薄壁金属内衬纤维复合材料缠绕压力容器及其制造工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及压力容器领域，具体为一种薄壁金属内衬纤维复合材料缠绕压力容器及其制造工艺。
【背景技术】
[0002]金属内衬纤维复合材料缠绕压力容器由双层结构组成，内层为内衬，其材料可为铝合金、不锈钢、纯钛、钛合金及科乃尔合金等;外层为纤维复合材料缠绕层(即壳体)，其与内衬的组合方式为，在内衬外表面上缠绕一定层数经树脂浸渍过的纤维复合材料，并固化成型。压力容器的筒身段为圆筒状，两端具有半球形或椭球形的封头。作为压力流体储存装置，纤维复合材料缠绕层是内压载荷的主要承载结构，内衬也承担部分内压载荷，主要起密封介质，提供纤维复合材料缠绕芯模和对外接口的作用。
[0003]由于金属材料和纤维复合材料的弹性性能相差较大，金属内衬纤维复合材料缠绕压力容器在重复加卸载循环过程中金属内衬与纤维复合材料缠绕层的变形不协调。在工作压力作用下，纤维复合材料缠绕层始终处在弹性变形内，而金属内衬则承担部分内压载荷并膨胀受拉进入塑性变形阶段，其应力水平相对较高。卸载时，复合材料层发生完全弹性回复，金属内衬只能发生弹性部分回复，很大一部分塑性变形无法恢复，金属内衬中出现残余压应力，致使在重复加卸载循环过程中，金属内衬受外压屈曲，造成金属内衬与纤维复合材料缠绕层间的界面脱粘失效，导致压力容器发生泄露，从而限制了压力容器的许用载荷，降低了压力容器的耐疲劳和抗爆破性能。为使金属内衬能够经历重复循环的拉压应力状态而不失效，常需要较厚的金属内衬，造成压力容器重量上升幅度较大。
【发明内容】
[0004]本发明的一个目的在于公开一种薄壁金属内衬纤维复合材料缠绕压力容器，该压力容器通过内衬筒身段的壁面为波纹状，且增加弹性材料填充层，在内压载荷重复加卸载循环过程中，内衬筒身段的应力水平得到显著降低，解决了内衬和纤维复合材料缠绕层与邻接层之间界面容易脱粘失效的问题。
[0005]为解决技术问题，本发明采用的具体技术手段如下:
[0006]—种薄壁金属内衬纤维复合材料缠绕压力容器，所述压力容器包括内衬和纤维复合材料缠绕层;所述内衬包括内衬筒身段，以及设置在所述内衬筒身段两端的内衬封头段；其特征在于，所述内衬筒身段为薄壁金属管状结构，且其壁面为波纹状;所述压力容器还包括包覆在所述内衬筒身段外部的弹性材料填充层;所述纤维复合材料缠绕层包覆在所述弹性材料填充层和内衬封头段的外部。
[0007]进一步地，所述壁面具有垂直于所述内衬筒身段的中心轴线的波纹。
[0008]进一步地，所述壁面具有平行于所述内衬筒身段的中心轴线的波纹。
[0009]进一步地，所述波纹的波形为正弦波。
[0010]进一步地，所述压力容器的外径为2η，所述波形的曲率为p，其中，p<5/ri。
[0011]进一步地，所述压力容器的内径为2r2，所述内衬的厚度为a，其中，2X 10—3r2 <a<IX 10? ο
[0012]更进一步地，所述弹性材料填充层采用橡胶材料。
[0013]本发明的另一个目的在于公开一种薄壁金属内衬纤维复合材料缠绕压力容器的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤:
[0014]S1、用薄壁金属材料制造内衬，其中内衬筒身段为波纹状；
[0015]S2、在内衬筒身段外部包覆弹性材料，弹性材料与内衬筒身段的外表面毗连，并充分填充内衬筒身段波纹的波谷，形成弹性材料填充层，为纤维复合材料缠绕层提供缠绕界面；
[0016]S3、在所述弹性材料填充层外表面上分层缠绕经树脂浸渍过的纤维复合材料，并固化成型，形成纤维复合材料缠绕层。
[0017]进一步地，纤维复合材料层采用反对称角铺设方式缠绕。
[0018]更进一步地，在内衬筒身段外部包覆弹性材料前，先对内衬筒身段外表面采用细砂进行喷砂粗化处理，再进行磷化处理并辅以溶剂去油处理，然后在内衬筒身段外表面均匀涂抹粘合剂。
