鋁塑復合材料在儲運裝置中的技術應用

喬東 汲福巖 趙飛 邱宸

秦皇島天秦裝備制造股份有限公司 河北 秦皇島 066004

引言

儲運裝置是產品儲存的基本平臺之一，主要功能有：安裝、防護，在密封、貯存、運輸等過程中起到至關重要的作用。

鋁塑復合材料有較高的耐壓，耐沖擊性，具有一定的彈性為產品在運輸、存貯以及勤務處理的過程中提供良好的保障。鋁塑復合材料具有抗靜電功能以及良好的電磁屏蔽功能；耐熱性能優越，導熱系數小，穩定性高且抗老化性能優越，冷脆溫度低，防止紫外線性能強，其使用溫度范圍較廣，一般為-40℃～95℃，采用鋁塑復合材料成型的儲運裝置可以適用于大部分區域環境，提高了使用的可靠性。

我公司在裝備制造中使用了該材料，應用到了儲運裝置中，取得了良好的經濟和社會效益。

1 儲運裝置現狀

1.1 國外研究現狀

筒式儲運裝置是當今世界先進的儲運裝置設計技術，因其能夠有效提高儲運系統的貯存可靠性，并具有全天候適應能力及快速反應能力，被當今各種先進儲運系統采用。隨著儲運技術的快速發展，對儲運裝置的體積、質量、環境適應性等方面提出更為嚴格的要求。

纖維增強復合材料是設計中技術較為成熟的新型材料，具有強度高、質量輕且便于加工等優點。目前，世界各大國針對纖維增強復合材料在裝備上的應用進行了較為深入的研究[1-3]。復合材料儲運筒以鋼內襯為芯模，外纏碳纖維/環氧樹脂符合材料為結構層，在 150℃下，經歷 10h，高溫固化成型。復合材料儲運筒采用自動化設備連續纖維成型，工藝簡便且材料制造和制品成型同時完成，但環保性方面有一定欠缺。

1.2 國內研究現狀

隨著儲運功能的不斷發展，對其儲運裝置也提出了更多要求，儲運裝置作為儲運系統的重要組成部分，在平時正常儲存和運輸中，儲運裝置既可以保護產品免受外力損傷同時又可以使儲運裝置內的產品免受外界環境影響，保證產品的正常工作。

目前，國內儲運裝置采用纖維增強復合材料，大多采用玻璃纖維、芳綸纖維或者碳纖維材質。通過樹脂浸纖維布并熱卷或纏繞成型，用纖維絲加樹脂壓制儲運裝置筒體，再黏結成型。隨著儲運裝置功能的不斷發展，對儲運裝置也提出了更多要求，儲運裝置作為儲運系統的重要組成部分，在產品平時正常儲存和運輸中，儲運裝置既可以保護產品免受外力損傷同時又可以使儲運裝置內的產品免受外界環境影響，保證產品的正常工作。當產品儲運時，儲運裝置需承受產品燃氣的壓力，這就使儲運裝置需承受一定的壓力。而且為了滿足現代化的需要，還需具備電磁屏蔽的功能。目前電磁屏蔽功能是采用鋁箔實現的，而添加鋁箔降低了儲運裝置的強度。纖維增強材料目前工藝煩瑣，生產效率低，且在生產過程中產生有毒有害氣體、粉塵和固體廢棄物。在環保要求嚴格的條件下，企業很難再繼續生產纖維增強產品，因此采用新型的環保材料成為必然趨勢。

2 鋁塑復合儲運裝置工藝

2.1 儲運裝置的工藝路線示意圖

儲運裝置是承放和儲運產品的筒形專用裝置，具有定位、防護、貯存等功能，在滿足力學性能的同時，還應滿足耐燒蝕、電磁屏蔽、適應環境等功能要求，其結構設計要根據產品外形結構的定位和導向方式及其他要求進行設計。

儲運裝置采用航空鋁管與工程塑料復合技術代替玻璃鋼卷制儲運裝置，并在航空鋁管基礎上預加工定位座、定位抱環、插座安裝座、護線管、筒口圈等高精度預留座，然后采用專用高性能工程塑料材料進行復合成型為一體，工藝路線圖如下。

