陈焕道 汪玉珍 穆思明

摘 要：纤维增强聚合物基复合材料（FRP），包括FWRP压力容器独具下列特点：FRP由纤维（增强相）和聚合物（基体相）组成，复合材料性能离散性大;各向异性;FRP与制品同时生成（FWRP压力容器缠绕成型签的纤维与树脂都是单相材料，只有经过缠绕工艺成型为FWRP压力容器时，复合材料亦形成了）;成型工艺过程控制对制品性能影响极大;环境（温度、湿度、介质等）对FRP性能有影响。

关键词：压力容器;复合材料;设计理论;强度;刚度;耐久性;保护层;安全性;气密性

1 压力容器简介

压力容器（Pressure Vessel）是一种在工业生产过程中能够承受较大压力的密闭容器，主要的用于固态、液态、气态等化学物质的反应、分离、传质传热、储存和运输等生产工艺过程[1]。由于压力容器要承受内部物质带来的各种载荷和外部支撑力的作用，基于其特殊的使用工况，在实际应用过程中对压力容器的要求越来越苛刻，例如对承压要求从原来的10 MPa 增加到100 MPa，循环疲劳寿命要求在105～108之间，对高温和有害物质也有着一些十分严格的要求[2]。由于特殊工况的作用，压力容器是工业生产中比较容易出现破坏的设备，在压力容器的破坏形式当中，塑形破坏、脆性破坏和疲劳破坏这三种破坏形式最为常见。传统压力容器大多是以金属或合金作为容器壁而制造出的容器，结构相对简单，承载压力可以简化为均匀受力，从而转换为薄膜应力近似计算。而越来越多的复杂工况导致了传统压力容器不能满足某些特殊的工艺过程的需要，例如石油化工中需要耐1000℃的压力容器，核反应堆中大多数压力容器对耐液态钠腐蚀的要求苛刻。这些极限的工况对压力容器提出了巨大的挑战，因此，以复合材料压力容器为代表的新型压力容器被广泛地关注[3]。

2 复合压力容器的结构及分类

根据国际标准ISO11119，压力容器从结构形式上可分为四类，第一类是全金属型压力容器;第二类是金属内衬环向缠绕复合材料增强型复合压力容器;第三类是金属内衬全缠绕复合材料增强型复合压力容器，第四类是塑料内衬全缠绕复合材料增强型复合压力容器。由于复合压力容器不仅兼顾了金属内衬的良好加工性、气密性、耐蚀性和高强度、高韧性等特点，又综合了复合材料重量轻、安全性好以及良好的可设计性等优点，使其具有高承压能力、高疲劳寿命、质轻、耐腐等优良性能，在相同容积和压力条件下，复合压力容器比钢质压力容器的重量可减轻1/3～2/3;同时复合材料在受到撞击或高速冲击发生破坏时，不会产生具有危险性的碎片，从而降低或避免了对人员的伤害，复合压力容器比金属压力容器具有更好的使用安全性。纤维缠绕复合压力容器实体结构是由内衬层、纤维缠绕增强层和外保护层组成。

2.1 内衬层复合压力容器

内衬层内壁直接与介质接触，它的主要作用是气密、防腐、耐温和耐压。因此要求内衬材料具有优良的气密性、耐腐蚀性、耐温和高强度、高韧性等特点。

2.2 纤维缠绕

增强复合材料层纤维缠绕增强复合材料层的主要作用是保证压力容器在受力的情况下，具有足够的强度、刚度和稳定性。其中纤维是主要的承载体，树脂对纤维起粘结作用，并在纤维之间起着分布和传递载荷的作用。因此选择高强度、高弹性的增强纤维和性能良好的树脂是提高结构承载能力的重要措施，通常采用高强玻璃纤维/环氧树脂或碳纤维/环氧树脂高性能复合材料。

2.3 外保护层

为了提高复合压力容器抗外载荷冲击特性，通常在外表面缠绕数层抗冲击性能较好的高强玻璃纤维复合材料，同时进行外涂层表面处理。

3 復合压力容器的材料

复合压力容器主要由内衬和纤维缠绕复合材料增强层组成。内衬材料的选取与复合材料的材料设计直接影响了压力容器的性能，所以在设计复合压力容器前，应根据需要谨慎选择复合压力容器的材料。

3.1 内衬材料复合压力容器

在高压作用下除了有足够的强度外，还应有良好的气密性。但纤维增强树脂基复合材料气密性较差，压力容器必须拥有能够密封的内衬。复合压力容器的内衬材料可以分为两类：金属材料和塑料材料。

3.2 纤维缠绕复合材料

3.2.1 纤维材料

复合压力容器中复合材料缠绕层承担绝大部分的压力载荷，纤维是复合材料的主要承载部分。目前常用的纤维增强材料有玻璃纤维、碳纤维、凯芙拉（Kevlar）纤维等，主要产品形式为无捻粗纱。

3.2.2 树脂粘结剂

树脂粘结剂起粘接纤维的作用，以剪切力的形式向纤维传递载荷，并保护纤维免受外界环境的损伤。主要有环氧树脂、酚醛树脂、聚酸亚胺树脂等，目前常用的是环氧树脂，它具有粘结力大，制造工艺简单，固化后收缩率小、硬度高、韧性好的特点。

4 复合压力容器的成型

4.1 环向缠绕

环向缠绕是沿内衬圆周方向进行的缠绕。其特点为：缠绕只能在筒身段进行，不能缠到封头上去，纤维缠绕的角度通常接近90°。

4.2 纵向缠绕

纵向缠绕又称平面缠绕，纤维缠绕轨迹是一条单圆平面封闭曲线。在纵向缠绕中，导丝头在固定平面内作匀速圆周运动，芯模绕自轴慢速旋转。

4.3 螺旋缠绕

螺旋缠绕也称测地线缠绕。缠绕时芯模绕自轴匀速转动，导丝头按特定速度沿芯模轴线方向往复运动。这样就在芯模的筒身和封头上实现了螺旋缠绕，其缠绕角度约为12°～70°。在实际的缠绕成型中，一般采用多种线型进行缠绕，这样可以充分发挥复合材料各向异性的特点，如螺旋加环向缠绕、螺旋加纵向缠绕等。

5 结束语

纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Plastics，GFRP）以其比强度和比模量高、结构可设计性好及耐腐蚀性能好，等诸多优点而广泛地应用在航空航天、汽车、造船、化工、建筑等军工和民用领域。随着复合材料气瓶的广泛应用，通过科学合理的设计方法进行结构优化设计来减轻结构重量，提高性价比，对实现安全和经济的有效统一具有重大意义。

参考文献：

[1]张国杰，赵振远.压力容器设计若干技术问题解析[J].化工管理，2016，16（09）：77.

[2]张磊，谢文喆.压力容器设计及容易忽视的问题[J].石化技术，2016，23（10）：203.

[3]李国树，杨宇清.复合材料压力容器耐腐蚀性评价探讨[J].纤维复合材料，2016，33（02）：6-10.