大型碳纤维复合材料气瓶在压缩天然气储运领域中的研制与应用进展

白洁　宇秋红

摘 要：利用纤维缠绕成型技术制造的大型天然气压缩（ CNG）气瓶具有较大的优点，包括质地轻巧，强度较高，耐疲劳性好而且具有一定的抗腐蚀性。上述优点可以满足远洋天然气的开发以及长途陆路运输。本文通过介绍目前发达国家以及我国现阶段对于大型纤维复合材料气瓶的研究及实际应用情况，同时根据目前我国的实际生产需要提出了研制大型 CNG 复合材料气瓶关键性突破性的核心技术和成型装备。

关键词：碳纤维；复合材料；CNG；气瓶；缠绕

中图分类号：TB332 文献标识码：A

随着经济的快速发展资源开发领域已经从陆路开发向远洋开发迈进。我国对于海洋的开发较晚在相应的技术领域缺乏一定的技术和经验，需要有先进的技术经验基础作为远洋开发的前提条件。大型纤维复合材料制成的压缩瓶可以满足目前国际国内对于天然气的开采运输的相应技术要求。目前我国开采远洋天然气的水平较低，需要有先进的技术制度和相应的可行的技术规范和成型装备，能够保证天然气开采技术同国际先进水平持平，力争在发展中不断进步，不断提升自身的实力。

1 国际上大型CNG气瓶的储运方式及需求

随着能源消耗的逐渐增加，尤其是油气能源消耗。各个国家除了在自己领土陆路的范围内进行油气的开发外，已经将开发的计划实施应用到了国土中的海洋部分。据调查显示目前世界上的油气储量中海洋油气储量占有绝对地位，因此进行远洋油气开发将成为未来油气资源开发的主导。而且天然气的价格比较实惠同时燃烧后不会产生较多的污染其中很多的包括一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、碳氢化合物的排放同燃烧汽油柴油相比排放量将会大大降低。目前我国经济的发展还处于市场经济的初级阶段，国家在经济发展的同时十分重视能源的节约和充分利用，同时计划实施可持续的发展战略，因此开发远洋天然气是符合经济的发展和国家计划实施可持续发展战略的需要。天然气的开采同石油的开采是同时进行的，由于技术的原因很多天然气不能内采集只能是白白的烧掉或是重新注回地下，因此解决天然气的采集与存储成为油气开发工作中亟待解决的问题。压缩天然气就是将天然气进行加压后成为高压气体保存在气瓶中进行存储。CNG气瓶组成有合金钢材的，也有塑料内衬外缠绕纤维增强树脂成型的复合材料的。后者造价较低同时质地轻巧，强度较高，抗腐蚀性和安全性都较高。由于上述特点因此塑料内衬外缠绕纤维增强树脂成型的复合材料CNG气瓶逐渐代替了合金钢材料的气瓶成为目前国际上通用的运输载体。

2 国际上大型碳纤维复合材料CNG气瓶的研制与应用进展

外国发达国家在大型复合材料CNG气瓶的研制和开发方面走在世界的前列，尤其是工业发展较快经济水平较高的国家。我国对于大型复合材料CNG气瓶的制造还处在探索阶段，对于该项技术的掌握还没有达到能够独立进行大型复合材料CNG气瓶的生产制造。对于发达的经济技术水平较高的国家在利用天然气有一定的历史的国家已经具备了生产大型天然气压缩瓶的能力。例如美国，挪威，加拿大这些国家在被制造大型天然气压缩瓶的材料一般采用纤维缠绕成型技术，使用的主要是树脂体系。材料一般为大丝束纤维。随着经济的发展和用户的使用要求大型复合材料CNG气瓶在体积、质量和选材不断推陈出新，体积方面从开始的一立方米到现在的几十立方米，质量也在不断的提高质地更加轻巧，更具有耐腐蚀性和强度。例如在气瓶的内衬使用热塑性塑料，筒体的体壳部分采用纤维环氧树脂预浸料干法缠绕成型法。气瓶两端的封头采用的是不锈钢材质或铝合金材质，封头与筒体是粘在一起提高了气瓶的整体性和封闭性。国际上对于压缩天然气瓶的研究开发速度很快，有设计显示在未来十年将研制出气瓶同船体结合为一体的专业运输船，为天然气的输送创造更多的方便。

3 研发大型碳纤维复合材料气瓶的关键技术、关键装备及标准规范

3.1 大型复合材料CNG气瓶制造的关键技术。（1）大型内衬的生产技术。对于大型复合材料天然气压缩气瓶来说制造其内衬成为关键技术，对于内衬的制造目前主要采用的热塑性塑料，比如常用的高密度聚乙烯（HDPE）。但在进行生产的过程中必须要保证良好的密封性和优异的气密性，有较高的强度和刚度，同时生产气瓶材料的韧性和抗腐蚀性，抗疲劳性都要符合要求。大型复合材料CNG气瓶的内衬很多时候也会采用金属内衬。金属内衬外缠绕碳纤维成型的天然气压缩气瓶具有较大的体积，一般采用旋压收口，如何保证收口后金属内胆的尺寸精度，瓶嘴裂纹以及稳定性是内衬成型的关键技术。（2）缠绕结构设计技术。纤维缠绕成型的结构设计一般依据的是网格理论。通过计算可以得到内衬的复合材料气瓶在加压和泄压过程中的变形特性，可以进行气瓶强度设计，从而可以设计纤维缠绕的相关参数，包括纤维缠绕厚度、缠绕线型、缠绕角度等。大型复合材料CNG气瓶对长期疲劳使用寿命的要求较高，如何通过复合材料的理论计算与结构设计满足其长期储压以及反复冲压的使用要求，是大型复合材料CNG气瓶结构设计的难点。（3）多丝束碳纤维的缠绕头展纱技术。为了简化缠绕成型工艺，提高产品的质量，一般优选纤维预浸法缠绕大型复合材料CNG气瓶。但是预浸纱的展纱宽度直接影响了单层复合材料的厚度，并且还会影响复合材料层的致密程度，影响纤维强度的发挥。

3.2 大型复合材料CNG气瓶制造的关键设备。为了实现上述的关键技术，大型复合材料CNG气瓶制造必须采用很多生产设备，主要包括大型缠绕机、大张力控制系统、大型树脂混合搅拌器、大型加热固化装置和CAQ在线质量检测系统等土艺设备，还包括压力循环测试装置、气密试验装置、水压试验装置、声发射检测装置和无损探伤检测仪等分析检测设备。其中，大型缠绕机是大型复合材料CNG气瓶造的最关键设备之一。

结语

总而言之，随着经济的发展人类可利用的石油资源日趋枯竭，世界各国在寻求经济发展的过程中都在寻求新的可利用能源和新的可持续发展政策。在这种形势下大力发展和应用复合材料CNG气瓶，对于节约能源、保护环境具有重要意义。

参考文献

[1]江怀友，赵文智，裘悍楠，齐仁理，李治，潘继平.世界海洋油气资源现状和勘探特点及方法[J].中国石油勘探，2008 （03）：27-34.