[0019]本发明提供的压力容器的内衬筒身段为薄壁金属管状结构，且其壁面为波纹状，在内压载荷重复加卸载循环过程中，内衬筒身段的应力水平显著降低，内衬筒身段绝大部分区域可始终处在弹性变形内，仅在内衬筒身段的波纹的波峰与波谷过渡处的极少部分区域应力水平较高，可能会进入塑性变形阶段;减少了内衬承担的内压载荷，更充分地发挥内衬的密封作用，使内压载荷更加完整、均匀及平缓地经由弹性材料填充层传递给纤维复合材料缠绕层承担，避免了内衬中出现重复循环拉压应力状态，降低金属内衬工作失效及界面层之间发生脱粘现象的可能性，从而提高了压力容器的许用载荷及其耐疲劳和抗爆破性會泛。
[0020]内衬和纤维复合材料缠绕层之间具有弹性材料填充层。由于纤维复合材料缠绕层与内衬的电极电位存在一定的差异，如果该压力容器是在潮湿的环境中工作，存在金属内衬被电化学腐蚀的危险，通过在内衬和纤维复合材料缠绕层之间加入绝缘的弹性材料填充层，不仅可以避免金属内衬被电化学腐蚀，而且可以改善内衬与纤维复合材料缠绕层之间的载荷传递状态，提高压力容器整体性能。
[0021]本发明提供的压力容器的内衬筒身段的壁面为波纹状，其波形采用光滑平缓、曲率变化不大的正弦波形，可避免产生局部应力集中，并可将内压载荷完整、均匀地传递给外层结构。
[0022]纤维复合材料层采用反对称角铺设方式缠绕，有效避免了纤维复合材料缠绕层(压力容器的筒身)发生扭转变形。
【附图说明】
[0023]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024]图1为本发明第一种实施方式的压力容器部分截面立体图；
[0025]图2为本发明第一种实施方式的内衬部分截面立体图；
[0026]图3为本发明第一种实施方式的压力容器横截面示意图；
[0027]图4为本发明第二种实施方式的内衬立体图；
[0028]图5为本发明第二种实施方式的压力容器轴截面示意图；
[0029]图6为反对称角铺设示例图。
[0030]图中:1、内衬，10、内衬筒身段，11、内衬封头段，2、弹性材料填充层，3、纤维复合材料缠绕层，4、介质进出口。
【具体实施方式】
[0031]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0032]如图1-图3所示的第一种实施方式的薄壁金属内衬纤维复合材料缠绕压力容器，包括内衬1、弹性材料填充层2、纤维复合材料缠绕层3和介质进出口(未示出)。
[0033]内衬1包括薄壁金属管状结构的内衬筒身段10，以及设置在内衬筒身段10两端的内衬封头段11。其中，内衬筒身段10的壁面为波纹状，其壁面具有垂直于内衬筒身段的中心轴线的波纹;波纹应采用光滑平缓、曲率变化不大的波形，避免出现尖角、产生局部应力集中，使内压载荷完整、均匀地传递给外层结构。内衬1的材料采用铝6061T6。设定压力容器的外径为2ri，内径为2r2，其中内径为压力容器内部的最小直径，波形的曲率为ρ，内衬1的厚度为a，详见图3。
[0034]作为一种优选的实施方式，波纹的波形采用正弦波。
[0035]作为另一种优选的实施方式，波形的曲率5/ri。
[0036]作为又一种优选的实施方式，内衬1的厚度要求为2X 10—3r2 <a<lX 10—2r2。
[0037]弹性材料填充层2包覆在内衬筒身段10的外部，弹性材料应将内衬1壁面的波纹的波谷充分填满，并使其外表面形成光滑的圆柱面，以给纤维复合材料缠绕层3提供缠绕界面。弹性材料填充层2所使用的材料应是弹性近似不可压缩的，其弹性模量应尽量小，通常应小于lOOMPa，以使内压载荷能够有效的传递给纤维复合材料层。
[0038]作为一种优选的实施方式，弹性材料填充层2采用橡胶材料。
[0039]纤维复合材料填充层3为在弹性材料填充层2外表面上缠绕一定层数经树脂浸渍过的纤维复合材料，并固化成型。其中纤维复合材料可选用碳纤维、芳纶纤维或玻璃纤维等，树脂基体材料可选用聚酯树脂、环氧树脂或酚醛树脂等。
[0040]在缠绕纤维复合材料时，为保证压力容器质量，采用分层固化工艺，即在弹性材料填充层2上先缠绕一定厚度的纤维，使其固化，再缠绕第二次，使其固化，直至产品厚度达到设计要求。
[0041]对纤维复