1、引言
        在壓力容器中，中低壓容器一般以板焊結構為主，而高壓容器則出現(xiàn)多種結構：單層結構有整體鍛造式、鍛焊式、厚板卷焊式、電渣重熔式；多層結構有層板包扎式、螺旋包扎式、熱套式、整體包扎多層式；纏繞結構有繞絲式、繞板式、扁平鋼帶傾角錯繞式和型槽繞帶式。但這些結構都是指金屬材料而言，單臺壓力容器重量根據(jù)容積大小和壓力高低，最重的甚至可達數(shù)千噸。而高壓氣瓶過去制造和使用的主要是金屬材料即鋼質(zhì)和鋁質(zhì)的，按制造方法分有沖拔拉伸（E 法）、管材收口（M法）以及沖壓拉伸（C法）等。隨著材料科學和制造工藝技術的進步，由于氣瓶為移動式容器，為了減輕氣瓶的重量，同時又能承受較高的壓力，也出現(xiàn)了在金屬或非金屬材料內(nèi)膽上環(huán)纏繞和全纏繞纖維材料組合結構的纏繞氣瓶，即復合材料氣瓶。復合材料纏繞氣瓶目前主要應用于呼吸器（如消防呼吸系統(tǒng)、登山、老人及病人吸氧、航空及航天系統(tǒng)等）及車用壓縮天然氣燃料氣瓶兩大領域，也可用于某些壓縮氣體和液化氣體及其混合物?，F(xiàn)就纖維纏繞復合氣瓶的發(fā)展及其標準的有關情況作一簡要說明。
    2、纖維纏繞復合材料氣瓶的發(fā)展及其標準情況
    2.1、復合材料氣瓶的發(fā)展復合材料氣瓶的發(fā)展始于20 世紀50 年代，是基于火箭發(fā)動機復合材料機殼技術。早期的復合氣瓶是用玻纖浸漬環(huán)氧樹脂纏繞于橡膠內(nèi)膽上，雖然其重量比鋼質(zhì)輕，但由于玻纖較低的抗應力斷裂及靜態(tài)疲勞能力，以及氣體滲透率較大，因此需要采用較高的安全系數(shù)。20世紀60 年代開始使用金屬內(nèi)膽，如果內(nèi)膽足夠厚，允許纖維全纏繞或環(huán)纏繞增強。復合氣瓶采用金屬內(nèi)膽的滲透率比橡膠內(nèi)膽的低得多，但內(nèi)膽的疲勞壽命卻受到限，薄壁內(nèi)膽可在100～1000次循環(huán)產(chǎn)生開裂到泄漏，而厚壁內(nèi)膽可在10000～30000 次循環(huán)產(chǎn)生泄漏。
    復合材料容器和氣瓶最早于20世紀50年代和60 年代用于國防和航天，這些容器或氣瓶用于軍用飛機的噴射系統(tǒng)，緊急動力系統(tǒng)和發(fā)動機重新啟動應用系統(tǒng)，它們也用于航天試驗室的氧氣罐和導彈系統(tǒng)的壓力源。每一航天飛機都用一定數(shù)量的復合氣瓶作為機艙空氣和推進器及控制系統(tǒng)的動力。20世紀70年代，復合氣瓶在商用系統(tǒng)大大增加，玻纖和芳綸纖維纏繞于鋁內(nèi)膽或鋼內(nèi)膽上，用于消防呼吸器和民用飛機滑梯充氣，以及相類似的氣瓶用于海軍救生筏充。四型瓶還可用于海上石油平臺張力系統(tǒng)的水力蓄能器。壓縮天然氣車用瓶成為復合氣瓶的主要市場之一。從纖維來說，90年代新材料碳纖維被批準用于氣瓶，這是一個重大的發(fā)展。
    纖維纏繞復合材料氣瓶的發(fā)展大體如下：
    20世紀60年代：用于衛(wèi)星及航天復合壓力容器；20 世紀70年代：美國國家航空航天技術轉向民用商業(yè)市場；美國運輸部批準復合材料氣瓶：采用玻纖和凱芙拉（Kevlar）纖維生產(chǎn)環(huán)纏繞氣瓶。20世紀80年代：其他有關國家批準復合材料氣瓶用于商業(yè)市場，呼吸器成為復合材料氣瓶的最大市場。20世紀90年代國際標準化組織（ISO）和歐洲標準化技術委員會（CEN）以及天然氣汽車聯(lián)盟起草批準復合材料氣瓶新標準；定位氣瓶性能，允許采用新材料碳纖；批準塑料內(nèi)膽復合氣瓶即四型瓶；壓縮天然氣車用瓶成為復合氣瓶的主要市場之一。
    2.2、復合材料氣瓶的標準情況
    2.2.1、纖維纏繞復合材料壓力容器國內(nèi)有玻璃鋼容器標準。美國ASME 第十篇為纖維增強塑料壓力容器。該標準于1974年開始準備并起草，1977 年獲得通過，現(xiàn)行版本為2001年版和補遺。最初標準范圍僅包括玻璃纖維壓力容器。該規(guī)范以設計為基礎，爆破壓力要求為5倍額定工作壓力，在最低設計溫度下3000 次疲勞，在最高設計溫度下30000次疲勞。纖維纏繞容器開口在端部，最大工作壓力為 3000psi（20.68MPa），碳纖維和芳綸纖維是以后補上去的，采用和玻纖一樣的要求，安全系數(shù)都是5。全纏繞設計一般用非金屬內(nèi)膽，固定使用（安裝于地面或平臺），是不移動的，不限制使用壽命。疲勞試驗和爆破試驗僅限于試驗要求，本規(guī)范導致“粗糙”的設計，沒有提出在用檢驗和水壓試驗要求。
