1、車用車用CNG纏繞氣瓶纏繞氣瓶設計制造設計制造大連市鍋爐壓力容器檢驗研究院韓 冰2016.8.13DBPVI2DBPVI姓姓 名：韓冰名：韓冰工作單位：大連市鍋爐壓力容器檢驗研究院工作單位：大連市鍋爐壓力容器檢驗研究院通訊地址：遼寧省大連市西崗區新河街通訊地址：遼寧省大連市西崗區新河街2020號號辦公電話：辦公電話：0411-824791930411-82479193移動電話：移動電話：1384112762613841127626E-MAILE-MAIL：hb_hb_1 車用CNG纏繞氣瓶簡介2車用CNG纏繞氣瓶結構特征 3車用CNG纏繞氣瓶設計4車用CNG纏繞氣瓶制造及制造過程中常見缺陷5車

2、用CNG纏繞氣瓶檢驗6車用CNG纏繞氣瓶出廠文件和制造原始標志DBPVI1 車用車用CNG纏繞氣瓶簡介纏繞氣瓶簡介4DBPVIDBPVI 一、車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶與汽車用壓縮天然氣鋼瓶相比具有以下優點：氣瓶重量輕、剛性好、強度高、氣密性好、可靠性高。 二、金屬材料的疲勞破壞通常是沒有明顯預兆的突發性破壞，而復合材料中的增強物與基體的結合既能有效地傳遞載荷，又能阻止裂紋的擴展，提高了氣瓶的斷裂韌性。 三、復合材料中的大量增強纖維使得材料過載而少數纖維斷裂時，載荷會迅速重新分配到未破壞的纖維上，使整個氣瓶在短期內不至于失去承載能力。 四、復合材料氣瓶在受到撞擊或高速沖擊發生破壞時不會

3、產生具有危險性的碎片，從而減少或避免了對人員的傷害；無需特殊處理就能滿足耐腐蝕性能。5DBPVIDBPVI6DBPVIDBPVIDBPVI2 車用車用CNG纏繞氣瓶結構特征纏繞氣瓶結構特征 8DBPVIDBPVI車用車用CNG纏繞氣瓶結構分類纏繞氣瓶結構分類一般分為二種型式：雙口型（型式一般分為二種型式：雙口型（型式A A）和單口型（型式）和單口型（型式B B），見下圖所示。），見下圖所示。9DBPVIDBPVI車用車用CNG纏繞氣瓶的規格參數纏繞氣瓶的規格參數GB24160-2009車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏 繞氣瓶的規定：適用于設計、制造公稱工作壓力為 20MPa 或 25MPa，公稱水

4、容積為 30450L，使 用溫度一般地區為-4065，設計使用壽命為 15 年的環向纏繞氣瓶。 10DBPVIDBPVI車用車用CNG纏繞氣瓶型號的表示方法纏繞氣瓶型號的表示方法11DBPVI 示例：公稱工作壓力為示例：公稱工作壓力為20 MPa20 MPa，公稱水容積為，公稱水容積為50 L50 L，內，內膽公稱外徑為膽公稱外徑為325 mm325 mm，纖維采用玻璃纖維，結構型式為，纖維采用玻璃纖維，結構型式為A A型的車用壓縮天然氣鋼質內膽玻璃纖維環向纏繞氣瓶，其型的車用壓縮天然氣鋼質內膽玻璃纖維環向纏繞氣瓶，其型號標記為：型號標記為：CNG2-G-325-50-20ACNG2-G-32

5、5-50-20A。DBPVI3車用車用CNG纏繞氣瓶設計纏繞氣瓶設計12DBPVIDBPVI盛裝可燃氣體的高壓纏繞氣瓶內膽應當選用鋼或者鋁合金等金屬材料；纏繞氣瓶鋼質內膽用材，應當是電爐或氧氣轉爐冶煉的無時效性鎮靜鋼；鋼內膽用材料抗拉強度大于880MPa，應當滿足相應要求。纏繞材料應當選用玻璃纖維、芳綸纖維或者碳纖維；纏繞氣瓶承載層應當采用單一纖維環向纏繞或者全纏繞，不得采用兩種以上(包括兩種)類型的纖維混纏。 13DBPVI氣瓶安全技術監察規程 中對于材料和設計的規定DBPVI氣瓶的實際爆破安全系數 ：車用鋼質內膽玻璃纖維環向纏繞氣瓶 ：2.5車用鋼質內膽碳纖維及芳綸纖維環向纏繞氣瓶 ：2.

