车用压缩天然气气瓶的研究概况.pdf

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第10期
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车用压缩天然气气瓶的研究概况
张红星,江华生2
(].江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院,江苏无锡214174)
(2.嘉兴学院生物与化学工程学院,浙江嘉兴314001)
摘要]综述了车用压编天然气(CNG)气瓶的研究理论和方法,对CMG气瓶失效机理进行分析,指出网格理论主要解决气
瓶初步设计,运用有限元理论是分析和设计CNG气瓶的必然趋势和选择。研究表明,质量轻、成本低的全塑复合材料气瓶的
研究受到广泛关汪。同时应注重纤维编织法、纤维混杂法在复合材料气瓶上的应用,指出了开展车用气瓶安全防护研究的
重要意义。
关键词]CNG气瓶;失效机理;研究方法;综述
随着我国汽车保有量的不断增加,推广燃
后期出现的纤维缠绕气瓶(CNG-2、CNG-3
气汽车不仅符合应用天然气资源的经济发展战和CNG-4)提高了气瓶的容重比,这类气瓶综合
略,还可有效缓解能源短缺和大气污染。然而,了复合材料的高比强度、可设计性以及内胆的良
作为应用天然气的关键设备一压缩天然气气瓶好气密性、优良的耐蚀性等诸多优点,使其达到
( Compressed Natural Gas,简称CNG气瓶)的研究高承压能力、高疲劳寿命、质轻、耐腐蚀等优良
在我国还处于起步阶段,鉴于安全事故频发,不性能的结合。在同样容积和压力下,内胆的种类
断地造成人员和财产损失,使得CNG气瓶的研究和外层复合材料的选材不同,纤维缠绕气瓶可比
更加迫切
金属气瓶的重量减轻1/3-2/3:两者相比,显然纤
1CNG气瓶的发展
维缠绕气瓶在汽车运行上更具有优势;同时复合
材料在受到撞击或高速冲击发生破坏时,不会产
1992年美国国家标准所(ANSI)制定颁布了
生具有危险性的碎片,从而降低或避免了对人员
ANSI/ AGANGV2-1992车用压缩天然气气瓶标
和车辆的损害?。
准,它是建立在钢质气瓶标准 US DOT3AA、铝质
气瓶标准 US DOT3A1和全缠绕气瓶设计标准草案
近年来,随着复合材料材料成本的降低,成
FIP-1和环缠绕FIP-2气瓶设计标准草案的基础上
型工艺的不断改进,复合材料CNG气瓶在国内外
的标准,该标准首次将CNG气瓶划分为四类,现
倍受青睐,尤其在轿车和轻型车上的应用极具竟
行版本为NGV2-2000
争力,本文讨论的重点为纤维缠绕气瓶
(1)CNG-1型:金属(钢或铝)气瓶
2纤维缠绕气瓶工作机理
(2)CNG-2型:金属(钢或铝)内胆环向纤21自紧原理
维缠绕气瓶;
CNG气瓶内胆一般采用具有非线性力学特性
(3)CNG-3型:金属(钢或铝)内胆全纤维
的金属材料,如铬钼钢、铝等,其材料特性为图1
缠绕气瓶(包括纵向纤维层和环向纤维层)
所示的双线性或多线性曲线。在自紧压力的拉伸
(4)CNG-4型:塑料内胆全缠绕气瓶(全塑
作用下,金属内胆经历了图2所示的弹性变形阶
复合材料气瓶)。
段后进入塑性屈服状态,产生 Bauschinger塑性效
应,此时气瓶外层的缠绕纤维由于弹性模量大于
CNG-1型气瓶出现较早,主要用于CNG汽车
内胆的弹性模量,因而仍处于线性变形阶段。当
的加气站和载货车上,其制造工艺和性能日渐完卸载到零压力后,内胆因产生塑性变形不能恢复
善,具有价格便宜、工作可靠、疲劳寿命长、密到原来状态,由于受到外缠绕层的紧缩压力,使
封性好等特点,目前仍在广泛应用;但因其重量
大、耐蚀性不足的缺点影响了它在轿车和轻型客作者简介:张红星(1975-),男,江苏徐州人,硕土,工程
车上的应用。
师,主要从事承压设备检验检测及研究工作。
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石油和化工设备
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2011年第14卷
内胆上产生了压应力(预应力),而缠绕纤维层
具有拉应力。在工作压力下,纤维缠绕气瓶承受
内压作用产生的应力与预应力相迭加,使内胆的
内壁处最大应力值降低,内胆外壁处较小的应力
值适当升高,使沿壁厚方向的应力分布趋于均匀
化,这种非线性各向同性强化服从 Von Mises/屈服
拉伸
准则2
2.2失效机理
(1)内胆失效机理
据国内外关于CNG气瓶事故报道,除了暴露
压缩
在严重的着火条件中气瓶发生失效外,所有在使
用中失效的CNG气瓶几乎全都是在充气中或刚刚
完成充气后出现的。经过观察和分析发现,气瓶
图2 Bauschinger!塑性效应
反复充、放气的压力循环使疲劳裂纹长大并通过
气瓶侧壁,当气瓶充到最大压力时,裂纹受张力
(2)复合材料失效机理
张开,继而发生漏气,也正是这种疲劳裂纹长大
纤维缠绕层实际是玻璃纤维或碳素纤维、芳
机理决定了CNG气瓶先漏后破的失效模式。在着纶纤维与环氧树脂粘接固化复合而成(也称复合
火或高温环境中,气瓶内部压力远远高于充气压层板),复合层板承担绝大部分(75%95%)的
力或工作压力,当其内部压力达到爆破压力极限压力載荷,其中纤维是主要的承载体,树脂对纤
时,就会发生内胆爆破,为了提高内胆最小爆破维起粘结作用,并在纤维之间起着分布和传递载
压力并使纤维缠绕层真正起到承压作用,就应使荷的作用。因而复合层板(复合板的结构图)
内胆与纤维缠绕层同时爆破,必须选取塑性性能的结构特性决定了其失效机理。许贤泽提出对
较高的材料作内胆,即不能让内胆先破。性性能
复合材料气瓶失效机理的研究目前有两种方法,
种从连续损伤力学概念出发,将损伤理解为材
料本构关系的内变量;另一种是断裂力学的研究
方法,进一步扩展到复合材料的损伤、破坏等问
题的研究中。复合层板的失效主要包括层内断
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裂、层间断裂和横层断裂。层内断裂首先从90度
层产生机体裂纹,由于脱胶,该裂纹平行于纤维
而与外载的拉伸应力垂直,即横向裂纹,裂纹扩
4.
展到0至90度界面后,产生裂纹群。层间断裂是层
疲变(吼)
与层界面的分离,二者实质是纤维与基体界面的
分离,裂纹方向均沿纤维方向;由于纤维层的每
(a)双线性材料
层并非连续介质,受力脱胶后,外层纤维丝和
1(0
应变(%)
(b)多线性材料
1材料特性曲线
图3纤维缠绕气瓶示意图