的第三圈鋼絲張力應(yīng)達(dá) 到鋼絲預(yù)定額定值，這是因?yàn)楹附又蠛附咏宇^處的張力降低，由此在焊接接頭處需要降 低其預(yù)應(yīng)力張力，以防止在滿載的情況下，在焊接接頭處產(chǎn)生應(yīng)力缺陷。此外，纏繞過程中， 兩卷鋼絲連接方式為焊接連接，焊接接頭強(qiáng)度可以大于母材強(qiáng)度的30 80%?；谂c上述相似的理由，在鋼絲纏繞的起始和結(jié)束位置處，也需要降低其中的預(yù) 應(yīng)力張力。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，形成所述有效預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層102的鋼絲104的 第一圈和最后一圈的鋼絲預(yù)應(yīng)力張力為鋼絲預(yù)定額定值的10-20%。鋼絲的起頭和收頭處 容易拉斷或者被拔出來，所以只需要施加很小的張力，否則容易出問題。可選地，可以采用 現(xiàn)有的各種粘結(jié)方法，將鋼絲104的起頭固定在瓶膽101上，收頭固定在已纏繞環(huán)氧樹脂玻 璃絲布層或保護(hù)鋼絲纏繞層105、106上。但是，需要說明的是，不可在瓶膽上鉆孔、套扣等 機(jī)械連接來固定鋼絲起頭和收頭。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述高壓氣瓶具有大致I形的形狀。下面將結(jié)合圖3、4來進(jìn)一步描述本發(fā)明的高壓氣瓶的優(yōu)點(diǎn)。作為比較，本發(fā)明采 用與現(xiàn)有的高壓氣瓶100’相同的內(nèi)膽的高壓氣瓶100，即其材質(zhì)為4130X，壁厚為17. 3mm, 整體結(jié)構(gòu)為I型瓶體。根據(jù)有限元分析計(jì)算，當(dāng)外表纏繞了本發(fā)明的有效預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞 層102和玻璃纖維樹脂保護(hù)層103以后，內(nèi)膽101能承受的工作壓力可以超過30MPa，從而 為提高高壓氣瓶100的工作壓力創(chuàng)造了有利的條件。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述內(nèi)膽 可以為鋼質(zhì)內(nèi)膽，在制造過程中，對鋼質(zhì)內(nèi)膽預(yù)先施加預(yù)定的預(yù)壓應(yīng)力，以保證在高壓氣瓶 100滿載時(shí)不出現(xiàn)拉應(yīng)力，改善了內(nèi)膽的受力狀態(tài)；預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層有很高的許用強(qiáng)度， 在最大載荷作用下，鋼絲應(yīng)力不但能很好地滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)范，且低于其蠕閾值，保證高壓 氣瓶100在工作溫度低于80度時(shí)，不會因?yàn)殇摻z松弛而影響氣瓶的預(yù)應(yīng)力。從并行和串行結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)看，所述預(yù)應(yīng)力纏繞層屬并行結(jié)構(gòu)，裂紋不可能在鋼絲 層上跨鋼絲而傳遞，因而完全消除高壓氣瓶在工作狀態(tài)下的突然爆裂的可能；玻璃纖維保 護(hù)層103無需施加預(yù)應(yīng)力，可以僅起保護(hù)所述預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層102中的鋼絲外表面不受 損壞的作用。因此，總體來說，這種結(jié)構(gòu)的鋼瓶可以起到提高系統(tǒng)壓力、從而起到擴(kuò)大應(yīng)用 范圍的作用。
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用設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層的辦法，提高內(nèi)膽103所承受的工作壓力值，可達(dá)30MPa 以上，從而擴(kuò)大高壓氣瓶100的應(yīng)用范圍。也可以在設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層的條件下，采用 耐腐蝕性的內(nèi)膽其他材質(zhì)，達(dá)到同樣的效果。由此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，在同樣的結(jié)構(gòu)材料的 情況下，提高了所述高壓氣瓶100的最大工作載荷或系統(tǒng)壓力。進(jìn)一步地，圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的高壓氣瓶200的剖視圖。該 高壓氣瓶200主要用于說明在不增加工作壓力的情況下、根據(jù)本發(fā)明的高壓氣瓶所帶來的 優(yōu)點(diǎn)。即可以減少高壓氣瓶200的壁厚，從而進(jìn)一步地降低所述高壓氣瓶的制造成本。由于圖4中的高壓氣瓶200與圖3中所示的高壓氣瓶100的結(jié)構(gòu)基本上相同，由 此，出于簡潔的目的，此處對其結(jié)構(gòu)不再進(jìn)行詳細(xì)說明。根據(jù)有限元分析計(jì)算，當(dāng)外表纏繞了預(yù)應(yīng)力纏繞層202和玻璃纖維樹脂保護(hù)層 203以后，內(nèi)膽201的原材料可以采用價(jià)格比較低廉的40Cr無縫鋼管，計(jì)算出的最小內(nèi)膽壁 厚可以為7. 5 10. 5mm。鋼絲層厚2 4mm。