大型碳纖維復(fù)合材料氣瓶在壓縮天然氣儲(chǔ)運(yùn)領(lǐng)域中的研制與應(yīng)用進(jìn)展

白潔　宇秋紅

摘 要：利用纖維纏繞成型技術(shù)制造的大型天然氣壓縮（ CNG）氣瓶具有較大的優(yōu)點(diǎn)，包括質(zhì)地輕巧，強(qiáng)度較高，耐疲勞性好而且具有一定的抗腐蝕性。上述優(yōu)點(diǎn)可以滿足遠(yuǎn)洋天然氣的開發(fā)以及長(zhǎng)途陸路運(yùn)輸。本文通過介紹目前發(fā)達(dá)國(guó)家以及我國(guó)現(xiàn)階段對(duì)于大型纖維復(fù)合材料氣瓶的研究及實(shí)際應(yīng)用情況，同時(shí)根據(jù)目前我國(guó)的實(shí)際生產(chǎn)需要提出了研制大型 CNG 復(fù)合材料氣瓶關(guān)鍵性突破性的核心技術(shù)和成型裝備。

關(guān)鍵詞：碳纖維；復(fù)合材料；CNG；氣瓶；纏繞

中圖分類號(hào)：TB332 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展資源開發(fā)領(lǐng)域已經(jīng)從陸路開發(fā)向遠(yuǎn)洋開發(fā)邁進(jìn)。我國(guó)對(duì)于海洋的開發(fā)較晚在相應(yīng)的技術(shù)領(lǐng)域缺乏一定的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，需要有先進(jìn)的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)作為遠(yuǎn)洋開發(fā)的前提條件。大型纖維復(fù)合材料制成的壓縮瓶可以滿足目前國(guó)際國(guó)內(nèi)對(duì)于天然氣的開采運(yùn)輸?shù)南鄳?yīng)技術(shù)要求。目前我國(guó)開采遠(yuǎn)洋天然氣的水平較低，需要有先進(jìn)的技術(shù)制度和相應(yīng)的可行的技術(shù)規(guī)范和成型裝備，能夠保證天然氣開采技術(shù)同國(guó)際先進(jìn)水平持平，力爭(zhēng)在發(fā)展中不斷進(jìn)步，不斷提升自身的實(shí)力。

1 國(guó)際上大型CNG氣瓶的儲(chǔ)運(yùn)方式及需求

隨著能源消耗的逐漸增加，尤其是油氣能源消耗。各個(gè)國(guó)家除了在自己領(lǐng)土陸路的范圍內(nèi)進(jìn)行油氣的開發(fā)外，已經(jīng)將開發(fā)的計(jì)劃實(shí)施應(yīng)用到了國(guó)土中的海洋部分。據(jù)調(diào)查顯示目前世界上的油氣儲(chǔ)量中海洋油氣儲(chǔ)量占有絕對(duì)地位，因此進(jìn)行遠(yuǎn)洋油氣開發(fā)將成為未來油氣資源開發(fā)的主導(dǎo)。而且天然氣的價(jià)格比較實(shí)惠同時(shí)燃燒后不會(huì)產(chǎn)生較多的污染其中很多的包括一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、碳?xì)浠衔锏呐欧磐紵筒裼拖啾扰欧帕繉?huì)大大降低。目前我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展還處于市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的初級(jí)階段，國(guó)家在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)十分重視能源的節(jié)約和充分利用，同時(shí)計(jì)劃實(shí)施可持續(xù)的發(fā)展戰(zhàn)略，因此開發(fā)遠(yuǎn)洋天然氣是符合經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國(guó)家計(jì)劃實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要。天然氣的開采同石油的開采是同時(shí)進(jìn)行的，由于技術(shù)的原因很多天然氣不能內(nèi)采集只能是白白的燒掉或是重新注回地下，因此解決天然氣的采集與存儲(chǔ)成為油氣開發(fā)工作中亟待解決的問題。壓縮天然氣就是將天然氣進(jìn)行加壓后成為高壓氣體保存在氣瓶中進(jìn)行存儲(chǔ)。CNG氣瓶組成有合金鋼材的，也有塑料內(nèi)襯外纏繞纖維增強(qiáng)樹脂成型的復(fù)合材料的。后者造價(jià)較低同時(shí)質(zhì)地輕巧，強(qiáng)度較高，抗腐蝕性和安全性都較高。由于上述特點(diǎn)因此塑料內(nèi)襯外纏繞纖維增強(qiáng)樹脂成型的復(fù)合材料CNG氣瓶逐漸代替了合金鋼材料的氣瓶成為目前國(guó)際上通用的運(yùn)輸載體。

