摘 要：比照其它各类型气瓶，简要介绍了铝合金内胆碳纤维全缠绕复合气瓶的优缺点；讲述了提高铝合金内胆复合气瓶疲劳寿命的工艺手段、施加预应力的方法和注意要点；分析了铝合金内胆复合气瓶设计、制造中影响气瓶疲劳寿命的主要因素。
关键词：铝合金内胆碳纤维全缠绕复合气瓶；综合性能；疲劳寿命
1 铝合金内胆碳纤维全缠绕复合气瓶简介
随着我国汽车总量的不断增加，尤其是城市个人拥有车辆的迅猛增长，汽车尾气排放给城市带来的污染日益加剧，因此清洁燃料汽车得到了快速发展。盛装清洁燃料的压力容器也从钢质气瓶发展到环缠绕钢质气瓶和纤维全缠绕复合气瓶时代。气瓶的重量大大减轻，安全性也大幅度提高。如今，纤维缠绕复合气瓶已在国内广泛应用，尤其是纤维全缠绕复合气瓶的应用，已经成为未来发展的趋势。
铝合金内胆碳纤维全缠绕复合气瓶，其内胆是利用国外先进的生产设备经反挤压、引伸、强力旋压以及旋压收口等多道工序整体加工成型的，加工技术和能力是国内领先的。复合气瓶是按ISO11439-2000及DOT标准设计生产的，并经国内外先进的检验检测设备全程质控，产品质量可靠、性能稳定、外型美观。由于铝合金具有良好的导热性，复合气瓶在遇到意外事故燃烧时，能顺利将热量传递给瓶阀并打开易熔塞安全泄压；由于采用了高强度、高模量及低密度的碳纤维作为增强材料，弥补了玻璃纤维在这些方面的不足，使产品结构更加合理，安全性、可靠性大大提高；铝合金内胆碳纤维全缠绕复合气瓶由于其重量轻、性能稳定及安全可靠还不断应用于其它领域，如呼吸器等。
铝合金内胆碳纤维全缠绕复合气瓶的不足之处是价格偏高，其价格的高低主要取决于国际市场上碳纤维的价格。随着碳纤维价格的大幅度下调，其材料成本已有明显下降，价格也在逐步走低，同时，随着国内产品设计水平的不断提高，结构设计的不断优化，单只气瓶的碳纤维用量也将逐渐减少，气瓶的销售价格将有明显的下降，必将成为用户欢迎的高端产品！
2 铝合金内胆复合气瓶疲劳寿命分析
我们知道，复合气瓶的安全性高是因为其失效形式为内胆疲劳裂纹逐渐扩展直至泄漏的形式——即“破裂前泄漏”失效模式。而如何使铝合金内胆复合气瓶的疲劳寿命达到或超过有关标准的要求，是该产品设计、制造的技术核心。
2.1 施加预应力
铝合金内胆复合气瓶的疲劳问题即是内胆的疲劳问题。内胆在工作压力作用下，处于拉应力状态，拉应力越大其疲劳寿命越短，反之越长。因此，降低工作压力下内胆的拉应力成为提高复合气密使用寿命的重要手段。为了降低工作压力下内胆的拉应力，通常采用为内胆施加预应力的方法，以使内胆在零压力下处于压应力状态，从而降低工作压力下内胆的拉应力。施加预应力的方法通常有二种，即纤维施加张力和自紧。
2.1.1 纤维施加张力。在缠绕时为纤维施加张力，其张力可以尽可能的大，但必须考虑二个因素。第一，对于玻璃纤维，由于其强度相对较低，若施加的张力过大，则会造成纤维的静态蠕变，随着气瓶使用时间的增加，纤维强度会不断下降，使气瓶提前失效或发生爆炸危险。对于碳纤维，由于其强度相对比较高，张力可以大一些。但不论是玻璃纤维还是碳纤维，还必须同时考虑第二个因素；在缠绕过程中，纤维的张力越大其磨损就越严重，尤其是碳纤维更加明显。所以，缠绕过程中当纤维受磨擦起毛比较严重时，则纤维施加的张力必须减小，这一方面，应根据不同的设备摸索出各类纤维施加张力的最大值。
2.1.2 自紧。气瓶在缠绕、固化后，为气瓶施加高于试验压力值的压力，使铝合金内胆的拉应力越过其屈服点，产生永久残余变形，进而使缠绕纤维发生应变、张力增加，达到使内胆获得压应力的目的。自紧压力值可以通过应力分析获得，但还必须得到试验的验证。自紧压力值不能过大，至少不应使内胆在自紧后产生宏观上的失稳现象。
自紧压力值是建立在一定的内胆壁厚和一定的内胆及复合层力学性能基础上的，如何使每只气瓶的内胆都能获得相对稳定的、满足设计要求的预应力，不但对内胆设计提出了要求，尤其对内胆和复合层制造工艺过程的质量控制比之金属气瓶提出了更高的要求。
2.2 铝合金内胆设计壁厚取值原则及设计壁厚制造公差和偏差控制