圖1 工藝路線示意圖

2.2 儲運裝置薄壁鋁管成型工藝

薄壁鋁管是儲運裝置的主體結構，薄壁鋁管采用模具加牽引工裝擠壓成型，材料選擇硬度和強度較大的航空鋁材制成鋁管，鋁管制備完成后需通過數控車床車削外形尺寸，通過定型工裝固定薄壁鋁管進行內徑的加工，滿足加工精度的要求。

2.3 儲運裝置薄壁鋁管焊接工藝

儲運裝置將零部件焊接到儲運裝置中的筒身上，但由于壁厚較薄，焊接過程中易造成筒體變形，因此焊接工藝是薄壁鋁管的關鍵技術。目前，鋁材常用的焊接技術有電弧焊、氬弧焊、CO2保護焊、激光焊接等，目前儲運裝置的焊接采用激光焊接，激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法，其焊接過程屬于熱傳導型，利用激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過熱傳導向內部擴散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復頻率等參數，使工件熔化，形成特定的熔池。其具有激光束能量密度高，功率可調，焊接穩定，焊縫強度高等優點。除焊接設備外，還需要設計輔助定型工裝，以減少后處理工序對薄壁管尺寸精度的影響，并保證管焊接作業一次成型。

2.4 儲運裝置鋁塑復合工藝

依托鋁塑復合技術，以鋁合金管為骨架，鋁管外層有一定層厚的高密度聚乙烯層，在高溫下固化成型，鋁塑復合過程中，以鋁管為正電極，高密度聚乙烯為負電極，這樣就形成了高壓靜電場，遵照“同性相斥，異性相吸”的原理，已帶電的高密度聚乙烯塑料受電場力作用下，對鋁管形成環抱效果，沿靜電場定向地流向帶電的鋁管外觀面上，堆積成一層均勻附著的塑料層。其具有塑料層均勻豐滿，附著力強，塑料層質量高，生產效率高，適合批量生產。鋁和塑料層之間通過表面處理，除掉鋁管表面的油污、灰塵、銹跡，并在表面生成一層抗腐蝕且能夠增加附著力的涂層，使二者結合成一體鋁塑復合管，表面處理后不但外表面沒有油、銹、塵，而且原來銀白色有光澤的表面上生成了一層均勻的不容易生銹的膜，既能防銹又能增加表面附著力，工藝簡便且材料制造和制品成型同時完成，體現了復合材料制品的材料和制造的緊密關系，制備方法和成型工藝已形成自主知識產權。產品同時具有金屬和非金屬特性，具備優異的透濕防潮性能和高低溫環境適應性，可以滿足產品長期密封貯存要求。

3 儲運裝置的試驗驗證

3.1 儲運裝置的技術要求

儲運裝置應符合高溫貯存要求、低溫的貯存要求、鹽霧試驗要求、濕熱試驗要求、太陽輻射試驗要求、霉菌試驗要求和500km公路運輸試驗要求（試驗順序見圖2）。

圖2 試驗順序圖

3.2 儲運裝置的試驗情況

3.2.1 高溫貯存試驗。考核儲運裝置在規定時間連續暴露在極限高溫條件下，其貯存和操作的適應性。將儲運裝置放置在高溫試驗箱中，然后升到高溫貯存試驗溫度65℃，并在相對濕度不大于15%的試驗條件下，保溫48h。試驗結束后恢復到正常大氣條件下，直至儲運裝置達到溫度穩定。

通過高溫貯存試驗考核后，儲運裝置未出現高溫膨脹引起材料或零部件的變形失效、永久性硬化、表面產生裂解或龜裂紋現象，滿足要求。

3.2.2 低溫貯存試驗。考核儲運裝置在規定時間連續暴露在極限低溫條件下，其貯存和操作的適應性。將儲運裝置放置在低溫試驗箱中，然后降至低溫貯存試驗溫度-50℃，并在相對濕度不大于15%的試驗條件下，保溫24h。試驗結束后恢復到正常大氣條件下，直至儲運裝置達到溫度穩定。

