1、引言
        在壓力容器中，中低壓容器一般以板焊結(jié)構(gòu)為主，而高壓容器則出現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)：?jiǎn)螌咏Y(jié)構(gòu)有整體鍛造式、鍛焊式、厚板卷焊式、電渣重熔式；多層結(jié)構(gòu)有層板包扎式、螺旋包扎式、熱套式、整體包扎多層式；纏繞結(jié)構(gòu)有繞絲式、繞板式、扁平鋼帶傾角錯(cuò)繞式和型槽繞帶式。但這些結(jié)構(gòu)都是指金屬材料而言，單臺(tái)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(dá)數(shù)千噸。而高壓氣瓶過(guò)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(xué)和制造工藝技術(shù)的進(jìn)步，由于氣瓶為移動(dòng)式容器，為了減輕氣瓶的重量，同時(shí)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(jié)構(gòu)的纏繞氣瓶，即復(fù)合材料氣瓶。復(fù)合材料纏繞氣瓶目前主要應(yīng)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(chē)用壓縮天然氣燃料氣瓶?jī)纱箢I(lǐng)域，也可用于某些壓縮氣體和液化氣體及其混合物。現(xiàn)就纖維纏繞復(fù)合氣瓶的發(fā)展及其標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)情況作一簡(jiǎn)要說(shuō)明。
    2、纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶的發(fā)展及其標(biāo)準(zhǔn)情況
    2.1、復(fù)合材料氣瓶的發(fā)展復(fù)合材料氣瓶的發(fā)展始于20 世紀(jì)50 年代，是基于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料機(jī)殼技術(shù)。早期的復(fù)合氣瓶是用玻纖浸漬環(huán)氧樹(shù)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(yīng)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(jì)60 年代開(kāi)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(qiáng)。復(fù)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(kāi)裂到泄漏，而厚壁內(nèi)膽可在10000～30000 次循環(huán)產(chǎn)生泄漏。
    復(fù)合材料容器和氣瓶最早于20世紀(jì)50年代和60 年代用于國(guó)防和航天，這些容器或氣瓶用于軍用飛機(jī)的噴射系統(tǒng)，緊急動(dòng)力系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)重新啟動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)，它們也用于航天試驗(yàn)室的氧氣罐和導(dǎo)彈系統(tǒng)的壓力源。每一航天飛機(jī)都用一定數(shù)量的復(fù)合氣瓶作為機(jī)艙空氣和推進(jìn)器及控制系統(tǒng)的動(dòng)力。20世紀(jì)70年代，復(fù)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(jī)滑梯充氣，以及相類(lèi)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(tái)張力系統(tǒng)的水力蓄能器。壓縮天然氣車(chē)用瓶成為復(fù)合氣瓶的主要市場(chǎng)之一。從纖維來(lái)說(shuō)，90年代新材料碳纖維被批準(zhǔn)用于氣瓶，這是一個(gè)重大的發(fā)展。
    纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶的發(fā)展大體如下：
    20世紀(jì)60年代：用于衛(wèi)星及航天復(fù)合壓力容器；20 世紀(jì)70年代：美國(guó)國(guó)家航空航天技術(shù)轉(zhuǎn)向民用商業(yè)市場(chǎng)；美國(guó)運(yùn)輸部批準(zhǔn)復(fù)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(jì)80年代：其他有關(guān)國(guó)家批準(zhǔn)復(fù)合材料氣瓶用于商業(yè)市場(chǎng)，呼吸器成為復(fù)合材料氣瓶的最大市場(chǎng)。20世紀(jì)90年代國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和歐洲標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（CEN）以及天然氣汽車(chē)聯(lián)盟起草批準(zhǔn)復(fù)合材料氣瓶新標(biāo)準(zhǔn)；定位氣瓶性能，允許采用新材料碳纖；批準(zhǔn)塑料內(nèi)膽復(fù)合氣瓶即四型瓶；壓縮天然氣車(chē)用瓶成為復(fù)合氣瓶的主要市場(chǎng)之一。
    2.2、復(fù)合材料氣瓶的標(biāo)準(zhǔn)情況