2.2.1 内胆设计壁厚取值原则。当内胆的力学性能确定以后，全缠绕复合气瓶内胆的设计壁厚取值多大为合理。从材料成本考虑，内胆越厚复合气瓶综合材料成本越小、质量越大；反之综合材料成本越大、质量也越小。从理论上分析及产品结构的合理性考虑，全缠绕复合气瓶内胆设计壁厚的上限值，应以内胆承载不超过30%为宜；下限值以复合气瓶在试验压力下内胆的应力不超过屈服点为宜。
2.2.2内胆设计壁厚制造公差和偏差控制。内胆的设计壁厚制造公差及壁厚偏差，应根据内胆的设计壁厚及内胆的承载情况而定。其原则是，在制造公差及偏差范围内的内胆，其最小壁厚处，应保证自紧压力下应力超过屈服点且不会产生宏观失稳现象；而最大壁厚处的应力不应低于屈服点应力。在通过应力分析确定自紧压力时，应同时计算和确定内胆设计壁厚制造公差和偏差。内胆的设计壁厚制造公差及壁厚偏差相对较小，而且在生产制造过程中必须得到严格控制，否则某些气瓶的内胆就有可能在自紧时不能获得设计要求的预应力，达不到设计要求的疲劳寿命而提前泄漏失效；或是在自紧时内胆应力过大产生屈服破坏，使气瓶报废。
2.3 铝合金内胆热处理力学性能的控制
铝合金内胆热处理后的力学性能是内胆同时也是复合气瓶的一项重要指标。在制定复合气瓶相关标准或确定产品图时，一般只规定出内胆热处理后的最低力学性能保证值。而在最低保证值之上，热处理后的力学性能值是有比较大的变化的，即力学性能值浮动范围比较大。那么，由于内胆力学性能的变化，就会有可能导致2.2中所叙述的现象发生。因此，在制定内胆热处理工艺规范时，应根据热处理设备的状况，在满足相关标准的前提下给出内胆热处理后力学性能上、下限值并有效控制。在为复合气瓶提供应力分析力学性能数据时，应给出内胆力学性能保证值的中间值及中间值或接近中间值状态下的铝合金材料的“应力-应变曲线”。
2.4缠绕复合层力学性能控制
在全缠绕复合气瓶中，缠绕复合层承担着绝大部分载荷。因此，缠绕复合层的力学性能对气瓶的强度及其疲劳寿命起着极其重要的作用。当复合气瓶爆破试验满足设计要求后，如何控制缠绕复合层的力学性能范围就显得十分重要。
2.4.1 纤维强度控制。缠绕复合层的强度主要来自增强材料——纤维，通常新生态纤维的强度会随着放置时间的增加而降低。同时放置纤维的环境如温度、湿度等因素也会对纤维强度的降低产生比较大的影响。爆破试验表明，当纤维超期放置后，复合气瓶的爆破压力将下降5%～10%，甚至更多。因此，在气瓶缠绕生产前应对纤维进行拉伸强度、弹性模量等力学性能进行检测，其测试结果以不超过新生态纤维力学性能值与纤维最低力学性能保证值之平均值的3%～5%为宜，但复合气瓶的强度设计裕度应充分满足此项要求。同时，为应力分析提供的纤维力学性能值以及用层合板测试的相关力学性能值都应以上述纤维力学性能平均值为准。
2.4.2 树脂含量控制。缠绕复合层的树脂含量不同纤维的含量也就不同，复合层的力学性能也就随之改变。通常，当树脂的温度一定（粘度也就一定），缠绕张力一定及纱带纤维排列密度一定，缠绕复合层的树脂含量就不会有太大的改变，也就完全可以满足设计的要求。以上分析的各个要素都不是孤立存在的，它们相互影响，交织作用，在设计生产中应综合、平衡考虑。
影响铝合金内胆全缠绕复合气瓶疲劳寿命的因素很多，上面分析的只是其中的几个重要方面。其它方面如内胆内外表面质量、最大缺陷尺寸的确定、控制及检测、缠绕复合层裂纹容限的控制等，在设计及生产制造中也都是不可忽视的因素。总之，铝合金内胆纤维全缠绕复合气瓶是一个渗透了多学科、多种生产工艺技术，具有高技术含量的高压容器产品。随着用户对产品的不断了解及需求量的不断增加，铝合金内胆纤维全缠绕复合气瓶必将成为用户欢迎的产品。
参考文献
[1]周海成.汽车用压缩天然气气瓶发展综述[J].中国气瓶，2001（2）.
作者简介：李辉，1992年毕业于佳木斯工学院，焊接工艺与设备专业，工学学士学位，1996年毕业于黑龙江社科院经济管理专业，研究生学历。齐齐哈尔市特种设备检验研究所，高级工程师。1992年至今一直从事特种设备检验研究工作。