气瓶检验员培训讲稿车用CNG缠绕气瓶制造部分[培训材料]

1、车用车用CNG缠绕气瓶缠绕气瓶 设计制造设计制造 大连市锅炉压力容器检验研究院 韩 冰 2016.8.13 DBPVI 姓姓 名：韩冰名：韩冰 工作单位：大连市锅炉压力容器检验研究院工作单位：大连市锅炉压力容器检验研究院 通讯地址：辽宁省大连市西岗区新河街通讯地址：辽宁省大连市西岗区新河街2020号号 办公电话：办公电话：0411-824791930411-82479193 移动电话：移动电话：1384112762613841127626 E-MAILE-MAIL：hb_hb_ 2DBPVI 1 车用CNG缠绕气瓶简介 2车用CNG缠绕气瓶结构特征 3车用CNG缠绕气瓶设计 4车用CNG缠绕气

2、瓶制造及制造过程中常见缺陷 5车用CNG缠绕气瓶检验 6车用CNG缠绕气瓶出厂文件和制造原始标志 DBPVI 1 车用车用CNG缠绕气瓶简介缠绕气瓶简介 4DBPVI DBPVI 一、车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶与 汽车用压缩天然气钢瓶相比具有以下优点：气瓶重量轻 、刚性好、强度高、气密性好、可靠性高。 二、金属材料的疲劳破坏通常是没有明显预兆 的突发性破坏，而复合材料中的增强物与基体的结合既 能有效地传递载荷，又能阻止裂纹的扩展，提高了气瓶 的断裂韧性。 三、复合材料中的大量增强纤维使得材料过载 而少数纤维断裂时，载荷会迅速重新分配到未破坏的纤 维上，使整个气瓶在短期内不至于失去承载能

3、力。 四、复合材料气瓶在受到撞击或高速冲击发 生破坏时不会产生具有危险性的碎片，从而减少或避免 了对人员的伤害；无需特殊处理就能满足耐腐蚀性能。 5DBPVI DBPVI 6DBPVI DBPVI 7DBPVI DBPVI 2 车用车用CNG缠绕气瓶结构特征缠绕气瓶结构特征 8DBPVI DBPVI 车用车用CNG缠绕气瓶结构分类缠绕气瓶结构分类 一般分为二种型式：双口型（型式一般分为二种型式：双口型（型式A A）和单口型（型式）和单口型（型式B B ），见下图所示。），见下图所示。 9DBPVI DBPVI 车用车用CNG缠绕气瓶的规格参数缠绕气瓶的规格参数 GB24160-2009车用压缩

4、天然气钢质内胆环向缠 绕气 瓶的规定：适用于设计、制造公称工作压力为 20MPa 或 25MPa，公称水容积为 30450L，使 用温度 一般地区为-4065，设计使用寿命为 15 年的环向 缠绕气瓶。 10DBPVI DBPVI 车用车用CNG缠绕气瓶型号的表示方法缠绕气瓶型号的表示方法 示例：公称工作压力为示例：公称工作压力为20 MPa20 MPa，公称水容积为，公称水容积为50 L50 L，内，内 胆公称外径为胆公称外径为325 mm325 mm，纤维采用玻璃纤维，结构型式为，纤维采用玻璃纤维，结构型式为A A 型的车用压缩天然气钢质内胆玻璃纤维环向缠绕气瓶，其型的车用压缩天然气钢质内

5、胆玻璃纤维环向缠绕气瓶，其 型号标记为：型号标记为：CNG2-G-325-50-20ACNG2-G-325-50-20A。 11DBPVI DBPVI 3车用车用CNG缠绕气瓶设计缠绕气瓶设计 12DBPVI DBPVI 盛装可燃气体的高压缠绕气瓶内胆应当选用钢或者铝合 金等金属材料；缠绕气瓶钢质内胆用材，应当是电炉或 氧气转炉冶炼的无时效性镇静钢； 钢内胆用材料抗拉强度大于880MPa，应当满足相应要 求。 缠绕材料应当选用玻璃纤维、芳纶纤维或者碳纤维；缠 绕气瓶承载层应当采用单一纤维环向缠绕或者全缠绕， 不得采用两种以上(包括两种)类型的纤维混缠。 气瓶安全技术监察规程 中对于材料 和设计

