压力容器复合材料反复打压损伤过程研究

压力容器复合材料反复打压损伤过程研究

姜昭斌 江婧  娄航  宋长琳  尹翠

威海光威复合材料股份有限公司264211

摘要；压力容器是一种常用的承压装置，在化工、能源和轻工等行业有着广泛的应用。压力容器在使用过程中，由于其内部承载的介质比较复杂，对其材质的要求也比较高。与传统材料比较，复合材料在力学性能和抗腐蚀性能等方面有着明显的优越性。所以说，在实际进行压力容器制造过程中，应当充分发挥复合材料的力学性能，但值得注意的是，针对复合材料使用过程中可能出现的损伤问题要及时进行研究和探索，例如，可以通过反复打压来分析损伤发生的具体情况。基于此，本文将主要针对压力容器复合材料的相关内容进行分析和探讨。

关键词：压力容器；复合材料；反复打压损伤

前言

压力容器是一种在使用过程中必须经受一定压力的设备，它按其所承受的压力大小可以划分为各种级别，在化工和能源等领域有着广泛的应用。随着工业生产的持续发展，对压力容器的实际应用环境提出了更高的要求标准，并保证了其应用过程中的安全性问题。另外，由于复合材料是一种综合使用性能和经济性能优良的新型材料，因此，将其合理应用在压力容器当中，是能够有效提升压力容器的力学性能，对我国工业领域的发展有着极大的推动作用。

一、复合材料的应用意义

众所周知，压力容器在应用时是需要承载一定的压力，是拥有一定的危险性。所以说，在选择压力容器制造材料的过程中，要尽可能选择能够符合相关要求标准的材料，具体标准包括能够满足机械设备的强度、韧性以及可制造性等方面。现如今，我国所使用的压力容器制造材料基本上都是钢材，其中包括碳素钢、低合金钢以及高合金钢这三大类别，但由于钢材的综合性能方面存在一定的局限性，会给整个压力容器的设计与制造方面造成一定的负面影响【1】。随着工业发展水平的不断提升，针对压力容器技术的要求也发生了极大的变化，尤其是需要压力容器可以在较为苛刻的条件下仍然具备良好的性能。所以说，做好压力容器材料方面的突破工作，是可以带动压力容器技术也随之实现突破，例如，将复合材料应用到压力容器制造当中，是能够提供一定应用价值的，具体可以通过以下几个方面体现出来：

第一点，应用复合材料制造出来的压力容器重量会更加轻便、刚性和强度方面也比较高；

第二点，和金属材料相比较来说，复合材料是将增强物和基体进行有效结合，即使出现疲劳破坏也不会像金属材料那样突然发生。而且由于复合材料是增强物和基体的结合面，所以不但可以将载荷进行传递，而且还可以防止裂纹出现扩散的情况，从而可以将整个材料的断裂韧性进行提升；

第三点，复合材料中所具备的增强纤维数量是比较多的，当因为材料荷载较大导致部分纤维出现断裂情况时，载荷会在第一时间内被分配到其他没有受到破坏的纤维当中，以此保证整个构建的承载能力不会瞬间消失；

第四点，复合材料在实际应用过程中，是不需要进行任何特殊处理，就可以满足压力容器的耐腐蚀性要求。

二、分析复合材料制造而成的压力容器所具备的性能

在对压力容器进行试验的过程中，当压力容器刚完成缠绕之后，是需要进行固化处理的，在这个过程中，压力容器的表面是比较容易出现气泡、浮胶以及胶瘤等问题，这种情况下的压力容器的性能是比较差的。究其原因，主要是因为压力氢气内外层的含胶量存在不均匀的情况，基于此，就需要针对压力容器的最佳固化时间进行研究和分析。把缠绕完成的压力容器放置在室温下，使其能够在室温的影响下逐渐固化，同时还需要利用GPC图谱来对容器边缘下挤出来的胶珠进行分析：刚完成缠绕的压力容器上的胶珠重均分子量为1.595，在经过两天时间的静置后，重均分子量将达到6.956，由此可以证明压力容器放置在室温下会导致胶液中的大分子物质出现增加的情况【2】，换句话说，胶液的预固化度是不断增加的，随着放置时间延长，其重均分子量会随之变大，在放置6天之后将会达到26.037，这时的压力容器的胶珠已经处于发硬的状态。由此就需要及时应用DSC曲线来完成固化工作。如果整个固化过程中并没有出现外部溢胶、内层基体过量外迁等情况时，相关固化完成的容器外观将是光滑的，性能方面也是比较良好的。