6、35瓶體金屬材料屈服強度的設計選用值與抗拉強度的比值 ：0.90設計使用年限：15年14DBPVIDBPVI對設計的一般要求對設計的一般要求根據薄膜應力理論，通過計算可以求得，氣瓶筒體的環向應力是縱向應力的 2 倍，所以環向是氣 瓶的薄弱環節，氣瓶的破裂一般是沿筒體的縱向開裂，即是由于作用在筒體的環向應力達到材料的抗拉強度極限所引起的。由于纖維是環向纏繞，因此纏繞層只承擔環向應力；鋼質內膽除承擔完全的縱 向應力外，還與纏繞層共同承擔環向應力。 環向纏繞氣瓶的設計應遵守“未爆先漏” （Leak-before-break，LBB）準則，即氣瓶材料具有足夠 的韌性，快速斷裂前裂紋已穿透壁厚，導致泄漏

7、發生，可避免突發快速斷裂，減少損失。15DBPVIDBPVI （1）設計使用壽命 GB24160-2009車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶的規定的使用壽命為 15 年。疲勞次數 依據使用年限1000 次確定，即以平均每年 1000 次的使用次數模擬氣瓶的疲勞使用壽命。（2）最大許用工作壓力 公稱工作壓力 P 是以 20為基準溫度的限定充裝壓力，環向纏繞氣瓶允許達到的大許用工作壓 力 Pm為公稱工作壓力 P 的 1.3 倍。這個壓力與內膽小設計爆破壓力相等，由此可見環向纏繞氣瓶的 安全系數是非常高的。16DBPVIDBPVI（3）溫度范圍 氣體溫度： 設計環向纏繞氣瓶時應考慮氣體溫度變化的影響

8、： a）在靜止條件下，環向纏繞氣瓶內氣體的溫度變化應處于-40 65 范圍之內。 b）在充裝和排放時，氣體溫度的變化可以超過-40 65 的范圍。 纏繞氣瓶溫度： 設計環向纏繞氣瓶時應考瓶體慮材料溫度變化的影響： a）環向纏繞氣瓶材料的溫度變化應處于-40 82 范圍之內； b）當溫度超過 65時，應僅限于瓶體局部，或在相當短的時間內。除了在充裝和排放時的條件 下，環向纏繞氣瓶的溫度不得超過 65 。17DBPVIDBPVI（4）氣體成分 應符合 GB 18047車用壓縮天然氣的規定要求。 （5）外表面 設計環向纏繞氣瓶時，應考慮其連續承受機械損傷或化學侵蝕的能力。環向纏繞氣瓶外表面應能 適應

9、下列工作環境： 間斷地浸入水中，或者道路濺水； 車輛在海洋附近行駛，或者在用鹽融化冰的路面上行駛； 陽光中的紫外線輻射； 礫石的沖擊； 接觸酸和堿溶液、肥料； 汽車用液體的侵蝕，包括汽油、液壓油、電池酸、乙二醇和油； 接觸排放的廢氣18DBPVIDBPVI對氣瓶材料的選擇對氣瓶材料的選擇1內膽材料的選用 （1）內膽材料的基本要求： 車用壓縮天然氣鋼質內膽纖維環向纏繞氣瓶材料應具有較高強度、良好的塑性和足夠的韌性，以 保證氣瓶的安全可靠。 由于環向纏繞氣瓶所充裝的介質為天然氣，盡管天然氣在充裝前經過脫硫、脫水、脫輕油處理，其硫化氫含量較低，但氣瓶中殘存有水時，水中溶入大量的硫化氫，會對氣瓶產生腐