6、的规定 13DBPVI DBPVI 气瓶的实际爆破安全系数 ： 车用钢质内胆玻璃纤维环向缠绕气瓶 ：2.5 车用钢质内胆碳纤维及芳纶纤维环向缠绕气瓶 ：2.35 瓶体金属材料屈服强度的设计选用值与抗拉强度的比值 ：0.90 设计使用年限：15年 14DBPVI DBPVI 对设计的一般要求对设计的一般要求 根据薄膜应力理论，通过计算可以求得，气瓶筒体的环 向应力是纵向应力的 2 倍，所以环向是气 瓶的薄弱环 节，气瓶的破裂一般是沿筒体的纵向开裂，即是由于作 用在筒体的环向应力达到材料的抗 拉强度极限所引起的。由于纤维是环向缠绕，因此缠绕 层只承担环向应力；钢质内胆除承担完全的纵 向应力 外，还

7、与缠绕层共同承担环向应力。 环向缠绕气瓶的 设计应遵守“未爆先漏” （Leak-before-break，LBB） 准则，即气瓶材料具有足够 的韧性，快速断裂前裂纹 已穿透壁厚，导致泄漏发生，可避免突发快速断裂，减 少损失。 15DBPVI DBPVI （1）设计使用寿命 GB24160-2009车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气 瓶的规定的使用寿命为 15 年。疲劳次数 依据使用年 限1000 次确定，即以平均每年 1000 次的使用次数模 拟气瓶的疲劳使用寿命。 （2）最大许用工作压力 公称工作压力 P 是以 20为基准温度的限定充装压力 ，环向缠绕气瓶允许达到的大许用工作压 力 Pm为公称

8、 工作压力 P 的 1.3 倍。这个压力与内胆小设计爆破压力 相等，由此可见环向缠绕气瓶的 安全系数是非常高的 。 16DBPVI DBPVI （3）温度范围 气体温度： 设计环向缠绕气瓶时应考虑气体温度变化 的影响： a）在静止条件下，环向缠绕气瓶内气体的温度 变化应处于-40 65 范围之内。 b）在充装和排放时 ，气体温度的变化可以超过-40 65 的范围。 缠 绕气瓶温度： 设计环向缠绕气瓶时应考瓶体虑材料温度 变化的影响： a）环向缠绕气瓶材料的温度变化应处于- 40 82 范围之内； b）当温度超过 65时，应仅限 于瓶体局部，或在相当短的时间内。除了在充装和排放时 的条件 下，环

9、向缠绕气瓶的温度不得超过 65 。 17DBPVI DBPVI （4）气体成分 应符合 GB 18047车用压缩天然气的规定要求。 （5）外表面 设计环向缠绕气瓶时，应考虑其连续承受机械损伤或化 学侵蚀的能力。环向缠绕气瓶外表面应能 适应下列工 作环境： 间断地浸入水中，或者道路溅水； 车辆 在海洋附近行驶，或者在用盐融化冰的路面上行驶； 阳光中的紫外线辐射； 砾石的冲击； 接触酸 和碱溶液、肥料； 汽车用液体的侵蚀，包括汽油、 液压油、电池酸、乙二醇和油； 接触排放的废气 18DBPVI DBPVI 对气瓶材料的选择对气瓶材料的选择 1内胆材料的选用 （1）内胆材料的基本要求： 车用压缩天然