    2.2.1、纖維纏繞復(fù)合材料壓力容器國(guó)內(nèi)有玻璃鋼容器標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)ASME 第十篇為纖維增強(qiáng)塑料壓力容器。該標(biāo)準(zhǔn)于1974年開(kāi)始準(zhǔn)備并起草，1977 年獲得通過(guò)，現(xiàn)行版本為2001年版和補(bǔ)遺。最初標(biāo)準(zhǔn)范圍僅包括玻璃纖維壓力容器。該規(guī)范以設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，爆破壓力要求為5倍額定工作壓力，在最低設(shè)計(jì)溫度下3000 次疲勞，在最高設(shè)計(jì)溫度下30000次疲勞。纖維纏繞容器開(kāi)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(bǔ)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(shè)計(jì)一般用非金屬內(nèi)膽，固定使用（安裝于地面或平臺(tái)），是不移動(dòng)的，不限制使用壽命。疲勞試驗(yàn)和爆破試驗(yàn)僅限于試驗(yàn)要求，本規(guī)范導(dǎo)致“粗糙”的設(shè)計(jì)，沒(méi)有提出在用檢驗(yàn)和水壓試驗(yàn)要求。
    2.2.2、呼吸器美國(guó)于1972年開(kāi)始采用輕質(zhì)鋁瓶，1975年研制出鋁內(nèi)膽、S玻纖/環(huán)氧樹(shù)脂環(huán)纏繞和全纏繞以及鋁內(nèi)膽凱夫拉（kevlar）/環(huán)氧樹(shù)脂環(huán)纏繞和全纏繞復(fù)合氣瓶，并于1976 年被DOT首先批準(zhǔn)生產(chǎn)，用于商用高壓氣體儲(chǔ)存，如消防自給式呼吸氣瓶、家用氧氣治療、飛機(jī)排出系統(tǒng)! 直升機(jī)懸浮系統(tǒng)充氣；用于公交車(chē)、卡車(chē)和小轎車(chē)的壓縮氣體儲(chǔ)存和各種氣動(dòng)系統(tǒng)。DOT FRP-1《FRP纖維增強(qiáng)了CF 型復(fù)合材料氣瓶基本要求》由美國(guó)壓縮氣體協(xié)會(huì)（CGA）于1970年開(kāi)發(fā)。用于美國(guó)運(yùn)輸部研究和行政特別項(xiàng)目（DOT RSPA）移動(dòng)氣瓶免除令，作為消防員及飛機(jī)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(yīng)力破裂性能，導(dǎo)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(shè)計(jì)在15年壽命期內(nèi)，要求每3 年進(jìn)行一次在用檢查和水壓試驗(yàn)。該標(biāo)準(zhǔn)要求更多的性能試驗(yàn)，如火燒、槍擊和10000次操作壓力下和30次水壓試驗(yàn)壓力下循環(huán)試驗(yàn)。
    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(qiáng)3HW型復(fù)合材料氣瓶的基本要求》由CGA 在FRP—1 之后（約1982年）開(kāi)發(fā)，F(xiàn)RP—2 使用和FRP—1 類(lèi)同。本標(biāo)準(zhǔn)最初僅用于玻纖鋁內(nèi)膽環(huán)纏繞，標(biāo)準(zhǔn)要求在2.5倍工作壓力下保壓1min，這導(dǎo)致約2.65倍安全系數(shù)。稍后，允許用鋼內(nèi)膽。該標(biāo)準(zhǔn)包括的性能試驗(yàn)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(dá)到在同樣價(jià)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(jìn)行纏繞用于呼吸器，1994年無(wú)縫薄壁鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞新一代復(fù)合氣瓶在歐洲獲準(zhǔn)使用，1997年在美國(guó)獲準(zhǔn)使用，它們是重量相對(duì)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(fù)合氣瓶重量輕15%~30%。碳纖維復(fù)合材料氣瓶是基于20 多年玻纖和可夫拉復(fù)合氣瓶良好的使用經(jīng)驗(yàn)以及1984~1996年之間建立的高性能碳纖維纏繞火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃料儲(chǔ)箱、軍用飛機(jī)救生和氣體動(dòng)力源、防衛(wèi)和導(dǎo)彈系統(tǒng)的應(yīng)用，以及運(yùn)載火箭和空間飛行器壓力貯箱的宇航數(shù)據(jù)庫(kù)，與S 玻纖和Kevlar相比，碳纖維全復(fù)合纏繞氣瓶具有相對(duì)最高的強(qiáng)度和剛性，最輕的重量，極佳的耐潮濕、耐化學(xué)腐蝕、耐紫外線輻射、耐疲勞以及耐應(yīng)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(hù)層。另外，需要特別注意的是，在碳纖維復(fù)合材料和鋁合金內(nèi)膽之間需要一個(gè)隔離屏障，以防止電化腐蝕。新一代碳纖維復(fù)合氣瓶（呼吸器）商業(yè)使用的第一個(gè)政府許可是由英國(guó)健康委員會(huì)（HES）于1994年1 月發(fā)布的，壓力為207Bar 或300Bar。自1994年1 月以來(lái)，歐洲地區(qū)政府許可擴(kuò)大到19個(gè)國(guó)家。美國(guó)和日本于1997年取得了必須的政府許可。關(guān)于碳纖維復(fù)合氣瓶主要的歐洲標(biāo)準(zhǔn)是英國(guó)HES—A1—FW2（0.5251）以及歐洲大陸已批準(zhǔn)的衍生版本、歐洲標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（CEN）編制的復(fù)合氣瓶規(guī)范rEN12245《全纏繞復(fù)合材料氣瓶》，于1999年7月提出以協(xié)調(diào)歐洲標(biāo)準(zhǔn)。在美國(guó)，DOT管理要求的標(biāo)準(zhǔn)是DOT-CFFC無(wú)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(qiáng)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(chē)用天然氣瓶自20世紀(jì)70年代末期以來(lái)，全球范圍內(nèi)的CNG工業(yè)主要按意大利規(guī)范、或美國(guó)運(yùn)輸部DOT3AA 修訂版來(lái)設(shè)計(jì)鋼瓶。