复合材料在压力容器中的应用

技 术 综 述
复合材料在压力容器中的应用
T he A pplication of C omposite M aterials to Pressure V essels
浙江大学化工机械研究所 陈建良 童水光
本文综述了复合材料对压力容器的重要意义以及相关的应力分析方法 、失效准则和设计方 介绍了一个复合材料典型结构 。

关
键词 : 复合材料
压力容器 应用
法 , 传统材料的构件成型是对材料的再加工 , 加工 过程中不发生组分和化学的变化 。

而复合材料构件 与材料是同时形成的 , 构件完成 , 复合材料同时形 1 引言
压力 容 器 广 泛 应 用 于 化 工 、轻 工 、能 源 、冶 金 、航天等领域 , 在国民经济中发挥着重要的作 用 。

材料技术是压力容器技术的一个重要组成部 分 , 是设计和制造的先决条件 。

111 复合材料概述
成 , 好 , 因此 , 复合材料加工周期短 , 结 构 的 整 体 性 可靠性高 。

⑶复合效应的优越性 复合材料的组分材料虽然保持其相对独立性 ,
根据国际化标准组织 ( ISO ) 的定义 , 复合材 但复合材料的性能却不是组分材料性能的简单加 料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质 组合而成的一种多相固体材料 。

在复合材 料 中 , 通 常 一 相 为 连 续 相 , 称 为 基 体 ; 另一相为分散相 , 称为增强材料 。

分散相是以 独立的形态分布在整个连续相中 , 两相之间存在着 相界面 , 分散相可以是增强纤维 , 也可以是颗粒状 或弥散的填料 。

复合材料的基体材料主要有金属 、 无机凝胶 、陶瓷和聚合物等 。

增强材料主要有玻璃 纤维及其制品 、碳纤维 、芳纶纤维 ( 有机纤维) 、 碳化硅纤维 、硼纤维 、晶须 、氧化铝纤维等 。

复合 材料具有以下特性 :
⑴可设计性
通过控制增强材料的性能 、含量及分布状况 , 基体材料的性能 、含量以及它们之间的界面结合情 况 , 可 以 最 大 限 度 地 达 到 力 学 、机 械 及 热 、声 、 光 、电 、防腐 、抗老化等物理 、化学性能 。

⑵材料与结构的同一性
和 , 而是有着重要的改进 。

⑷材料性能对复合工艺的依赖性 复合工艺的好坏影响材料性能 。

112 复合材料对于压力容器的重要意义 压力
容器是承受一定压力 , 具有潜在危险的设
备 。

用于制造压力容器的材料需要满足机械强度 、 韧性 、与介质相容性 、可制造性等要求 。

目前我国 压力容器使用的主要材料是钢材 , 包括三大类 , 碳 素钢 、低合金钢和不锈钢 ( 高合金钢) 。

钢材综合 性能的限制 , 给压力容器设计和制造带来了一定限 制 。

随着工业上对压力容器技术要求的不断提高 , 迫切要求压力容器能够在更苛刻的条件下具有更优 良的性能 , 压力容器材料方面的突破 , 对整个压力 容器技术的突破具有重要意义 。

复合材料对于压力容器的重要意义在于复合材 料压力容器具有以下优点 : ( 1) 制成的容器重量
·47 ·
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轻、刚性好、强度高; (2) 金属材料的疲劳破坏常常是没有明显预兆的突发性破坏。

而复合材料中增强物与基体的结合面, 既能有效地传递载荷, 又能阻止裂纹的扩展, 提高材料的断裂韧性; (3) 复合材料中的大量增强纤维, 使得材料过载而少数纤维断裂时, 载荷会迅速重新分配到未破坏的纤维上,的数值解法。

如有限元分析表明, 复合材料薄壁压力容器筒身部位基本处于薄膜应力状态, 但在封头部位处于复杂应力状态。

在处理方法上, 与通常的金属结构相比, 离散(单元的划分) 方法和弹性常数矩阵不同。

将铺层作为结构来分析的细观有限元法将基体和增强材料分开, 引进不同的材料常数, 采用分区的方法, 将所考虑的整个铺层分成若干区域, 在每一区域中再划分单元, 同一区域中的材料常数是一定的。

将增强材料与基体复合在一起的宏观有限元法分为以铺层为分析单元的铺层有限元法和以层合板为分析单元的层合板有限元法。

前者包括沿表面的结构离散和沿厚度方向的铺层离散, 后者类似于通常各向同性材料的结构离散。

⑵边界元法[ 4 ] 。

对于解决复合材料压力容器的边界问题, 如边界效应问题与无界区域问题有独特之处。

⑶应力杂交元法。

在有限元位移法中, 有些情况下, 构造协调的应力函数是很困难的, 应力杂交元法在单元内部假定一个应力场, 而在单元边界上另外采用一个协调的位移场, 用最小余能原理求得单元刚度矩阵, 应用较为方便, 具有较大的实用价值。