    2.2.2、呼吸器美國于1972年開始采用輕質(zhì)鋁瓶，1975年研制出鋁內(nèi)膽、S玻纖/環(huán)氧樹脂環(huán)纏繞和全纏繞以及鋁內(nèi)膽凱夫拉（kevlar）/環(huán)氧樹脂環(huán)纏繞和全纏繞復合氣瓶，并于1976 年被DOT首先批準生產(chǎn)，用于商用高壓氣體儲存，如消防自給式呼吸氣瓶、家用氧氣治療、飛機排出系統(tǒng)! 直升機懸浮系統(tǒng)充氣；用于公交車、卡車和小轎車的壓縮氣體儲存和各種氣動系統(tǒng)。DOT FRP-1《FRP纖維增強了CF 型復合材料氣瓶基本要求》由美國壓縮氣體協(xié)會（CGA）于1970年開發(fā)。用于美國運輸部研究和行政特別項目（DOT RSPA）移動氣瓶免除令，作為消防員及飛機逃逸滑道用壓力容器，最早用玻纖，規(guī)范要求在操作壓力下安全系數(shù)為3.33，并在3 倍操作壓力下保壓1分鐘。由于玻纖的應力破裂性能，導致玻纖安全系數(shù)為3.5。芳綸纖維是后加的，采用和玻纖一樣的要求，金屬鋁內(nèi)膽全纏繞設計在15年壽命期內(nèi)，要求每3 年進行一次在用檢查和水壓試驗。該標準要求更多的性能試驗，如火燒、槍擊和10000次操作壓力下和30次水壓試驗壓力下循環(huán)試驗。
    1981 年為第1版，1987年2月15日為修訂二版，容積范圍為小于等于90.7L,工作壓力范圍為6.2~34.5MPa，DOT FRP-2《FRP纖維增強3HW型復合材料氣瓶的基本要求》由CGA 在FRP—1 之后（約1982年）開發(fā)，F(xiàn)RP—2 使用和FRP—1 類同。本標準最初僅用于玻纖鋁內(nèi)膽環(huán)纏繞，標準要求在2.5倍工作壓力下保壓1min，這導致約2.65倍安全系數(shù)。稍后，允許用鋼內(nèi)膽。該標準包括的性能試驗與FRP—1相似。1982 年版為第一版，容積范圍及工作壓力范圍與FRP-1相同。為了達到在同樣價格下，使氣瓶重量大大減輕，采用碳纖維取代S 玻纖和可夫拉進行纏繞用于呼吸器，1994年無縫薄壁鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞新一代復合氣瓶在歐洲獲準使用，1997年在美國獲準使用，它們是重量相對最輕的氣瓶，只有相同容積鋁瓶或鋼瓶重量的34%，比S玻纖和可夫拉纖維復合氣瓶重量輕15%~30%。碳纖維復合材料氣瓶是基于20 多年玻纖和可夫拉復合氣瓶良好的使用經(jīng)驗以及1984~1996年之間建立的高性能碳纖維纏繞火箭發(fā)動機燃料儲箱、軍用飛機救生和氣體動力源、防衛(wèi)和導彈系統(tǒng)的應用，以及運載火箭和空間飛行器壓力貯箱的宇航數(shù)據(jù)庫，與S 玻纖和Kevlar相比，碳纖維全復合纏繞氣瓶具有相對最高的強度和剛性，最輕的重量，極佳的耐潮濕、耐化學腐蝕、耐紫外線輻射、耐疲勞以及耐應力斷裂及良好的容限性。但外部需要有一層玻纖" 環(huán)氧保護層。另外，需要特別注意的是，在碳纖維復合材料和鋁合金內(nèi)膽之間需要一個隔離屏障，以防止電化腐蝕。新一代碳纖維復合氣瓶（呼吸器）商業(yè)使用的第一個政府許可是由英國健康委員會（HES）于1994年1 月發(fā)布的，壓力為207Bar 或300Bar。自1994年1 月以來，歐洲地區(qū)政府許可擴大到19個國家。美國和日本于1997年取得了必須的政府許可。關于碳纖維復合氣瓶主要的歐洲標準是英國HES—A1—FW2（0.5251）以及歐洲大陸已批準的衍生版本、歐洲標準化技術委員會（CEN）編制的復合氣瓶規(guī)范rEN12245《全纏繞復合材料氣瓶》，于1999年7月提出以協(xié)調(diào)歐洲標準。在美國，DOT管理要求的標準是DOT-CFFC無縫鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶，現(xiàn)行版本為1999年3 月第三次修訂版《全纏繞碳纖維增強鋁內(nèi)膽氣瓶的基本要求》。氣瓶的最大水容積<=90.7L，工作壓力<=34.5MPa。