10、气钢质内胆 纤维环向缠绕气瓶材料应具有较高强度、良好的塑性和 足够的韧性，以 保证气瓶的安全可靠。 由于环向缠绕 气瓶所充装的介质为天然气，尽管天然气在充装前经过 脱硫、脱水、脱轻油处理，其硫化氢含量较低，但气瓶 中残存有水时，水中溶入大量的硫化氢，会对气瓶产生 腐蚀作用，并可能 产生硫化氢应力腐蚀（SCC）。这就 要求严格限制材料的硫、磷含量，以提高材料的抗应力 腐蚀性能。 19DBPVI DBPVI （2）车用气瓶安全技术监察规程和 GB24160-2009 车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶 对钢质内 胆材料的一般规定： 应是电炉或氧气转炉冶炼的无时效性镇静钢。 应 选用优质铬钼钢。 应

11、具有良好的低温冲击性能。 应符合其相应的国家标准或行业标准的规定，并有质量 合格证明书。环向缠绕气瓶制造单位应 按炉罐号进行 各项指标的验证分析。 材料的化学成分限定符合标 准的要求，其化学成分允许偏差应符合 GB/T 222钢 的成品化学成 分允许偏差的规定。 钢坯低倍组织 不允许有白点、残余缩孔、分层、气泡、异物和夹杂； 中心疏松不应大于 2.0 级， 偏析不应大于 2.5 级。 20DBPVI DBPVI 无缝钢管的直线度应不大于 1.5mm/m，圆度应不大 于外径允许偏差的 80%。钢管的内外表面 不得有裂纹 、折叠、轧折、离层和结疤。若有缺陷必须完全清除， 清除处应光滑，清除后的实际

12、壁厚 不得小于壁厚允许 的小值。无缝钢管应由钢厂按 GB/T 5777无缝钢管超 声波探伤检验方法的规 定逐根进行纵向和横向超声 波探伤检验，应符合验收等级 C5 的规定。 21DBPVI DBPVI 2缠绕层材料的选用 由于气瓶反复地进行充装，因此要求缠绕层在持续载荷 和循环加载下应有非常高的安全可靠性， 纤维和树脂 材料的选用和匹配直接影响环向缠绕气瓶的安全性能。 （1）纤维的选用 纤维增强层的主要作用是保证产品在 受力的情况下，具有足够的强度、刚度和稳定性。其中 纤维是主要的承载体，树脂只是对纤维起粘结作用，并 在纤维之间起着分布和传递载荷的作用。因此选择高强 度、高弹性的增强纤维和性能

13、良好的树脂是提高结构承 载能力的重要因素。复合材料所用的增强 材料主要有 三类：碳纤维、Kevlar 纤维（也叫芳纶纤维）和玻璃纤 维。 22DBPVI DBPVI 不论从设计优化方面考虑，还是从经济方面考虑，选用 玻璃纤维作为增强层材料性价比都是高 的。我国的环向 缠绕气瓶增强层材料一般都采用玻璃纤维。 玻璃纤维不 燃烧，耐高温性能好。它具有强度高、延伸率大、抗冲 击性能好、价格低廉等特点。 但也存在弹性模量小、密度大、比刚度低、不耐磨、易 折断、易受机械损伤和长期放置强度稍有下降 的缺点。 23DBPVI DBPVI （2）树脂基体的选用 基体材料起粘接纤维的作用，以剪切力的形式向纤维传递

14、 载荷，并保护纤维免受外界环境的损伤。 根据环向缠绕气瓶的使用特性，要求缠绕所用的树脂须具 有较高的韧性，否则在气瓶受内压作用时会因内胆和复合 材料延伸率差别过大而在界面上产生轴向和环向应力，使 复合材料层与内胆脱粘， 不能作为一个整体同时受力，影 响材料性能的发挥。 浸渍材料可以是热固性或热塑性树脂 。适合的基体材料有：环氧、改性环氧、聚脂和乙烯类热 固 性树脂和聚乙烯、聚酰胺热塑性树脂。 环向缠绕气瓶 采用的树脂一般为环氧树脂。 24DBPVI DBPVI GB24160-2009对设计的要求对设计的要求 GB24160-2009车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气 瓶标准是修改采用 ISO