⑷有限元混合法。

是以部分节点位移和部分节点力为基本未知量的有限元法, 计算工作量小, 系统误差较小, 但方程复杂, 求解困难, 故使用不多。

(4)
使整个构件在短期内不至于失去承载能力;
需要做特殊处理即能满足耐腐蚀要求。

不
2 复合材料压力容器应力分析
理论分析[1 、2 ]
211
复合材料层合壳体具有与均匀各向异性壳体同样的曲面几何性质。

在物性方面, 是沿厚度逐层间断变化的非均匀材料, 对于连续纤维增强层合壳体就现有铺层工艺方法而言, 除了对圆柱形壳体外,均难以做到使纤维均匀分布或保持相同铺设角, 因而导致有效弹性常数沿壳体中面为非均匀的变弹性常数问题。

上述层合壳体的几何与物理特性, 使其理论分析十分困难, 目前研究较为充分的仅集中于圆柱形壳体和扁壳的线性经典理论, 并主要是对称层合壳体。

对称铺层的层合壳体其拉剪—弯扭耦合刚度 B i j = 0 (对中面而言在h/ R 量级误差范围内) , 可根据宏观有效弹性常数的概念应用均匀各向异性壳体理论来分析层合壳体的变形问题。

勒夫(A. E. H. L ove)的一次近似壳体理论给出了宏观均匀各向异性并具有一个帄行于中面的弹性对称面的一般形状的壳体以中面位移分量来表达的基本微分方程式。

这是一个8 阶偏微分方程,
过于复杂, 但对于压力容器中常用的旋转壳体如圆柱壳、圆锥壳、圆球壳及其它二次旋转壳体, 以及扁壳等, 由于特殊的几何特性, 可使方程大大简化, 同时可以根据工程需要进一步引入简化假设, 建立各种工程实用理论。

具体有: 正交各向异性旋转层合壳体的轴对称问题的渐近解、圆柱形层合壳的唐乃尔—穆什塔利近似理论、层合扁壳的工程近似理论、层合壳体的赖斯纳型修正理论等。

212 数值分析
复合材料结构的力学分析, 涉及的因素很多, 问题复杂, 除了一些特殊的和简单的问题可以采用解析法求解外, 其它的问题很难或不可能用解析法求解, 需要采用数值方法。

复合材料压力容器可用的数值分析方法有:
⑴有限元位移法[3 ] 。

这是应用最广泛、最有效
·48 ·
3 复合材料压力容器失效准则[5 ]
复合材料压力容器的失效准则主要是指铺层的失效准则, 研究因外力作用( 应力状态) 和由材料本身固有性质所决定的因素引起的容器材料破坏, 仅仅作为容器失效的判据。

⑴最大应力失效准则。

材料在复杂应力状态下进入破坏是由于其某个应力分量达到了材料相应的基本强度值。

⑵最大应变失效准则。

材料在复杂应力状态下进入破坏是由于材料各正轴方向的应变值达到了各基本强度值所对应的应变值。

⑶二次型失效准则。

该准则在T resca 和Mises 准则的基础上引进了各向异性系数后由德国数学力学家R. Hill 得出, 只适用于拉压强度相等的材
第18 卷第6 期压力容器总第109 期
料。

后来围绕这一理论又出现了J . Marin 准则(只适用于主应力方向和材料主轴方向重合的情况) , Tsai - Hill 准则和H offman 准则等。

⑷Tsai - Wu 张量多项式失效准则。

该准则的出发点是建立一个统一的公式, 包括反映材料基本性能及各种情况, 并且能最大限度地和实验结果相拟合。

包括应力空间的T sai - Wu 张量多项式失效准则和应变空间的T sai - Wu 张量多项式失效准则。

⑸高次型失效准则。

包括基于T sai - Wu 张量多项式失效准则的高次型失效准则和Ashkenaz 在1965 年提出的失效准则。

排出物料, 由于复合材料不适合经常的螺纹装配,需要使用金属。

在这种情况下, 连接部分必须保证安全,
槽中,
来。

由短纤维和树脂组成的填料能够较好地填进
将长纤维加强件和金属适配器紧密地连接起
4 复合材料压力容器的设计
复合材料压力容器一般采用纤维缠绕工艺方法制造, 由连续纤维提供产品所需的强度和刚度。

制
造压力容器时一般采用延展性好的金属材料如铝、热塑性塑料或橡胶做内衬以满足容器的气密性能和疲劳性能要求。

复合材料压力容器设计上一般采用网络理
图1 复合材料压力容器示意图
11 容器;21 接头;31 上部;41 中部;51 下部;
61 短纤维;71 长纤维加强件
论[6 ] ,进行网络分析。