相對原有的產(chǎn)品而言，既可以減輕重量，又可 以改變材質(zhì)，從而提供了較大的經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)本發(fā)明的具有預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度鋼絲纏繞結(jié)構(gòu)的高壓氣瓶，可以顯著地達(dá)到以下 的技術(shù)效果1、在原有鋼瓶材質(zhì)、尺寸和厚度不變的前提下，通過增設(shè)預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度鋼絲層，可 使鋼瓶所承受的工作壓力提高到30MPa以上，自重僅稍有增加，從而為提高高壓流體的工 作壓力找到了一種實(shí)用、簡便的結(jié)構(gòu)；2、在額定工作壓力無需提高的情況下，通過增設(shè)預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度鋼絲纏繞層，則可 以達(dá)到結(jié)構(gòu)和受力狀態(tài)等強(qiáng)，減少內(nèi)膽的壁厚，減少材料用量的效果；3、由于等彈性模量值、高強(qiáng)度鋼絲預(yù)應(yīng)力的并行結(jié)構(gòu)與非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)(玻璃纖 維、碳纖維)相比，具有更高的可靠性和耐疲勞能力，從而進(jìn)一步消除了高壓氣瓶發(fā)生突然 炸裂的危險(xiǎn)。還有可能采用普通合金無縫管40Cr取代高成本的無縫鋼管4130X制造內(nèi)膽， 將大大降低制造成本。本發(fā)明是一項(xiàng)能夠促進(jìn)行業(yè)發(fā)展的創(chuàng)新技術(shù)，它將預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度鋼絲纏繞等強(qiáng)設(shè) 計(jì)用于例如I型的氣瓶。目前，只在小尺寸氣瓶中采用了在合金鋼內(nèi)膽的外表面纏繞玻璃 纖維或者碳纖維加強(qiáng)層的方法，但纏繞時(shí)沒有施加足夠的預(yù)應(yīng)力，且由于玻璃纖維與碳纖 維的彈性模量與鋼質(zhì)內(nèi)膽相差太大，形成內(nèi)膽與預(yù)緊層相比而表現(xiàn)出剛度過大，無法構(gòu)成 理想的預(yù)應(yīng)力筒體結(jié)構(gòu)。使該纏繞方法對氣瓶設(shè)計(jì)的改進(jìn)僅達(dá)到了有限的效果。而在本發(fā) 明中，則是通過在內(nèi)膽外表面纏繞與內(nèi)膽等彈性模量值的高強(qiáng)鋼絲的辦法，從而使得技術(shù) 上更為合理，工程上更為可行。并可改善內(nèi)膽的受力狀態(tài)，達(dá)到結(jié)構(gòu)等強(qiáng)和不同受力狀態(tài)等 強(qiáng)，因而能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)減輕重量、降低成本和防止氣瓶突然爆裂的多種效果。在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示意性實(shí)施例”、 “示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié) 構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的 示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特 點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解在不 脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。
權(quán)利要求
一種高壓氣瓶，所述高壓氣瓶用于儲運(yùn)高壓流體，包括內(nèi)膽；以及有效預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層，所述有效預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層形成在所述內(nèi)膽的外表面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓氣瓶，其特征在于，所述有效預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層通過在 內(nèi)膽上以預(yù)定額定值張力纏繞鋼絲而形成，且所述預(yù)定額定值控制成在空載條件和滿載條 件下使得所述內(nèi)膽的各部位的計(jì)算應(yīng)力大體相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓氣瓶，其特征在于，所述有效預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層通過在 內(nèi)膽上以預(yù)定額定值張力纏繞鋼絲而形成，且所述內(nèi)膽被施加以預(yù)壓應(yīng)力，從而在空載條 件和滿載條件下使得所述內(nèi)膽的各部位的計(jì)算應(yīng)力大體相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓氣瓶，其特征在于，用于形成所述內(nèi)膽和所述有效預(yù)應(yīng) 力鋼絲纏繞層的材料的彈性模量大致相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓氣瓶，其特征在于，進(jìn)一步包括玻璃纖維保護(hù)層，所述玻璃纖維保護(hù)層形成在所述有效預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層的外表面上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高壓氣瓶，其特征在于，所述玻璃纖維保護(hù)層通過玻璃絲布 條浸漬環(huán)氧樹脂而固化形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高壓氣瓶，其特征在于，所述鋼絲由含碳量超過0.60%的低 合金鋼或碳鋼所制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高壓氣瓶，其特征在于，所述鋼絲相對于所述高壓氣瓶的母 線以小于90度的預(yù)定角度纏繞在所述內(nèi)膽上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高壓氣瓶，其特征在于，所述鋼絲的導(dǎo)程等于或者小于所述 螺旋線的螺距。