关于复合材料缠绕压力容器冲击损伤的几点思考

晋来法（山东科瑞油气工艺设备有限公司,山东　东营　257067）

关于复合材料缠绕压力容器冲击损伤的几点思考

晋来法
（山东科瑞油气工艺设备有限公司,山东东营257067）

摘要：压力容器的可靠性决定了内容物体的稳定性，其安全性将直接影响到整个空间系统的安全。由于压力容器受外界储存环境的影响比较大，此类容器对于外界的冲击损伤非常敏感。根据国内外研究来看，一般情况下，冲击损伤可以造成高压容器内部结构突变，整体结构材料的受力强度和稳定性严重降低、为了保障压力容器的整体安全，使用复合材料缠绕的方法，可以有效减少压力容器的冲击损伤。本文根据碳合金、环氧复合等材料的主要特征做出探讨，提出选用正确的配比材料的缠绕方法，有效缓解冲击力，提高压力容器稳定性的方法。

关键词：复合材料；缠绕方法；冲击损伤；压力容器

1　复合材料压力容器的特点

复合材料压力容器因为具有重量轻的特点，并且它的压力承担容限指数较高，在遭遇了外力冲击的情况下，复合材料缠绕处理法容器具有稳定性较高的特点，可以在比较恶劣的储存环境下，保证压力容器失效模式安全等等优点。正因为如此，复合材料缠绕的压力容器以其较高的抗冲击损伤的性能，不断得到了广大用户的信赖，在宇宙中高压真空环境的空间系统中得到了比较广泛的应用。其中，最典型的复合材料压力容器（Copvs）是指，通过在压力容器的薄壁金属（或者塑胶）内存上缠绕在符合材料的基础罐体中，通过充分浸染和涂渍大量高强度的纤维，最终完成复合材料内存的缠绕压力容器的制造。复合材料压力容器（COPVs）一般会被安排在国家高精尖领域的制造项目中，复合材料的压力容器技术更是得到了广泛的运用。

2　冲击效果损伤

2.1外力冲击对内外壁的影响

碳合金和环氧复合材料压力容器在受到了外力冲击之后，最为直接的结构就是在容器的内壁出现不均匀的裂缝，产生各种明显的受损状况下的缺陷。比如，在金属容器的内壁会出现衬体凹凸不平的现象。环氧符合材料由于纤维分层材料的特点显著，会出现复合层与压力容器的内衬脱离粘黏、容器内壁基体发生开裂和显著分层，这些都是典型的压力容器受到冲击损伤的效果表征。在外界压力过大和冲击损伤更加剧烈的时候，压力容器还会因为承受过高的符合，容器内壁出现明显的纤维断裂现象。

2.2复合材料缠绕压力的标准性测试

在上个世纪九十年代的中后期，美国的国家航空公司开展了一项针对航天器复合材料缠绕压力的标准性测试，为压力容器冲击损伤状态下，复合材料缠绕压力容器加强的技术进行了研究和分析。美国航天公司抽调全国技术骨干，对将近220个直径约为150-500MM的球形压力容器和圆柱体碳合金/环氧压力容器（Copvs）进行了高频次的冲击试验。根据研究实验的过程，获得了大量碳合金/环氧（Copvs）的实验数据，使用复合材料可以显著缓解冲击损伤的效力。根据复合材料缠绕技术中，压力容器冲击损伤的实验中得到了测试结果表明，用不同能量的冲击碳元素/环氧压力容器（Copvs）产生的具体损伤效果很不一样，没有使用复合材料的压力容器在冲击能量加大时，会出现内壁爆裂的现象。

3　冲击损伤效果的影响因素以其检测

3.1冲击位置的影响

对于球形的复合材料缠绕压力容器而言，冲击位置会在对受压容器的靠近接头位置出现集中施压的现象。由于复合材料在接头处内壁缠绕侵染效果比较好，因此，此处的冲击损伤反而比较小，主要原因就是由于碳合金与环氧压力材料与接头处连接，使得此处的高度显著增加。

3.2冲击损伤检测

目视法是检测压力容器COPVS冲击损伤的最简单和直接有效的方法。勘测科学家通过肉眼对压力容器的内部进行检查，或者借助放大镜对容器外表面的壁衬进行检测，可以发现在受力情况下，复合材料表面纤维的具体受损伤的情况。使用找色绳头或者酒精擦拭，可以显著加强目视法冲击探伤的效果和准确度。由于经济技术的发展和科技研究的深入，目前一些有条件的探伤冲击检测中，大多使用超声探测对内衬的凹陷翘张屈合以及压力容器的复合层分层进行准确探伤。采用超声反射发可以对冲击伤后的COPVS中出现的分层状况进行精准测算，可以对内衬复合材料的缠绕状况进行准确的定量检测。

3.3减轻冲击损伤

为了提高材料缠绕处理方法压力容器的抗冲击效果，必须要在压力容器的加压过程和材料内衬处理过程中，严格按照罐体设计和复合材料缠绕处理的相关工艺质量标准，展开标准化生产的细节管控，从而有效减弱因为高速撞击造成的压力容器损伤。比如，对加压容器的复合层部分，展开实时的声波探伤和外观质量检查，直接剔除复合层表面或者压力容器内部存在裂纹和部分气孔脱层的产品，从源头上加强对于压力容器的质量管控，提高容器整体数量上的优良率和抗冲击性能。由于产品的设计在抵御撞击损伤的作用比较明显，因此要考虑到COPVs在内衬泄露失效和动力学环境压力骤增的情况下的容器承受过载的能力。在压力容器的生产、试验和搬运的操作过程中，提高其抗风险失效的安全系数。

4　结束语

从高压容器内衬缠绕的复合材料来看，我们国家一般采用了碳合金材料与环氧复合材料，作为高压容器的内部填充支持物，它与其它的钢、碳合金等金属合成材料相比，具有更高的结构稳定性与缓击冲压的比模量。另外，使用碳合金和环氧符合材料的多层缠绕技术，可以使压力容器在空间运行的过程中实现有效的减重目标，保证符合材料缠绕处理方法压力容器的抗压强度。

参考文献：

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作者简介：晋来法（1980-），山东寿光人，本科，设计工程师，研究方向:压力容器设计。