网络理论认为由纤维连续缠
绕而成的容器纤维分布均匀, 同时受力, 不计基体
刚度, 载荷全部由纤维承担。

筒身可以进行螺旋
缠绕、螺旋缠绕加环向缠
绕、螺旋缠绕加纵向铺放、纵向铺放加环向缠绕。

封头的形状不能预先给定, 必须通过计算决定, 且
网络微元必须以均衡型条件为前提, 只能进行螺旋
或帄面缠绕, 不能进行环向缠绕。

通过网络分析获得缠绕纤维的缠绕方向、纤维
厚度和纤维应力。

( a)正视图
5 复合材料压力容器的典型结构[7 ]
由于复合材料不同于钢材, 不能通过焊接等工
艺制造压力容器, 也不能在筒体上方便地开孔、接
管等,性能,法。

复合材料压力容器必须考虑复合材料的特有
其结构的连接、密封等都有不同于钢材的方
( b)
图2
侧视图
接头
11 金属适配器; 21 金属螺纹;31 纵向槽; 41 周向槽
在本例中, 容器下部是向内的, 这适合于低压
的情况, 而向外则适合于高压的情况。

上部和中
部、中部和下部之间通过金属环连接, 结构见图
3 。

该结构的压力容器在制造时, 用工具钢或碳钢
做模。

模通常分为上、下两个部分, 严格定义内部
空心部分的形状。

将待成型的容器做成上面所述的
·49 ·
图1 介绍一个典型的轴对称圆柱形筒体复合材料压力容器的结构和制造过程。

典型的压力容器通常由接头2 , 上部3 , 中部4 和下部5 构成。

6 和7 分别表示的是短纤维复合填料和长纤维复合加强件。

图2 表示的接头是由短纤维复合材料层包围的金属适配器, 用以连接管子、阀门等, 以便装载和
CPVT 复合材料在压力容器中的应用
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形状 , 在其内部放置一个用尼龙做成的袋子 , 袋子 端部有一个用以接受压缩空气的接头 。

然后将成型 的容器放进模中 , 通入压缩空气 , 使得容器的材料
膨胀 , 紧贴模的内壁 , 最终制成所需的容器 。

展 。

为了最大限度地发挥复合材料在压力容器技术 中的优势 , 需要在以下方面作进一步的工作 :
⑴应力分析理论方法和数值方法的完善 ; ⑵结构和制造工艺的完善 ;
⑶设计 、制造 、检验等相关标准和法规的建立 和完善 ; ⑷计算机辅助分析和设计的应用 。

参考文献
11 罗祖道 , 李思简. 各向异性材料力学 . 上海 : 上海交通 大学出版社 , 1994 21 Амбарцуия, C. A. , < < ТеорцяАпизотропнхОяолотек>
> . М. физн. Матгиз. 1961 31 H. 卡德斯 图 赛 . 有 限 元 法 手 册 . 北 京 : 科 学 出 版 社 , 1996
41 田宗若 . 复合材料中的边界元法 . 西安 : 西北工业大学 出版社 , 1992
51 沃丁柱主编 . 复合材料大全 . 北京 : 化 学 工 业 出 版 社 , 2000
61 刘饧礼 , 王秉权. 复合材料力学基础 . 北京 : 中国建筑 工业出版社 , 1984 71 R. P. C hang. Experimental and theoretical analyses of first - ply failure of laminated composite pressure vessels. C omp S tru ct 2000 ; 49 ; 237 - 243
图 3 连接环示意图
11 上部 ; 21 中部 ; 3 、4 : 金属环
由经典的应力分析可知 , 承受内压圆柱壳的周
向应力 、轴向应力和长度 L 无关 , 容器的容积可 以在不影响应力的情况下通过改变 L 而改变 , 该 结构的容器 L 的改变是通过图 3 中所示的金属连 接环的使用而实现 。

6 结语
作者简介 : 陈建良 , 男 , 1978 年生 , 浙江大学硕博连读研 究生 , 主要从事过程装备及计算机辅助设计研究 。

通讯地 址 : 浙江大学化工机械研究所 , 邮编 : 310027 。

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
( 上接第 20 页) ( 4) 的因素 ,
进行 ;
(5) 消除加工应力的封头用材料 , 所用
采用多次热处理时 , 考虑到焊接强度下降 应在热处理规范 ( 600～640 ℃) 温度下限
的材料强度应有一定的富裕量 ;
(2) 热成形或需成形后消除加工应力的封头 , 考虑到焊接接头的强度下降 , 选择焊接材料时不宜 采用低匹配 ;
(3) 焊接产品试板 , 一般应具有与产品相同的 热处理状态 。

