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浅谈复合材料压力容器的性能

来源:用户上传      作者: 张娟

  摘要:压力容器的使用范围很广泛,但因为其是一种承压设备,在使用过程中具有很大的危险性,在压力容器的设计过程中,选用合理的压力容器材料是其设计中的关键步骤,这对后期容器的性能起到了决定性的作用,所选材料的耐腐蚀性及机械强度都会对压力容器的使用状况造成影响,随着工业水平的提高,对压力容器的性能参数有了更为苛刻的要求。通过阐述压力容器的设计制造现状及特点,提出相关的应力分布计算方法,分析造成复合材料压力容器失效的主客观因素,对复合材料压力容器的设计制造具有一定的参考作用。
  关键词:复合材料;压力容器;性能
  压力容器目前广泛应用于航天、能源、化工等领域,它是能够承受一定压力的设备,随着工业技术对压力容器更严格的要求,压力容器需要具备更好的性能来满足工业发展的需要,然而压力容器的材料、介质条件、温度、设计压力等因素都会影响到压力容器的性能,这也使得压力容器在使用过程中具有一定的危险性。压力容器的材料对压力容器的性能起着决定性的作用,在压力容器材料上的技术突破,对整个压力容器的设计制造具有重大意义,材料的耐腐蚀性及机械强度等性能,对压力容器的使用状况都有重要的影响。
  过去的压力容器的材料大多是金属板材,容器的内衬通常采用耐腐蚀的合金钢材料,为了提高机械强度,在其外层进行金属板包扎,但是金属材料具有造价高、密度大的特点,将合金钢材料应用于腐蚀严重的场合,会给工业生产造成很大的不便。复合材料出现之后,由于其具有各种优点,被广泛应用于工业生产当中,尤其是在航天技术方面的应用,航天器技术风险对复合材料压力容器的发展应用起到了很大的促进作用,由于复合材料的良好性能,也广泛应用于工业容器的设计当中。
  1.复合材料压力容器的概述
  1.1.复合材料压力容器的特点
  ISO(国际化标准组织)为复合材料给出了这样的定义,复合材料是指,有两种及两种以上的具有不同的化学及物理性质的物质组合而成的一种多相的固体材料。这些材料中,其中一种作为基体,其他的材料是为增强体组合而成的材料。这些材料组合在一起,在性能上具有互补作用,能够产生协同效应,这样的复合材料的综合性能比任何一种材料的单独性能都要好,能够满足各种不同的材料要求,这种复合材料不仅具有材料与结构的统一性、可设计性、复合工艺的依赖性、复合材料的优越性等性能,还具有良好的减磨耐磨、稳定的化学性能、电绝缘性、耐疲劳性、自润滑性及良好的耐热性能。正因为复合材料具有诸多的优良性能,使得其在制造业以及压力容器制造中具有其独特的优势。
  复合材料应用于压力容器的制造中,具有以下优良特性:(1)具有很好的韧性,钢制压力容器在压力作用下具有破坏突发性,复合材料中的基体能够与增强材料有效的结合,能够将载荷进行平衡的传递,有效的防止裂纹的扩展,使材料的断裂韧性得到有效的提高;(2)具有很强的耐腐蚀性能,和传统金属比起来,复合材料具有很强的耐腐蚀性能,不需要做特殊处理就能满足压力容器的耐腐蚀要求,直接将其应用于工业生产当中;(3)复合材料具有密度小的特点,一般情况下,复合材料选用金属、陶瓷或是一些聚合物等材料作为基体材料,它本身的密度就不大,与增强材料融合后,密度值更低;(4)具有较高的机械强度,目前,复合材料主要是将一些纤维产品作为增强材料,如果发生材料过载或少数纤维断裂,载荷会被迅速的重新分配到未被破坏的纤维之上,整个构件不会在短期内失去承载能力。纤维材料本身的形变能力就很好,具有很高的强度,再与基体材料结合,强度性能会提高数倍,用它制成的容器会具有很好的强度,刚性好,质量也很好。
  1.2.复合材料压力容器的设计及制造现状
  随着工业水平及要求的提升,复合材料在压力容器制造中的应用越来越广泛,特别是应用于小型压力容器的制造中。复合材料压力容器通常采用金属的内衬,再用碳纤维等复合材料进行外包扎成为强度层的结构型式。目前,我国复合材料压力容器的设计常采用网络理论来进行网络分析。网络理论认为由纤维连续缠绕制成的容器具有受力均匀、纤维分布均匀的特点,载荷都由纤维承担,不计基体刚度。通过网络分析可以得到纤维的厚度、缠绕方向、应力等数据。
  目前的复合材料压力容器的制造方法,大多采用纤维缠绕的工艺方法,由连续的纤维提供产品所需的刚度及强度,可以对容器的筒身进行螺旋缠绕,为了满足疲劳性及气密性要求,采用延展性好的金属材料。
  2.复合材料压力容器的应力情况
  复合材料结构的生产与成型是一起完成的,能够将材料内部纤维结构完整的保存,使复合材料具有很好的机械强度。但由于纤维结构沿壁厚上的分布不均匀,对其进行应力分析比较困难,对于一些较为复杂的问题的分析,可采用数值分析法进行分析,对复合材料压力容器的载荷进行分析的数值分析法主要有:有限元混合法、有限元位移法、应力杂交元法、边界元法等方法。
  复合材料的压力容器为轴对称结构,受压均匀,金属内衬的力学平衡方程为:
  3.复合材料压力容器的失效因素
  复合材料压力容器失效的主要形式有两种,即复合层爆破、内衬泄露两种。引起复合材料应力断裂的主要因素是容器的结构性能,除此之外还有载荷周期、撞击损伤、内衬泄露、外界环境等客观因素会造成压力容器的应力失效。
  4.结束语
  复合材料由于具有很好的耐腐蚀性及机械强度,被广泛应用于压力容器的制造中,在各个应用方面都取得了很大的进步,但是复合材料的压力容器的研究空间还很大,具有很大的研发价值空间,有待进一步研究。
  参考文献:
  [1]骆晓玲,刘亮亮.复合材料压力容器的性能分析[J].机械设计与制造,2011(5).
  [2]刘静,孟爱成.浅谈复合材料压力容器的性能[J.]机电信息,2013(10).
  作者简介:张娟(1989-),女,汉族,陕西神木人,内蒙古工业大学化工学院硕士研究生,从事压力容器复合材料研究。
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