15、11439：2000气 瓶车用天 然气高压气瓶（英文版）有关 CNG-2 型气瓶部分制 订的。ISO 11439 标准属于性能导向型标准，其原则是 如果产品通过所有试验，则产品是安全的。因此，ISO 11439 标准不指定设计公式， 而是要求对设计进行适当 的分析验证，保证产品可通过试验。 25DBPVI DBPVI 环向缠绕气瓶的强度设计理论 目前，对环向缠绕气瓶的力学计算，一般都是采用网 格理论分析。其基本假设如下： （1）瓶体是由连续纤 维缠绕构成，纤维分布均匀、对称。 （2）对树脂不计 承载能力。 （3）纤维只承受拉应力，没有抵抗弯曲和 剪切变形的能力。 在单向受力情况下，要求纤维安放

16、 在主应力方向上，纤维用量则可由受力大小来计算。 具体要求如下： 26DBPVI DBPVI （1）不提供设计公式，但要求设计时进行适当的计算、分 析和论证，以使环向缠绕气瓶能顺利地 通过本标准所规定 的材料、型式和批量等试验。 （2）设计应保证环向缠绕气瓶在正常使用期间，由于承 压部件质量退化而引起的失效模式为“未爆 先漏”。如果 金属内胆发生泄漏，只应是由于疲劳裂纹的扩展所致。 （3）设计时，内胆材料屈服强度的保证值应不超过抗拉 强度保证值的 90%。应对内胆材料的实测抗拉强度进行控 制，热处理后内胆材料的大抗拉强度不得超过880MPa。 车用压缩天然气钢质内胆用材，当材料的实际抗拉强度大

17、 于 880MPa 时，应当满足以下要求： 27DBPVI DBPVI 在严格控制材料硫、磷等成分含量条件下，通过相 应标准规定的硫化氢应力腐蚀试验(应力环 法)，允许材 料的实际抗拉强度提高到 950MPa，试验结果纳入气瓶 设计文件鉴定报告和型式试验报告； 制造过程中， 材料实际硫、磷等成分含量以及热处理后的实际抗拉强 度不得超出硫化氢应力腐 蚀试验报告中试样材料的硫 、磷含量以及抗拉强度控制范围； 材料加工单位应 当向气瓶制造单位提供由钢坯生产单位出具的所用钢坯 质量证明文件以及由 材料加工单位出具的热轧管或者 冷拔管质量证明文件； 改变材料的牌号、生产单位 、冶炼方法、热加工方法等，应

18、当重新进行硫化氢应力 腐蚀试验。 28DBPVI DBPVI （4）环向缠绕气瓶水压试验压力 Ph 为公称工作压力 P 的 1.5 倍。 （5）内胆小设计爆破压力应为环向缠绕气瓶公称工作 压力 P 的 1.3 倍。 （6）环向缠绕气瓶小设计爆破压力不应小于给定值。 为保证在承受持续载荷和循环 载荷条件下复合材料缠 绕层的设计具有高度可靠性，纤维应力比应满足相应的 规定。 29DBPVI DBPVI 7）应力分析： 应采用能用于材料非线性分析的软件（ 专用计算机程序或有限元分析程序），建立计算复合材 料力学性能的适当模型，对环向缠绕气瓶进行自紧压力 、自紧后零压力、工作压力和小设计爆破压力下 的

19、应 力分析，确定缠绕层和内胆中的应力分布，纤维应力比 应符合标准的规定。 30DBPVI DBPVI 端部结构 端部结构可采用半球形、椭圆形、碟形等凸形结构，允 许缠绕气瓶在端部开瓶口，瓶口的中心线 必须与缠绕 气瓶的中心线一致。 瓶口螺纹 瓶口螺纹应符合 GB8335气瓶专用螺纹的规定。瓶 口的厚度，应能保证在承受紧阀的力偶矩 和铆合颈圈 的附加外力时不变形。 31DBPVI DBPVI 车用车用CNG缠绕气瓶型式试验缠绕气瓶型式试验 新设计和设计变更 型式试验项目： 内胆：壁厚测量、内外表面检查、 制造公差检查、瓶口螺纹检查、硬度试验、拉伸试验、 冲击 试验、冷弯试验、金相试验、底部解剖、