10、蝕作用，并可能 產生硫化氫應力腐蝕（SCC）。這就要求嚴格限制材料的硫、磷含量，以提高材料的抗應力腐蝕性能。 DBPVI（2）車用氣瓶安全技術監察規程和 GB24160-2009車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶 對鋼質內膽材料的一般規定： 應是電爐或氧氣轉爐冶煉的無時效性鎮靜鋼。 應選用優質鉻鉬鋼。 應具有良好的低溫沖擊性能。 應符合其相應的國家標準或行業標準的規定，并有質量合格證明書。環向纏繞氣瓶制造單位應 按爐罐號進行各項指標的驗證分析。 材料的化學成分限定符合標準的要求，其化學成分允許偏差應符合 GB/T 222鋼的成品化學成 分允許偏差的規定。 鋼坯低倍組織不允許有白點、殘余縮孔、分

11、層、氣泡、異物和夾雜；中心疏松不應大于 2.0 級， 偏析不應大于 2.5 級。 DBPVI 無縫鋼管的直線度應不大于 1.5mm/m，圓度應不大于外徑允許偏差的 80%。鋼管的內外表面 不得有裂紋、折疊、軋折、離層和結疤。若有缺陷必須完全清除，清除處應光滑，清除后的實際壁厚 不得小于壁厚允許的小值。無縫鋼管應由鋼廠按 GB/T 5777無縫鋼管超聲波探傷檢驗方法的規 定逐根進行縱向和橫向超聲波探傷檢驗，應符合驗收等級 C5 的規定。 DBPVI2纏繞層材料的選用 由于氣瓶反復地進行充裝，因此要求纏繞層在持續載荷和循環加載下應有非常高的安全可靠性， 纖維和樹脂材料的選用和匹配直接影響環向纏繞氣

12、瓶的安全性能。 （1）纖維的選用 纖維增強層的主要作用是保證產品在受力的情況下，具有足夠的強度、剛度和穩定性。其中纖維是主要的承載體，樹脂只是對纖維起粘結作用，并在纖維之間起著分布和傳遞載荷的作用。因此選擇高強度、高彈性的增強纖維和性能良好的樹脂是提高結構承載能力的重要因素。復合材料所用的增強 材料主要有三類：碳纖維、Kevlar 纖維（也叫芳綸纖維）和玻璃纖維。 DBPVI不論從設計優化方面考慮，還是從經濟方面考慮，選用玻璃纖維作為增強層材料性價比都是高 的。我國的環向纏繞氣瓶增強層材料一般都采用玻璃纖維。 玻璃纖維不燃燒，耐高溫性能好。它具有強度高、延伸率大、抗沖擊性能好、價格低廉等特點。

13、但也存在彈性模量小、密度大、比剛度低、不耐磨、易折斷、易受機械損傷和長期放置強度稍有下降 的缺點。DBPVI（2）樹脂基體的選用 基體材料起粘接纖維的作用，以剪切力的形式向纖維傳遞載荷，并保護纖維免受外界環境的損傷。 根據環向纏繞氣瓶的使用特性，要求纏繞所用的樹脂須具有較高的韌性，否則在氣瓶受內壓作用時會因內膽和復合材料延伸率差別過大而在界面上產生軸向和環向應力，使復合材料層與內膽脫粘， 不能作為一個整體同時受力，影響材料性能的發揮。 浸漬材料可以是熱固性或熱塑性樹脂。適合的基體材料有：環氧、改性環氧、聚脂和乙烯類熱固 性樹脂和聚乙烯、聚酰胺熱塑性樹脂。 環向纏繞氣瓶采用的樹脂一般為環氧樹脂。