但在热旋压封头中 , 由于产品规格 、 放置位置 、火焰方向的不同 , 其产品试板的加热状 况难以与产品达到一致 , 应根据产品的热旋压加热 曲线 , 单独进行模拟热处理 ;
因热压造成焊接接头强度不合格时 , 封头
应重新进行正火处理 , 以保证其使用性能 。

作者简介 : 安存喜 , 男 , 1965 年生 , 1984 年毕业于甘肃工 业大学焊接工艺及设备专业 , 工程师 , 主要从事于焊接技 术与管理工作 。

通讯地址 : 江苏宜兴市万石镇工业区宜兴 北海封头有限公司 。

邮编 : 214212 。

·简讯·
中国压力容器学会 、合肥通用机械研究所和法国国际检验局 (BV ) 联合于 12 月 13～14 日在 上海举办风险检验研讨会 , 由法国专家介绍风险检验及其应用 , 参加者请速与压力容器学会秘书处联系 。

联系电话 : (0551) 5312800 —2481 , 联系人 : 邓立文 , 卞庆生 。

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The m ethod of electrochemical hydrogen charging was ap2 plied to study the hydrogen effect on the brittle transiti on tem perature , it provide a reference basis for the hydro2 genati on reactor w orking in safety.
●T he App lication of Composite M aterials to Pressure V essels
The significati on of com posite m aterials to pressure vessels is summ ariz ed in this paper . The stress analysis , failure criteria and design m ethods of com posite pressure vessels is discussed. A typical structure is also presented.
●T he Stress Analysis of Obroun d Cross Section Pressure V essel
In this paper , the author presents a m echanics m odel of obround cross - secti on pressure vessel and reveals the distributing rules of the axial and annular stress. When considering the effects of end covers , the author setup s the stress form ulae and calculating diagram , which can be used in project design. Ex periment results shows that the TPS analysis is effective .
●The Analysis f o r E xp losiv e Accid ent of a W ater Cooler
An analysis for a ex pl osive accident of a water cooler was conducted. It included structural stress analysis , m acrofractograph , m etall ographic andd microstructural ex aminati on , and fracture assessm ent . The analysis re2 sults show that the welded defects and inadequate ductility due to im proper welding process are m aj or reasons of ex2 pl osive accident . The fracture assessm ent shows that the water cooler with crack ( a= 23mm , 2c = 200mm) is unsafe .
●The F irst Dom estic H eat T ransfer E quipm ent of Scre w T hrea d Locked Annul us R efers to the P atent T echnology
In J a pan of Sendada , H owever , since being put to
use in 1993 . 7 , som e problem s have em erged such as l ow efficiency of heat transfer and the frequent leaks of principal air - proofing system and also the poor reliability of system running. During the annul overhaul in 1997 , in virtue of the process of overhauling the equipm ent , the author com prehensively analyz es the limitati on in the inner structure of the equipment .On the base of studying com2 prehensively the patent of the heat transfer of screw there2 ad. L ocked annulus introduced from. Italy I MB . B E L2 L E L I. H UDSON , the author brings forward the sim ple structure im proving ideas. The state of structure limita2 ti on and the central thought of structure im proving for the first dom estic heat transfer equipm ent of screw thread l ocked annulus.
●F a i lure Analysis , Prev ention an d On - L i ne
I ns p ection of Shell an d T ub e H eat - exchangers
Because of com plicated structure and diversity of ap2 plicati on conditi ons of shell and tube heat ex changers , the vari ous kinds of failure are often caused. This paper illus2 trates failure form s of shell and tube heat ex changers , an2 alyz es their reasons , accounts for preventing m easures , and recomm ends the on - line inspecti on m ethods. These can provide m any beneficial references for design and m anufacture and applicati on of shell and tube heat ex2 changers.
●T he Analysis of Corrosion F a i lure Ca use an d R e p a i r to an Ammonia Synthetic I nter m ediate E x2 h a ust Boiler
Through corrosi on failure analysis to the amm onia synthetic interm ediate exhaust boiler , the failure cause of the interm ediate ex haust boiler was cleared by stress cor2 rosi on resulting from alkali richening in boiler water . Based on this the m aterial degradati on degree of the inter2 m ediate exhaust boiler has been judged and repair plan has also been made . This will greatly shorten the time to re - put the boiler in use and avoid the huge econom ic l osses.
of 1000m3 Propylene Spherical
●I nstallation
T anks
This article discusses such im portant issues as quali2 ty control , assem bly of shellpieces , welding & heat treat2 m ent , and , analyz es quality check of pieces of shell , an2 gle distorti on , roundness , and preventi on of distorti on & crack after welding , also gives the soluti ons to above con2 cerns.。