1989年新西蘭把疲勞設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證引入NZS5454 標(biāo)準(zhǔn)，這是第一個(gè)在CNG中使用的氣瓶標(biāo)準(zhǔn)，主要是針對(duì)鋼瓶，為了保證熱處理的合理性，要求對(duì)每一個(gè)氣瓶都要進(jìn)行硬度試驗(yàn)。20世紀(jì)80年代，北美聯(lián)邦不再按照現(xiàn)存的工業(yè)氣瓶標(biāo)準(zhǔn)，采用特別許可或許可證書(shū)。1992年美國(guó)制訂了ANSI/AGA NGV2-1992車(chē)用壓縮天然氣氣瓶標(biāo)準(zhǔn)，它是建立在鋼質(zhì)氣瓶標(biāo)準(zhǔn)US-DOT3AA、鋁質(zhì)氣瓶標(biāo)準(zhǔn)USDOT3A1、全纏繞氣瓶設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)草案FRP-1和環(huán)纏繞FRP-2 氣瓶設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)草案的基礎(chǔ)上，另外還規(guī)定了CNG氣瓶的使用條件和相應(yīng)的性能試驗(yàn)要求。NGV2-1992 年版1998年更新一次，現(xiàn)行版本為NGV2-2000。美國(guó)運(yùn)輸部國(guó)家高速公路交通安全管理局（NSTHA）采用該標(biāo)準(zhǔn)的部分內(nèi)容，并且于1995 年3月發(fā)布了一個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)即FMVSS304《聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車(chē)安全標(biāo)準(zhǔn)》。在加拿大，CSAB51 PART II《車(chē)用天然氣高壓氣瓶》標(biāo)準(zhǔn)于1995年1 月開(kāi)始實(shí)施。1989年ISO/TC58/SC3/WG17也著手《車(chē)用壓縮天然氣氣瓶》國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制訂工作，于1992年提出標(biāo)準(zhǔn)草案，經(jīng)過(guò)多次修改ISO11439《車(chē)用壓縮天然氣高壓氣瓶》現(xiàn)已被包括中國(guó)在內(nèi)的世界上大多數(shù)國(guó)家認(rèn)可，標(biāo)準(zhǔn)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。可以說(shuō)ISO11439《車(chē)用壓縮天然氣高壓氣瓶》是建立在過(guò)去20年來(lái)各國(guó)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上制訂的。因此目前國(guó)內(nèi)車(chē)用壓縮天然氣氣瓶也多參考該標(biāo)準(zhǔn)。
     2.2.4、壓縮氣體和液化氣體用纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO于2002年批準(zhǔn)了一套纖維纏繞復(fù)合氣瓶標(biāo)準(zhǔn)：ISO11119《復(fù)合結(jié)構(gòu)氣瓶———規(guī)范和試驗(yàn)方法》。具體包括：第一部分：ISO11119—1《環(huán)向纏繞復(fù)合氣瓶》；第二部分：ISO11119—2《承載金屬內(nèi)膽纖維增強(qiáng)全纏繞復(fù)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(qiáng)全纏繞復(fù)合氣瓶》。ISO11119標(biāo)準(zhǔn)適用于水容積小于450L，用于儲(chǔ)存和運(yùn)送壓縮氣體和液化氣體，其水壓試驗(yàn)壓力不大于650bar。ISO11119標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定設(shè)計(jì)壽命從10年到不限；對(duì)設(shè)計(jì)壽命超過(guò)15年的，為了繼續(xù)使用應(yīng)重新進(jìn)行評(píng)定。無(wú)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(jī)纖維或其混雜，但對(duì)環(huán)向纏繞標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定亦可采用鋼絲纏繞進(jìn)行周向加強(qiáng)。ISO11119標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有提出可拆保護(hù)套筒的設(shè)計(jì)、配合及性能，如果需要應(yīng)另行考慮。
     2.2.5、 美國(guó)航天和星際航空協(xié)會(huì)（AIAA）S-081《非金屬內(nèi)膽復(fù)合全纏繞壓力容器》（2000 年4月3日草案）標(biāo)準(zhǔn)為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ANSI）批準(zhǔn)的最終階段標(biāo)準(zhǔn)，它是針對(duì)進(jìn)行中的發(fā)射運(yùn)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(guó)空軍（USAF）《加壓導(dǎo)彈和航天系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)系統(tǒng)和操作的總要求標(biāo)準(zhǔn)》。S-081 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)材料的選擇和安全指南提供了廣泛的指導(dǎo)，要求A- 基材料性能并限制全尺寸氣瓶的型式試驗(yàn)。基于應(yīng)力破裂性能而建立飛行壽命的最低可靠性。對(duì)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(shè)計(jì)壽命為1年，它只包括金屬內(nèi)膽氣瓶，相應(yīng)的塑料內(nèi)膽氣瓶正在起草，相應(yīng)的ISO標(biāo)準(zhǔn)也在工作。