     2.2.3、車用天然氣瓶自20世紀70年代末期以來，全球范圍內(nèi)的CNG工業(yè)主要按意大利規(guī)范、或美國運輸部DOT3AA 修訂版來設計鋼瓶。1989年新西蘭把疲勞設計進行試驗驗證引入NZS5454 標準，這是第一個在CNG中使用的氣瓶標準，主要是針對鋼瓶，為了保證熱處理的合理性，要求對每一個氣瓶都要進行硬度試驗。20世紀80年代，北美聯(lián)邦不再按照現(xiàn)存的工業(yè)氣瓶標準，采用特別許可或許可證書。1992年美國制訂了ANSI/AGA NGV2-1992車用壓縮天然氣氣瓶標準，它是建立在鋼質(zhì)氣瓶標準US-DOT3AA、鋁質(zhì)氣瓶標準USDOT3A1、全纏繞氣瓶設計標準草案FRP-1和環(huán)纏繞FRP-2 氣瓶設計標準草案的基礎上，另外還規(guī)定了CNG氣瓶的使用條件和相應的性能試驗要求。NGV2-1992 年版1998年更新一次，現(xiàn)行版本為NGV2-2000。美國運輸部國家高速公路交通安全管理局（NSTHA）采用該標準的部分內(nèi)容，并且于1995 年3月發(fā)布了一個新標準即FMVSS304《聯(lián)邦機動車安全標準》。在加拿大，CSAB51 PART II《車用天然氣高壓氣瓶》標準于1995年1 月開始實施。1989年ISO/TC58/SC3/WG17也著手《車用壓縮天然氣氣瓶》國際標準的制訂工作，于1992年提出標準草案，經(jīng)過多次修改ISO11439《車用壓縮天然氣高壓氣瓶》現(xiàn)已被包括中國在內(nèi)的世界上大多數(shù)國家認可，標準第一版已于2000年9月15日正式頒布，它包括CNG-1金屬氣瓶、CNG-2 金屬內(nèi)膽環(huán)向纏繞氣瓶、CNG-3金屬內(nèi)膽全纏繞氣瓶和CNG-4 塑料內(nèi)膽全纏繞氣瓶?？梢哉fISO11439《車用壓縮天然氣高壓氣瓶》是建立在過去20年來各國經(jīng)驗的基礎上制訂的。因此目前國內(nèi)車用壓縮天然氣氣瓶也多參考該標準。
     2.2.4、壓縮氣體和液化氣體用纖維纏繞復合材料氣瓶國際標準化組織ISO于2002年批準了一套纖維纏繞復合氣瓶標準：ISO11119《復合結構氣瓶———規(guī)范和試驗方法》。具體包括：第一部分：ISO11119—1《環(huán)向纏繞復合氣瓶》；第二部分：ISO11119—2《承載金屬內(nèi)膽纖維增強全纏繞復合氣瓶》；第三部分：ISO11119—3《非金屬內(nèi)膽和不承載金屬內(nèi)膽纖維增強全纏繞復合氣瓶》。ISO11119標準適用于水容積小于450L，用于儲存和運送壓縮氣體和液化氣體，其水壓試驗壓力不大于650bar。ISO11119標準規(guī)定設計壽命從10年到不限；對設計壽命超過15年的，為了繼續(xù)使用應重新進行評定。無縫金屬內(nèi)膽材質(zhì)可為鋼、不銹鋼或鋁合金。纏繞纖維可為碳纖維、玻纖、有機纖維或其混雜，但對環(huán)向纏繞標準中規(guī)定亦可采用鋼絲纏繞進行周向加強。ISO11119標準沒有提出可拆保護套筒的設計、配合及性能，如果需要應另行考慮。
     2.2.5、 美國航天和星際航空協(xié)會（AIAA）S-081《非金屬內(nèi)膽復合全纏繞壓力容器》（2000 年4月3日草案）標準為美國國家標準協(xié)會（ANSI）批準的最終階段標準，它是針對進行中的發(fā)射運載工具和有效載荷制定的。它與S-080《金屬壓力容器》一起延續(xù)并取代MIL-STD-1552A-1984美國空軍（USAF）《加壓導彈和航天系統(tǒng)安全設計系統(tǒng)和操作的總要求標準》。S-081 標準對材料的選擇和安全指南提供了廣泛的指導，要求A- 基材料性能并限制全尺寸氣瓶的型式試驗?；趹ζ屏研阅芏w行壽命的最低可靠性。對碳纖維的最小安全系數(shù)為1.5，芳綸為1.75、玻纖2.25 的最小設計壽命為1年，它只包括金屬內(nèi)膽氣瓶，相應的塑料內(nèi)膽氣瓶正在起草，相應的ISO標準也在工作。