通過低溫貯存試驗考核后，儲運裝置未出現低溫收縮引起材料或零部件的變形失效、永久性硬化、表面產生裂解或龜裂紋現象，滿足要求。

3.2.3 鹽霧試驗。考核儲運裝置在鹽霧大氣條件下的貯存和使用性能的變化。將儲運裝置放置在鹽霧試驗箱中，然后達到預定鹽霧條件，試驗結束后檢驗儲運裝置表面情況。

通過鹽霧試驗考核，儲運裝置外表面未出現嚴重的腐蝕及電解現象，腐蝕面積為總面積的5%，未發生其他影響使用的電化學變化，滿足要求。

3.2.4 濕熱試驗。考核儲運裝置在高溫及高濕環境條件下的貯存適應性。將儲運裝置放置在濕熱試驗箱中，然后達到預定濕熱條件，試驗結束后檢驗儲運裝置表面情況。

通過濕熱試驗考核，儲運裝置外表面未出現氧化、腐蝕現象，儲運裝置材料由于吸附作用引起膨脹或出現強度失效，表面未出現較嚴重的冷凝水現象，滿足要求。

3.2.5 太陽輻射試驗。考核儲運裝置在露天存放時太陽輻射對其產生的熱效應和光化學效應的影響。將儲運裝置放置在太陽輻射試驗箱中，達到預定循環熱效應條件，試驗結束后檢查儲運裝置。

通過太陽輻射試驗考核，儲運裝置未發生龜裂、粉化現象，滿足要求。

3.2.6 霉菌試驗。考核儲運裝置在霉菌生長環境中的儲存性能。將儲運裝置放在霉菌試驗箱中，將黑曲霉、黃曲霉、雜色曲霉、繩狀青霉、球毛殼霉接種在儲運裝置外表面，試驗結束后記錄菌種名稱、霉菌生長部位、覆蓋面積、顏色、生長形式、生長密度和生長厚度。

通過霉菌試驗考核，儲運裝置表面未出現霉爛、腐蝕現象，霉菌生長范圍小于被試包裝總面積的10%，未發生化學、物理與結構的變化，滿足要求。

3.2.7 500 km公路運輸試驗。考核在模擬前線公路運輸條件下儲運裝置保護產品的能力。將儲運裝置放置在運輸試驗用卡車上，且載重量不小于4t，并用尼龍網罩覆蓋車廂。試驗結束后儲運裝置結構完整，標識可以辨識。

通過500km公路運輸試驗考核，儲運裝置結構完整，標識清晰可辨，滿足要求。

通過上述試驗驗證，鋁塑復合儲運裝置既滿足了預期的性能指標，降低了使用成本、重量且生產周期短，效率高、勞動強度低，又有利于實現高度機動性和快速反應；同時原材料立足國內，貨源穩定充足，不受自然條件的制約，即保護了生態環境，又節約了社會資源，使其經濟效益整體最佳。目前，儲運裝置滿足儲運的高強度和高精度要求，達到國內領先水平。

4 儲運裝置的發展趨勢

隨著現代技術的發展，未來儲運裝置會向著輕便、機動、靈活、快速全方發展，因此需要發展新型結構和功能材料，儲運裝置作為一類常用裝備，也開始大力開發和應用新型材料，其中鋁塑復合材料具有環保性好、耐腐蝕、強度高、疲勞壽命高等優點，是目前比較理想的材料，這種儲運裝置作為一類新型復合材料結構，將被廣泛應用到新型裝備中。

鋁塑復合材料代替纖維增強材料制作的儲運裝置，不但解決了纖維增強材料的環境污染問題，而且具有成本低、環保性好、生產周期短、效率高、勞動強度低、加工速度快和適合大批量生產等特點；鋁塑復合產品機械性能好，質量可靠，有利于實現戰時部隊的高度機動性和快速反應，保障作戰安全。未來鋁塑復合材料的儲運裝置更適合推廣和應用。

5 結束語

結合實際情況，鋁塑復合儲運裝置和纖維增強儲運裝置對比，鋁塑復合儲運裝置在工藝性上環保性好，加工速度快，適合大批量生產，成本低，性能穩定，質量可靠；在性能上既滿足了預期的性能指標，降低了使用成本、重量且生產周期短，效率高、勞動強度低，有利于實現高度機動性和快速反應；同時原材料立足國內，貨源穩定充足，不受自然條件的制約，既保護了生態環境，又節約了社會資源，使其經濟效益整體最佳，預期已經達到國內領先水平。