2 國(guó)際上大型碳纖維復(fù)合材料CNG氣瓶的研制與應(yīng)用進(jìn)展

外國(guó)發(fā)達(dá)國(guó)家在大型復(fù)合材料CNG氣瓶的研制和開發(fā)方面走在世界的前列，尤其是工業(yè)發(fā)展較快經(jīng)濟(jì)水平較高的國(guó)家。我國(guó)對(duì)于大型復(fù)合材料CNG氣瓶的制造還處在探索階段，對(duì)于該項(xiàng)技術(shù)的掌握還沒有達(dá)到能夠獨(dú)立進(jìn)行大型復(fù)合材料CNG氣瓶的生產(chǎn)制造。對(duì)于發(fā)達(dá)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平較高的國(guó)家在利用天然氣有一定的歷史的國(guó)家已經(jīng)具備了生產(chǎn)大型天然氣壓縮瓶的能力。例如美國(guó)，挪威，加拿大這些國(guó)家在被制造大型天然氣壓縮瓶的材料一般采用纖維纏繞成型技術(shù)，使用的主要是樹脂體系。材料一般為大絲束纖維。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和用戶的使用要求大型復(fù)合材料CNG氣瓶在體積、質(zhì)量和選材不斷推陳出新，體積方面從開始的一立方米到現(xiàn)在的幾十立方米，質(zhì)量也在不斷的提高質(zhì)地更加輕巧，更具有耐腐蝕性和強(qiáng)度。例如在氣瓶的內(nèi)襯使用熱塑性塑料，筒體的體殼部分采用纖維環(huán)氧樹脂預(yù)浸料干法纏繞成型法。氣瓶?jī)啥说姆忸^采用的是不銹鋼材質(zhì)或鋁合金材質(zhì)，封頭與筒體是粘在一起提高了氣瓶的整體性和封閉性。國(guó)際上對(duì)于壓縮天然氣瓶的研究開發(fā)速度很快，有設(shè)計(jì)顯示在未來十年將研制出氣瓶同船體結(jié)合為一體的專業(yè)運(yùn)輸船，為天然氣的輸送創(chuàng)造更多的方便。

3 研發(fā)大型碳纖維復(fù)合材料氣瓶的關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵裝備及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

3.1 大型復(fù)合材料CNG氣瓶制造的關(guān)鍵技術(shù)。（1）大型內(nèi)襯的生產(chǎn)技術(shù)。對(duì)于大型復(fù)合材料天然氣壓縮氣瓶來說制造其內(nèi)襯成為關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于內(nèi)襯的制造目前主要采用的熱塑性塑料，比如常用的高密度聚乙烯（HDPE）。但在進(jìn)行生產(chǎn)的過程中必須要保證良好的密封性和優(yōu)異的氣密性，有較高的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)生產(chǎn)氣瓶材料的韌性和抗腐蝕性，抗疲勞性都要符合要求。大型復(fù)合材料CNG氣瓶的內(nèi)襯很多時(shí)候也會(huì)采用金屬內(nèi)襯。金屬內(nèi)襯外纏繞碳纖維成型的天然氣壓縮氣瓶具有較大的體積，一般采用旋壓收口，如何保證收口后金屬內(nèi)膽的尺寸精度，瓶嘴裂紋以及穩(wěn)定性是內(nèi)襯成型的關(guān)鍵技術(shù)。（2）纏繞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)。纖維纏繞成型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般依據(jù)的是網(wǎng)格理論。通過計(jì)算可以得到內(nèi)襯的復(fù)合材料氣瓶在加壓和泄壓過程中的變形特性，可以進(jìn)行氣瓶強(qiáng)度設(shè)計(jì)，從而可以設(shè)計(jì)纖維纏繞的相關(guān)參數(shù)，包括纖維纏繞厚度、纏繞線型、纏繞角度等。大型復(fù)合材料CNG氣瓶對(duì)長(zhǎng)期疲勞使用壽命的要求較高，如何通過復(fù)合材料的理論計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足其長(zhǎng)期儲(chǔ)壓以及反復(fù)沖壓的使用要求，是大型復(fù)合材料CNG氣瓶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。（3）多絲束碳纖維的纏繞頭展紗技術(shù)。為了簡(jiǎn)化纏繞成型工藝，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，一般優(yōu)選纖維預(yù)浸法纏繞大型復(fù)合材料CNG氣瓶。但是預(yù)浸紗的展紗寬度直接影響了單層復(fù)合材料的厚度，并且還會(huì)影響復(fù)合材料層的致密程度，影響纖維強(qiáng)度的發(fā)揮。

3.2 大型復(fù)合材料CNG氣瓶制造的關(guān)鍵設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)上述的關(guān)鍵技術(shù)，大型復(fù)合材料CNG氣瓶制造必須采用很多生產(chǎn)設(shè)備，主要包括大型纏繞機(jī)、大張力控制系統(tǒng)、大型樹脂混合攪拌器、大型加熱固化裝置和CAQ在線質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)等土藝設(shè)備，還包括壓力循環(huán)測(cè)試裝置、氣密試驗(yàn)裝置、水壓試驗(yàn)裝置、聲發(fā)射檢測(cè)裝置和無損探傷檢測(cè)儀等分析檢測(cè)設(shè)備。其中，大型纏繞機(jī)是大型復(fù)合材料CNG氣瓶造的最關(guān)鍵設(shè)備之一。

結(jié)語(yǔ)

總而言之，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展人類可利用的石油資源日趨枯竭，世界各國(guó)在尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過程中都在尋求新的可利用能源和新的可持續(xù)發(fā)展政策。在這種形勢(shì)下大力發(fā)展和應(yīng)用復(fù)合材料CNG氣瓶，對(duì)于節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

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