葛亚敬
太重(天津)滨海重型机械有限公司 天津市 300000
摘要:纤维增强聚合物基复合材料(FRP),包括 FWRP 压力容器独具下列特点:FRP 由纤维(增强相)和聚合物(基体相)组成,复合材料性能离散性大;各向异性;FRP 与制品同时生成(FWRP 压力容器缠绕成型签的纤维与树脂都是单相材料,只有经过缠绕工艺成型为 FWRP 压力容器时, 复合材料亦形成了); 成型工艺过程控制对制品性能影响极大;环境(温度、湿度、介质等)对 FRP 性能有影响。
关键词:压力容器;复合材料;设计理论;强度;刚度;耐久性;保护层;
纤维缠绕增强复合材料(Fiber Wound Reinforced Plastics,FWRP)压力容器是由高强度连续纤维经聚合物基树脂浸渍后在一定形状的芯模(或内衬)上缠绕固化而成。由于其具有比强度高、比模量大、可实现等强度设计、抗疲劳性能好、耐腐蚀等优异性能以及便于大尺寸整体成型的特点。从上世纪七十年代起,为了最大限度地减轻压力容器重量,科技人员研发了由内衬与外缠绕复合材料增强层的复合压力容器技术。这种采用这种轻质高强的新型复合材料来研制抗爆容器已在众多领域中逐步取代金属压力容器,在国防高科技与民用领域得到了广泛应用。
一、压力容器简介
压力容器(Pressure Vessel)是一种在工业生产过程中能够承受较大压力的密闭容器,主要的用于固态、液态、气态等化学物质的反应、分离、传质传热、储存和运输等生产工艺过程 。压力容器已经被石油化工、冶金、机械、建筑、食品、服装纺织和医药等工业技术生产行业所广泛地使用,例如核反应堆压力设备、液体喷射压力设备、石油分离反应器、合成尿素压力设备和临界萃取釜都是常见的压力容器。由于压力容器要承受内部物质带来的各种载荷和外部支撑力的作用,基于其特殊的使用工况,在实际应用过程中对压力容器的要求越来越苛刻,例如对承压要求从原来的 10 MPa 增加到 100 MPa,循环疲劳寿命要求在 105 ~ 108 之间,对高温和有害物质也有着一些十分严格的要求 。由于特殊工况的作用,压力容器是工业生产中比较容易出现破坏的设备,在压力容器的破坏形式当中,塑形破坏、脆性破坏和疲劳破坏这三种破坏形式最为常见。 传统压力容器大多是以金属或合金作为容器壁而制造出的容器,结构相对简单,承载压力可以简化为均匀受力,从而转换为薄膜应力近似计算。而越来越多的复杂工况导致了传统压力容器不能满足某些特殊的工艺过程的需要,例如石油化工中需要耐1000℃的压力容器,核反应堆中大多数压力容器对耐液态钠腐蚀的要求苛刻。这些极限的工况对压力容器提出了巨大的挑战,因此,以复合材料压力容器为代表的新型压力容器被广泛地关注 。这些复合材料的使用,可以有效地满足压力容器在使用过程中对压力载荷大、耐高温、耐腐蚀的要求,进入 21 世纪以来,复合材料压力容器的研究得到了广泛重视,其在市场中占据的份额也在不断上升。
二、复合压力容器的结构及分类
根据国际标准 ISO11119,压力容器从结构形式上可分为四类,第一类是全金属型压力容器;第二类是金属内衬环向缠绕复合材料增强型复合压力容器;第三类是金属内衬全缠绕复合材料增强型复合压力容器,第四类是塑料内衬全缠绕复合材料增强型复合压力容器。 由于复合压力容器不仅兼顾了金属内衬的良好加工性、气密性、耐蚀性和高强度、高韧性等特点,又综合了复合材料重量轻、安全性好以及良好的可设计性等优点,使其具有高承压能力、高疲劳寿命、质轻、耐腐等优良性能,在相同容积和压力条件下,复合压力容器比钢质压力容器的重量可减轻 1/3~2/3; 同时复合材料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,从而降低或避免了对人员的伤害,复合压力容器比金属压力容器具有更好的使用安全性。纤维缠绕复合压力容器实体结构是由内衬层、纤维缠绕增强层和外保护层组成。