在应用交替铺层方式来进行缠绕时，可以通过应用微机来对多功能浸胶机进行控制，有效控制预浸胶带的含胶量。如果含胶量过高，压力容器中纤维体积分数将较低，消极质量将增加，压力容器的整体性能因数也将下降；相反，如果胶含量太少，则树脂基质不能填满复合材料的孔，从而导致其内部产生缺陷，严重时还会对其性能产生影响【3】。

纤维增强复合材料，该方法不仅会对压力容器的使用产生影响，同时也是复合材料缠绕成形过程中的关键因素。在纤维缠绕成形过程中，通常采用两种铺管方法：一种是先在压力容器内包覆所有的纵层纤丝，再包覆一圈外的全部环层纤；另一种方法是采用两种不同的方式，即沿轴向与周向方向的纤维交错缠绕。

值得注意的是，为确保压力容器复合材料的应用性能是符合要求标准的，就需要经过反复打压损伤，以此来判断压力容器在后续的应用过程中能够始终保持在一定的水准。

三、压力容器复合材料反复打压损伤情况分析

一般来说，在对压力容器复合材料进行反复打压记录其损伤情况的过程中，会应用到的技术有声发射技术、X射线三线成像技术以及水压反复打压实验等等。

一般来说，在压力容器制作过程中还需要进行焊接，而焊缝附近会存在较大的孔隙，而这一区域就是整个压力容器复合材料力学性能最为薄弱的位置，其次，除了焊缝区域孔隙大区域的力学性能是薄弱的外，其他区域孔隙如果较大的话，相关力学性能也是比较低的，甚至会严重影响到整个复合材料力学性能得到确切提升【4】。

当实验的压力容器内压小于6兆帕时，整个复合材料出现损伤问题的概率是比较低的；当内压处于6到10兆帕时，复合材料的界面将会产生开裂问题，或者环氧树脂和上浆剂将出现破损的情况，以上是首要损伤；次要损伤主要表现为高模碳纤维出现断裂的问题；但当内压处于10兆帕保压的初期阶段时，复合材料将逐渐出现损伤问题，在保压后的3到5分钟内，复合材料才会逐渐趋于稳定，直至不会出现缺陷扩展的情况。在整个受力的过程中，缺陷问题会出现随机扩散的问题，甚至部分缺陷会相互连通成一个大尺寸的缺陷问题，而且复合材料缺陷连通概率高达40%到50%。

复合材料在经过反复打压时，一次加载式样是不会受到较为严重的损伤，而且相关力学性能依然处于较为稳定的状态。但在二次加载保压下，会出现一定的损伤且该损伤情况将会一直持续，甚至会导致出现新的损伤；基于此，三次加载式样下的复合材料将会进入严重损伤的状态，力学性能的下降趋势是非常明显的。

结论

总而言之，在不断研究复合材料压力容器的性能过程中，应当以此为基础来对复合材料成型工艺进行一定的调整和优化，促使复合材料可以完美的与其他金属材料有效连接形成一个整体，促使压力容器的性能指标能够达到最佳状态。在整个应用复合材料进行压力容器制造过程中，还应当通过反复打压来验证压力容器可能出现的损伤情况，并且要针对这个损伤的出现过程进行详细的记录。压力容器在当前工业领域中的应用范围是比较广泛的，针对其性能方面要不断加大研究力度，为我国工业发展提供重要的推动作用。

参考文献

[1]吴伟萍,于柏峰,赵亮,周晏云.复合材料压力容器的研究与制备[J].纤维复合材料,2024,41(01):95-99.   

[2]古妮娜,张胜军,张丽娟,马青丽.钛-钢复合层板压力容器的裂纹扩展规律[J].现代制造技术与装备,2023,59(07):24-29.   

[3]孟祥姝,李武胜,胡玉霞,吴晓岚.压力容器复合材料反复打压损伤过程研究[J].高科技纤维与应用,2023,48(03):51-58.   

[4]杜鑫,张馨元,张鑫博.不锈钢及其复合材料压力容器制造技术研究[J].锅炉制造,2023,(03):46-47+57.