20、无损检 测和水压爆破试验。 气瓶：缠绕层层间剪切强度、 缠绕层抗拉强度、缠绕层外观检查、水压试验、气密性 试验、水 压爆破试验、常温压力循环试验、极限温度 压力循环试验、加速应力破裂试验、枪击试验、火烧试 验、 裂纹容限试验、酸环境试验、未爆先漏试验和高 温蠕变试验。 32DBPVI DBPVI 4 车用车用CNG缠绕气瓶制造及制造缠绕气瓶制造及制造 过程中常见缺陷过程中常见缺陷 33DBPVI DBPVI 气瓶安全技术监察规程气瓶安全技术监察规程对气瓶对气瓶 制造的规定制造的规定 气瓶的分批与批量：纤维缠绕气瓶，金属内胆按本条第(1) 项规定分批；成品瓶按同一规格、同一设计、同一制造工 艺，

21、同一复合材料型号、连续制造为条件分批；无缝气瓶 ，按同一设计、同一炉罐号材料，同一制造工艺以及同一 热处理规范同炉或者连续进行热处理的条件分批； 管制瓶收底与收口： 无损检测 气瓶热处理： 34DBPVI DBPVI 纤维缠绕气瓶的固化 (1)纤维缠绕气瓶应当进行固化制度或者固化工艺的评定， 并制定出固化工艺规程，且应当符合相应标准的规定； (2)经型式试验确定的树脂体系及固化制度不得随意更改 ； (3)对铝合金内胆气瓶，其固化温度和时间不得影响内胆 的性能。 35DBPVI DBPVI 车用车用CNG缠绕气瓶制造工艺缠绕气瓶制造工艺 36DBPVI DBPVI 车用车用CNG缠绕气瓶制造缠绕

22、气瓶制造 1、内胆制造：内胆制造与汽车用压缩天然气钢瓶制造的工 艺相同，只是增加了底部密封性试验。 2、玻璃纤维缠绕：环向缠绕气瓶采用的线型为环向缠绕， 缠绕时内胆沿自己轴线做匀速转动，绕丝头在平行于内胆轴 线方向均匀缓慢地移动，内胆每转一周，绕丝头向前移动一 个纱片宽度，如此循环直至纱片均匀布满内胆筒身为止。 3、固化：环向缠绕气瓶在固化时，为防止树脂流淌，固化 时应旋转加热。为了避免产生热应力，固化时应分阶段逐步 升温加热固化。固化温度的最高值应大于固化物的玻璃化转 变温度，以保证固化物的耐温性。 4、修整：环向缠绕气瓶在固化完成后需进行整修，修磨 气瓶底部流胶所造成的胶液，修磨后壁厚不得

23、小于设计厚度 。修复封头两端掉漆部位。 37DBPVI DBPVI 制造过程中常见的缺陷 1、内胆底部漏：系钢管收底时，温度不够，或氧化皮 夹在里面造成未熔合。 2、钢管旋压成型工序，在瓶底、瓶肩内表面易产生皱 折、裂纹，造成应力集中。 3、内胆热处理工序，其力学性能均匀性、一致性不 易得到保证。 4、缠绕、固化工序，易出现固化不彻底、缠绕层黏 合不好的现象。 38DBPVI DBPVI 4 车用车用CNG缠绕气瓶检验缠绕气瓶检验 39DBPVI39DBPVI DBPVI 内胆制造质量要求内胆制造质量要求 1、壁厚和制造公差。 2、底部密封性试验 ：采用适当的试验装置对内胆底部内表面 中心区加压，加压面积至少应为内胆底部面积的1/16，且加压区 域直径至少为20mm，试验介质可为洁净的空气或氮气。加压到 密封性试验压力后，至少应保压1min，保压期间在内