14、 DBPVIGB24160-2009對設計的要求對設計的要求GB24160-2009車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶標準是修改采用 ISO 11439：2000氣 瓶車用天然氣高壓氣瓶（英文版）有關 CNG-2 型氣瓶部分制訂的。ISO 11439 標準屬于性能導向型標準，其原則是如果產品通過所有試驗，則產品是安全的。因此，ISO 11439 標準不指定設計公式， 而是要求對設計進行適當的分析驗證，保證產品可通過試驗。DBPVI環向纏繞氣瓶的強度設計理論 目前，對環向纏繞氣瓶的力學計算，一般都是采用網格理論分析。其基本假設如下： （1）瓶體是由連續纖維纏繞構成，纖維分布均勻、對稱。 （2）對

15、樹脂不計承載能力。 （3）纖維只承受拉應力，沒有抵抗彎曲和剪切變形的能力。 在單向受力情況下，要求纖維安放在主應力方向上，纖維用量則可由受力大小來計算。具體要求如下：DBPVI（1）不提供設計公式，但要求設計時進行適當的計算、分析和論證，以使環向纏繞氣瓶能順利地 通過本標準所規定的材料、型式和批量等試驗。 （2）設計應保證環向纏繞氣瓶在正常使用期間，由于承壓部件質量退化而引起的失效模式為“未爆 先漏”。如果金屬內膽發生泄漏，只應是由于疲勞裂紋的擴展所致。 （3）設計時，內膽材料屈服強度的保證值應不超過抗拉強度保證值的 90%。應對內膽材料的實測抗拉強度進行控制，熱處理后內膽材料的大抗拉強度不得

16、超過880MPa。 車用壓縮天然氣鋼質內膽用材，當材料的實際抗拉強度大于 880MPa 時，應當滿足以下要求： DBPVI 在嚴格控制材料硫、磷等成分含量條件下，通過相應標準規定的硫化氫應力腐蝕試驗(應力環 法)，允許材料的實際抗拉強度提高到 950MPa，試驗結果納入氣瓶設計文件鑒定報告和型式試驗報告； 制造過程中，材料實際硫、磷等成分含量以及熱處理后的實際抗拉強度不得超出硫化氫應力腐 蝕試驗報告中試樣材料的硫、磷含量以及抗拉強度控制范圍； 材料加工單位應當向氣瓶制造單位提供由鋼坯生產單位出具的所用鋼坯質量證明文件以及由 材料加工單位出具的熱軋管或者冷拔管質量證明文件； 改變材料的牌號、生產

17、單位、冶煉方法、熱加工方法等，應當重新進行硫化氫應力腐蝕試驗。DBPVI（4）環向纏繞氣瓶水壓試驗壓力 Ph 為公稱工作壓力 P 的 1.5 倍。 （5）內膽小設計爆破壓力應為環向纏繞氣瓶公稱工作壓力 P 的 1.3 倍。 （6）環向纏繞氣瓶小設計爆破壓力不應小于給定值。為保證在承受持續載荷和循環 載荷條件下復合材料纏繞層的設計具有高度可靠性，纖維應力比應滿足相應的規定。DBPVI7）應力分析： 應采用能用于材料非線性分析的軟件（專用計算機程序或有限元分析程序），建立計算復合材料力學性能的適當模型，對環向纏繞氣瓶進行自緊壓力、自緊后零壓力、工作壓力和小設計爆破壓力下 的應力分析，確定纏繞層和內

18、膽中的應力分布，纖維應力比應符合標準的規定。 DBPVI端部結構 端部結構可采用半球形、橢圓形、碟形等凸形結構，允許纏繞氣瓶在端部開瓶口，瓶口的中心線 必須與纏繞氣瓶的中心線一致。瓶口螺紋 瓶口螺紋應符合 GB8335氣瓶專用螺紋的規定。瓶口的厚度，應能保證在承受緊閥的力偶矩 和鉚合頸圈的附加外力時不變形。 DBPVI車用車用CNG纏繞氣瓶型式試驗纏繞氣瓶型式試驗新設計和設計變更型式試驗項目： 內膽：壁厚測量、內外表面檢查、制造公差檢查、瓶口螺紋檢查、硬度試驗、拉伸試驗、沖擊 試驗、冷彎試驗、金相試驗、底部解剖、無損檢測和水壓爆破試驗。 氣瓶：纏繞層層間剪切強度、纏繞層抗拉強度、纏繞層外觀檢查