2.1内衬层
复合压力容器内衬层内壁直接与介质接触, 它的主要作用是气密、防腐、耐温和耐压。 因此要求内衬材料具有优良的气密性、耐腐蚀性、耐温和高强度、高韧性等特点。
2.2纤维缠绕增强复合材料层
纤维缠绕增强复合材料层的主要作用是保证压力容器在受力的情况下,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良好的树脂是提高结构承载能力的重要措施, 通常采用高强玻璃纤维/环氧树脂或碳纤维/环氧树脂高性能复合材料。
2.3外保护层
为了提高复合压力容器抗外载荷冲击特性,通常在外表面缠绕数层抗冲击性能较好的高强玻璃纤维复合材料,同时进行外涂层表面处理。
三、基于复合材料的压力容器的性能研究
20世纪80年代初期俄罗斯继美国杜帮公司Kevler纤维之后而.出现的一种高性能芳纶纤维,其力学性能明显优于Kevler一49纤维。F-12纤维兼具结晶型刚性分子和非晶型分子的特性,其分子链中叔胺和亚胺原子易于与复合材料树脂基体的环氧官能团作用。
3.1固化时机对压力容器性能的影响
在压力容器试验中,刚缠绕完毕的压力容器,直接固化后,产品表面出现气泡浮胶、胶瘤等现象,产品性能较差。产品经过解剖后分析发现,其内外层的含胶量很不均匀,因此开展了容器最佳固化时机的研究。将缠好后的容器在室温条件下存放,使容器在室温下缓慢地进行固化,同时对容器边缘下挤出来的胶珠进行CPC谱图分析,结果可知:刚缠好的容器上的胶珠的重均分子量为1.595,放置两天后便增大到6.956,这说明容器在室温放置后,胶液中的大分子物质逐渐增加,亦即胶液的预固化度进-步增加,随着放置时间的延长,其重均分子量逐渐增大,放置6d后已经达到了26.037 ,容器表面的胶珠已经发硬了,此时按照DSC曲线确定的固化制度进行固化,固化过程中没有发生外部流胶.内层基体过量外迁的现象,固化出的容器外观光滑,性能较佳。
3.2含胶量对压力容器性能的影响
采用“交替”铺层方式缠绕,用微机控制多功能浸胶机严格控制预浸胶带的含胶量,进行含胶量(质量分数)对φ150mm压力容器性能的影响试验,从试验结果得知,含胶量过高或过低,缠绕容器的综合性能都不好;含胶量过高时,容器中纤维体积分数降低,容器消极质量增加,导致容器特性系数降低;含胶量过低时,树脂基体不能有效充满复合材料中的孔隙,导致制品中有缺陷,容器性能也不高。从上述试验数据中可知,第二组容器的PV/W值与纤维强度转化率均很高,因此在此基础.上又进行了发容器试验,爆破均发生在筒身中段,说明容器的综合性能较高。
3.3铺层方式对压力容器性能的影响
纤维增强复合材料缠绕压力容器铺层方式对容器性能影响极大,是复合材料缠绕成型工艺中的关键技术之一。在纤维缠绕成型工艺中,铺层方式有两种:第一种是所有纵向层纤维 “集中”缠绕在容器内部,所有环向层纤维“集中”缠绕在容器外部;第二种是纵向及环向纤维“交替”缠绕。就这两种铺层方式,分别缠绕两发φ150mm压力容器,每发容器都采用4层纵向和5层环向的缠绕方式,做了对比试验,可以看出“交替*缠绕的压力容器性能明显高于“集中”缠绕的,这是因为“集中”缠绕的容器纵环向之间只有一个交 接面,导致容器整体结构性能较差。分析了破坏后的压力容器也可发现:“交替"缠绕的压力容器破坏发生在筒身中部,纵环向全部破坏;而“集中"缠绕的容器是在纵环向的交接面处分层破坏,壳体的整体性能较差,因而容器性能也较差。
结语:
在复合材料压力容器性能研究的基础上,可以有针对性地改进复合材料成型工艺,使复合材料与其连接的金属材料成为整体,达到最佳的性能指标。复合材料压力容器是复合材料技术在压力容器中的重要应用,必将随着复合材料技术的发展而发展。
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