[发明专利]一种碳纤维全缠绕气瓶及其碳纤维缠绕方法

说明书

本发明公开了一种碳纤维全缠绕气瓶，包括：由筒体、前封头和后封头构成的内胆，前部过渡组件套装并固定于前封头与筒体之间的交界连接处，后部过渡组件套装并固定于后封头与筒体之间的交界连接处，在前部过渡组件与后部过渡组件之间的筒体上缠绕有第一环向缠绕层，第一环向缠绕层的厚度≥前部过渡组件的后端的壁厚，在环向缠绕层、前封头、后封头上依次缠绕包裹有小角度纵向螺旋缠绕层和第二环向缠绕层，第二环向缠绕层的厚度≥0。本发明还公开了上述碳纤维全缠绕气瓶的碳纤维缠绕方法。上述结构具有疲劳强度高、稳定性好、制造成本低、整体质量减轻、且能避免疲劳泄漏点发生在前封头与筒体的过渡区域以及后封头与筒体的过渡区域等优点。

技术领域

本发明涉及压力容器，尤其涉及一种碳纤维全缠绕气瓶及其制造方法。

背景技术

碳纤维全缠绕气瓶主要由内胆和缠绕于内胆上的碳纤维缠绕层构成，内胆主要由筒体和固定连接于筒体两端敞开口处的封头构成，碳纤维缠绕层由环向缠绕层和螺旋缠绕层构成。目前应用于氢能行业的碳纤维全缠绕气瓶主要用于工作压力为35MPa的工作环境中，然而随着氢能应用越来越普及，碳纤维全缠绕气瓶的工作压力逐渐向70MPa发展，此外加氢站用的碳纤维全缠绕气瓶，工作压力更是高达87.5～100MPa。

随着碳纤维全缠绕气瓶所承受的工作压力的增加，缠绕于内胆上的碳纤维缠绕层的厚度也需要随之增厚才能满足使用要求；此外，随着碳纤维全缠绕气瓶的外径的增加，缠绕于内胆上的碳纤维缠绕层的厚度也需要随之增厚才能满足使用需求。如外径为376mm左右的35MPa的碳纤维全缠绕气瓶的碳纤维缠绕层的厚度达到了10～14mm，外径为410mm左右的70MPa的碳纤维全缠绕气瓶的碳纤维缠绕层的厚度达到了20～30mm。

对于小规格、小直径、工作压力较低的碳纤维全缠绕气瓶，其上的碳纤维缠绕层厚度通常为3～5mm。当这类气瓶需要提升其承载的工作压力时，随着工作压力的提升，碳纤维缠绕层整体厚度增加，环向缠绕层的厚度也会相应增加，而环向缠绕层的厚度的增加会导致螺旋缠绕层在小角度纵向螺旋缠绕或/和高角度螺旋缠绕时，环向缠绕层与螺旋缠绕层之间的架空超过了碳纤维本身滑纱压平的极限，导致缠绕结束后在内胆的筒体与封头的过渡区域存在架空的空隙，螺旋缠绕层在受到内压的情况下，空隙的存在会导致空隙处存在非常大的剪切应力。经过多次爆破试验发现破口很大概率发生在空隙处，经过多次疲劳试验发现疲劳的泄漏点也很大概率发生在筒体与封头的过渡区域处，由此可见架空区域是影响厚壁气瓶的强度的重大影响因素。

目前对于多种规格的碳纤维全缠绕气瓶因工作压力或/和外径的增加而导致碳纤维缠绕层的厚度随之增加的情况，为提高气瓶的疲劳性能，一种方式是先集中环向缠绕形成环向缠绕层3，然后再进行小角度纵向螺旋缠绕形成螺旋缠绕层，但这种缠绕方式会导致环向缠绕层与螺旋缠绕层之间的架空更加厉害，对筒体与封头的过渡区域的强度影响更加巨大。如图1所示为环向缠绕层环向缠绕的缠绕示意图，为能清晰看出环向缠绕方式，图中环向缠绕间隙示意较大，但这并不代表实际缠绕间隙。另一种方式是将环向缠绕层分为多层环向层，将由小角度纵向螺旋缠绕形成螺旋缠绕层4也分为多层螺旋层，环向层与螺旋层两者层次交替缠绕形成包裹内胆的碳纤维缠绕层，但是随着气瓶的工作压力的增加以及外径的增加，每层的环向层厚度也会相应增加，如图3所示，当单层环向层厚度超过纤维滑移、胶液填充达到上限时会导致环向层与螺旋层之间在过渡区域内依然存在明显的架空的空隙A。

为解决上述问题，一种解决方案是将环向缠绕层与由小角度纵向螺旋缠绕形成的螺旋缠绕层4尽量逐层分别交替缠绕，从而尽量将架空区域分散。比如某碳纤维全缠绕气瓶，其设计碳纤维缠绕层铺层为32层环向层+10层螺旋层，32层环向层的总体厚度约7～8mm，为了减少环向层在过渡区域的架空空隙，采用平均分配的方法将环向层与螺旋层平均分布，这样就能很大程度上减少架空的产生，因为碳纤维缠绕纱带本身在带有胶液的状态下会有一定的滑移，因而能够填满空隙。同时，由于环向层与螺旋层交替缠绕，环向层每隔一层或二层，将环向层的宽度缩小1～2mm，甚至更多以达到平滑过渡的效果。