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高壓氣瓶，其特征在于，所述鋼絲的導(dǎo)程大于所述螺旋線的螺距。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓氣瓶，其特征在于，進(jìn)一步包括保護(hù)鋼絲纏繞層，所述保護(hù)鋼絲纏繞層通過在所述有效預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層的外表面纏 繞鋼絲而形成，且所述保護(hù)鋼絲纏繞層的鋼絲張力為預(yù)定額定值的張力的10-80%。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的高壓氣瓶，其特征在于，進(jìn)一步包括玻璃纖維保護(hù)層，所述玻璃纖維保護(hù)層形成在所述保護(hù)鋼絲纏繞層的外表面上。
13.根據(jù)權(quán)利要求5或12所述的高壓氣瓶，其特征在于，所述玻璃纖維保護(hù)層上纏繞有 稀疏鋼絲，以進(jìn)一步緊固所述玻璃纖維保護(hù)層。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓氣瓶，其特征在于，所述內(nèi)膽被施加以預(yù)定的預(yù)壓應(yīng) 力，所述預(yù)壓應(yīng)力被控制成在滿載時(shí)，使所述高壓氣瓶的內(nèi)壁具有預(yù)定的切拉應(yīng)力。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓氣瓶，其特征在于，所述內(nèi)膽被施加以預(yù)定的預(yù)壓應(yīng) 力，所述預(yù)壓應(yīng)力被控制成在滿載時(shí)，使所述高壓氣瓶的內(nèi)壁具有預(yù)定的切拉應(yīng)變。
16.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高壓氣瓶，其特征在于，所述鋼絲的橫截面為帶圓角的矩 形、正方形、梯形或圓形。
17.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高壓氣瓶，其特征在于，所述有效預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層通過將 多條鋼絲焊接，且所述鋼絲以預(yù)定額定值纏繞在所述內(nèi)膽上，其中與焊接接頭相鄰的第一圈鋼絲張力為所述預(yù)定額定值的40 50%，與所述焊接接頭相鄰的第二圈鋼絲張力為所 述預(yù)定額定值的60 70%，與所述焊接接頭相鄰的第三圈鋼絲張力應(yīng)達(dá)到所述預(yù)定額定值。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的高壓氣瓶，其特征在于，形成所述有效預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層 的第一圈和最后一圈的鋼絲預(yù)應(yīng)力張力為所述預(yù)定額定值的10-20%。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓氣瓶，其特征在于，所述高壓氣瓶具有大致I形的形狀。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓氣瓶，其特征在于，纏繞在所述高壓氣瓶上的非圓柱體 部分的有效預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層內(nèi)的被纏繞鋼絲之間通過粘合劑粘接而固定。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種高壓氣瓶，所述高壓氣瓶用于儲運(yùn)高壓流體。其結(jié)構(gòu)包括內(nèi)膽以及有效預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層，所述有效預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層纏繞在所述內(nèi)膽的外表面上，所述有效預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層通過在內(nèi)膽上以預(yù)定額定值張力的鋼絲纏繞而形成，且所述預(yù)定額定值控制成在空載條件和滿載條件下使內(nèi)膽的各部位的計(jì)算應(yīng)力大體相等。由于纏繞的鋼絲有很高的強(qiáng)度值和蠕變門檻值，保證了鋼絲層的強(qiáng)度，同時(shí)，由于鋼絲纏繞層和內(nèi)膽是等彈性模量材料組成的并行結(jié)構(gòu)，不但提高了疲勞壽命，也消除了內(nèi)膽裂紋迅速擴(kuò)展而使氣瓶突然爆裂的危險(xiǎn)性。由此，所述高壓氣瓶能夠最大程度地減少材料的使用量，同時(shí)提高高壓氣瓶的安全性能。
文檔編號F17C1/06GK101936452SQ20101027069
公開日2011年1月5日 申請日期2010年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月31日
發(fā)明者盧清萍, 張人佶, 洪詎 申請人:西安德威重型機(jī)電裝備有限責(zé)任公司