19、、水壓試驗、氣密性試驗、水 壓爆破試驗、常溫壓力循環試驗、極限溫度壓力循環試驗、加速應力破裂試驗、槍擊試驗、火燒試驗、 裂紋容限試驗、酸環境試驗、未爆先漏試驗和高溫蠕變試驗。 DBPVI4 車用車用CNG纏繞氣瓶制造及制造纏繞氣瓶制造及制造過程中常見缺陷過程中常見缺陷33DBPVIDBPVI氣瓶安全技術監察規程氣瓶安全技術監察規程對氣瓶對氣瓶制造的規定制造的規定氣瓶的分批與批量：纖維纏繞氣瓶，金屬內膽按本條第(1)項規定分批；成品瓶按同一規格、同一設計、同一制造工藝，同一復合材料型號、連續制造為條件分批；無縫氣瓶，按同一設計、同一爐罐號材料，同一制造工藝以及同一熱處理規范同爐或者連續進行熱處理

20、的條件分批；管制瓶收底與收口：無損檢測氣瓶熱處理：34DBPVIDBPVI纖維纏繞氣瓶的固化(1)纖維纏繞氣瓶應當進行固化制度或者固化工藝的評定，并制定出固化工藝規程，且應當符合相應標準的規定；(2)經型式試驗確定的樹脂體系及固化制度不得隨意更改；(3)對鋁合金內膽氣瓶，其固化溫度和時間不得影響內膽的性能。 DBPVI車用車用CNG纏繞氣瓶制造工藝纏繞氣瓶制造工藝DBPVI車用車用CNG纏繞氣瓶制造纏繞氣瓶制造1、內膽制造：內膽制造與汽車用壓縮天然氣鋼瓶制造的工藝相同，只是增加了底部密封性試驗。 2、玻璃纖維纏繞：環向纏繞氣瓶采用的線型為環向纏繞，纏繞時內膽沿自己軸線做勻速轉動，繞絲頭在平行于

21、內膽軸線方向均勻緩慢地移動，內膽每轉一周，繞絲頭向前移動一個紗片寬度，如此循環直至紗片均勻布滿內膽筒身為止。 3、固化：環向纏繞氣瓶在固化時，為防止樹脂流淌，固化時應旋轉加熱。為了避免產生熱應力，固化時應分階段逐步升溫加熱固化。固化溫度的最高值應大于固化物的玻璃化轉變溫度，以保證固化物的耐溫性。 4、修整：環向纏繞氣瓶在固化完成后需進行整修，修磨氣瓶底部流膠所造成的膠液，修磨后壁厚不得小于設計厚度。修復封頭兩端掉漆部位。DBPVI制造過程中常見的缺陷 1、內膽底部漏：系鋼管收底時，溫度不夠，或氧化皮夾在里面造成未熔合。 2、鋼管旋壓成型工序，在瓶底、瓶肩內表面易產生皺折、裂紋，造成應力集中。 3、內膽熱處理工序，其力學性能均勻性、一致性不易得到保證。 4、纏繞、固化工序，易出現固化不徹底、纏繞層黏合不好的現象。DBPVI4 車用車用CNG纏繞氣瓶檢驗纏繞氣瓶檢驗39DBPVIDBPVI內膽制造質量要求內膽制造質量要求1、壁厚和制造公差。 2、底部密封性試驗 ：采用適當的試驗裝置對內膽底部內表面中心區加壓，加壓面積至少應為內膽底部面積的1/16，且加壓區域直徑至少為20mm，試驗介質可為潔凈的空氣或氮氣。加壓到密封性試驗壓力后，至少應保壓1min，保壓期間在內膽底部外表面