复合材料压力容器设计

复合材料压力容器设计

摘要:本文主要是对具体复合材料制品的设计方案报告，内容涵盖所选产品构件的发展历程及应用现状、总体设计目标及性能指标要求、材料选择及适用性分析、结构形式及设计思路方法、制造工艺方案及实现流程、产品质量成本分析与性能验收指标等。

关键词:复合材料，压力容器，设计方案

一、引言:

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。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。

本文主要是对具体复合材料制品的设计方案报告，内容涵盖所选产品构件的发展历程及应用现状、总体设计目标及性能指标要求、材料选择及适用性分析、结构形式及设计思路方法、制造工艺方案及实现流程、产品质量成本分析与性能验收指标等。

二、发展历程及应用现状

压力容器是当代化工、炼油、石化、冶金、轻工、食品、宇航、海洋以及核站等广泛应用的关键设备。其中，诸如大型压力贮罐、氨合成塔、尿素合成塔、石油加氢反应器，以及核堆压力壳等都是国际上公认的高科技重大装备。应力状态复杂，使用条件苛刻，大型化，制造运输困难，安全状态难以实现自动监控，潜在断裂爆破危险等，是当代压力容器技术的基本特点。国际上压力容器单台造价超千万美元和发生突然断裂、泄漏、爆炸、燃烧、中毒等严重后果的事例常见，因此，发展科学合理的压力容器技术关系重大。

三、总体设计目标及性能指标要求

材质自然可靠，各种缺陷，特别是隐藏在原材料和焊缝中的裂纹等缺陷应少且小，最终又能被容器结构本身自然分散；

容器环向与轴向承压和温差应力状态均安全合理，抗疲劳强度、刚度均足够可靠，能实现较为理想的等强度优化设计；

根本消除厚环焊缝或贯穿焊缝，避免单向缠绕的复杂型槽扣合或庞大的轴向承力框架；

根本改变容器突然断裂爆破的失效破坏方式，具有自我抑爆保护功能，在操作压力条件下，即使发生腐蚀、疲劳等各种裂纹严重扩展，容器结构本质上不会发生突然断裂爆破的严重后果；

能实现经济可靠的失效报警，内部介质泄漏能自动收集与排放处理，在线安全状态及腐蚀状态能自动监控诊断；

制造过程避免使用大型、贵重设备和困难的制造技术，以根本避免制造过

程产生裂纹等缺陷，并降低制造成本和提高生产效率；

能实行设备的预知维修，延长停产开罐检查的使用周期，减少频繁停产检查的重大经济损失；

具有耐高温、耐低温、耐腐蚀、耐辐射，以及较好的抗地震、飓风等突然冲击破坏的性能，结构设计灵活，限制条件少，适应范围广。

四、材料选择及适用性分析

五、结构形式及设计思路方法

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，复合材料压力容器必须考虑复合材料的特有性能，其结构的连接、密封等都有不同于钢材的方法。

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1 复合材料压力容器示意图

1.容器；

2. 接头；

3. 上部；

4. 中部；

5.下部；

6.短纤维；

7. 长纤维加强件

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，由短纤维和树脂组成的填料能够较好地填进槽中，将长纤维加强件和金属适配器紧密地连接起来。

主视图左视图

图2 接头

1.金属适配器；

2. 金属螺纹；

3.纵向槽；

4. 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。

图3 连接环示意图

1.上部；

2.中部；3，4.金属环

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。

六、制造工艺方案及实现流程

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。制造时一般采用延展性好的金属材料如铝、热塑性塑料或橡胶傲内衬以满足容器的气密性能和疲劳性能要求。

设计上一般采用网络理论进行网络分析。网络理论认为由纤维连续缠绕而成的器纤维分布均匀，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，且网络徽元必须以均衡型条

件为前提，只能进行螺旋或平面缠绕，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。

具体方案如下

七、产品质量成本分析与性能验收指标

容器载荷分析方法

复合材料结构是生产与成型一起完成的，材料内部纤维结构保存完整，从而保证复合材料机械强度较高。但由于纤维结构沿壁厚上呈现非均匀分布，使得应力分析比较困难，目前还没有完整的理论体系对其进行分析，只能通过一些简化理论进行求解。对于一些复杂的问题，可采用数值分析方法分析，复合材料压力容器可用的数值分析方法有有限元位移法、边界元法、应力杂交元法和有限元混合法等。

八、结语：

参考文献：

李军，匡航，刘甲秋，王非.复合材料压力容器设计技术[J].复合材料压力容器设计技术,2014:267-269

陈建良,童水光.复合材料在压力容器中的应用[J].技术综述,2011,6(18):47-49

骆晓玲,刘亮亮.复合材料压力容器的性能分析[J].机械设计与制造,2011,5:220-224

章伟灿.基于复合材料的压力容器研究与发展[J].化学工程与装备,2007,4:53-54