專利名稱：高壓氣瓶的制作方法
技術領域：
高壓氣瓶技術領域[0001]本實用新型涉及高壓容器，特別是涉及一種用于儲運壓縮天然氣(CNG)、氫氣 等高壓氣體的高壓氣瓶。
背景技術：
[0002]大型高壓氣瓶尤其是CNG大型高壓氣瓶(其水容積超過450公升)，目前還都 是采用合金無縫鋼管經(jīng)旋壓和調(diào)質處理而制成的、整體結構的無縫容器。滿載時，其內(nèi) 表面承受的切向拉應力很大其計算應力(如mises應力)達到了工程許用應力；而在遠 離氣瓶兩端的部位，因軸向應力很小，致使mises應力僅達到許用應力的1/2，即使在氣 瓶兩端的mises應力也僅為許用應力的2/3。在氣瓶的不同部位，mises應力值相差如此 之大，說明傳統(tǒng)的整體筒氣瓶遠未達到等強設計，還有強度潛力可挖掘。另一個重要問 題是，整體筒存在著突然爆裂的危險。一旦產(chǎn)生裂紋，裂紋失穩(wěn)擴張的速度很快，無法 控制就會爆裂，由此會導致非常嚴重的危險事故。因而目前的產(chǎn)品都采用加大安全系數(shù) 的設計方法，導致該類氣瓶存在自重很大、存儲效率較低的缺點。[0003]壓縮天然氣(CNG)的儲運容器是高壓氣瓶。由于壓縮天然氣的存儲壓力高 (25MPa),又是可燃氣體，所以，對氣瓶的材質、結構，設計、制造和檢查的各個環(huán) 節(jié)都有嚴格的要求。目前，對于高壓氣瓶已經(jīng)出臺相關的國際標準，例如IS011119、 IS011120等。行業(yè)中常用的、例如水容積450公升以上的大尺寸、大容積氣瓶都是整體 結構的高壓氣瓶，都采用高強度合金無縫鋼管(4130X)作為原材料，經(jīng)兩端旋壓成形、 整體調(diào)質處理、加工瓶口螺紋、清除內(nèi)外表面銹蝕物、無損探傷、測厚、外層涂覆防腐 層、超值保壓等工序進行加工。此外，還需要進一步執(zhí)行嚴格的質量控制和檢查措施， 這樣才能保證達到相關國際標準的要求。因而，此類的高壓氣瓶的制造成本高昂，自重 也比較大。此外，在現(xiàn)有技術中，還有一種玻璃鋼纏繞結構的中小型高壓氣瓶(水容積 通常小于450公升)，在鋼瓶外層纏繞了玻璃纖維和環(huán)氧樹脂的混合物，從而形成一個保 護層殼，但纏繞時沒有施加足夠大的預應力。這可以對氣瓶內(nèi)膽形成一定程度的加強和 保護，可以緩沖內(nèi)膽的爆裂。這種氣瓶比同等容積的整體結構氣瓶重量輕，已經(jīng)應用于 天然氣車輛的燃氣容器；更高級的氣瓶是在高強度鋁合金內(nèi)膽或者高強度塑料內(nèi)膽的外 表面纏繞碳纖維樹脂，形成重量更輕、強度更大的保護層，可承受更高的工作壓力，此 類高壓氣瓶也沒有施加預應力。但是，經(jīng)過此類工藝處理的高壓氣瓶的成本極其昂貴。[0004]例如，圖1顯示了現(xiàn)有的用于儲運壓縮天然氣(CNG) —體式大型高壓氣瓶 100，。該高壓氣瓶100，在空載狀態(tài)下，內(nèi)膽101，不受力。該高壓氣瓶100，在滿載 時，內(nèi)膽101’的內(nèi)表面承受較大的圓周切向拉應力。其破壞方式為切向拉應力過大而引 起的拉伸裂紋。根據(jù)有關國際標準提供的計算方法，當高壓氣瓶100’的材質為4130X、 工作壓力為25MRI時，計算出的最小壁厚為17.3mm。由此可見，此種類型的高壓氣瓶 完全依靠材料的自身性能來實現(xiàn)高壓下的安全性，由此必然對材料性能提出了較高的要 求。此外，所使用的材料量也非常大，由此造成成本高昂。[0005]圖2顯示了另一現(xiàn)有的高壓氣瓶100”，所述高壓氣瓶100”包括內(nèi)膽101” ； 以及纏繞在內(nèi)膽101”的外表面的玻璃纖維樹脂層102”。所述高壓氣瓶100”通常為中 小型氣瓶。內(nèi)膽101”也由優(yōu)質高合金無縫鋼管旋壓而成。但是，玻璃纖維樹脂層102” 在纏繞時并不承受預應力，僅起到內(nèi)膽101”的約束、增強和保護的作用。據(jù)此計算出 的內(nèi)膽最小壁厚為7.1mm，玻璃纖維樹脂層厚度為10mm。[0006]隨著人類社會對天然氣的需求不斷擴大，隨著該行業(yè)的日益快速發(fā)展，對能承 受更大的工作壓力的大型氣瓶的需求也在增長。實用新型內(nèi)容[0007]有鑒于此，本實用新型需要提供一種高壓氣瓶，所述高壓氣瓶能夠在保證強度 的條件下最大程度地減少材料的使用量，同時可以提高整個高壓氣瓶的使用安全性能。[0008]根據(jù)本實用新型的一方面，提供了一種高壓氣瓶，所述高壓氣瓶用于儲運高壓 流體，包括內(nèi)膽；以及有效預應力鋼絲纏繞層，所述有效預應力鋼絲纏繞層形成在所 述內(nèi)膽的外表面上。[0009]根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述有效預應力鋼絲纏繞層通過在內(nèi)膽上以預 定額定值張力纏繞鋼絲而形成，且所述預定額定值為在所述高壓氣瓶空載條件和滿載條 件下所述內(nèi)膽的各部位的計算應力相等的值。[0010]根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述有效預應力鋼絲纏繞層層通過在內(nèi)膽上以 預定額定值張力的鋼絲纏繞而形成，且所述內(nèi)膽被施加以預壓應力，從而在空載條件和 滿載條件下使得所述內(nèi)膽的各部位的計算應力相等。[0011]根據(jù)本實用新型的具有預應力高強度鋼絲纏繞結構的高壓氣瓶，可以顯著地達 到以下的技術效果[0012]1、在原有鋼瓶材質、尺寸和厚度不變的前提下，通過增設預應力高強度鋼絲 層，可使鋼瓶所承受的工作壓力提高到30MRI以上，自重僅稍有增加，從而為提高高壓 流體的工作壓力找到了一種實用、簡便的結構；[0013]2、在額定工作壓力無需提高的情況下，通過增設預應力高強度鋼絲纏繞層，則 可以達到結構和受力狀態(tài)等強，減少內(nèi)膽的壁厚，減少材料用量的效果；[0014]3、由于等彈性模量值、高強度鋼絲預應力的并行結構與非預應力纏繞結構(玻 璃纖維、碳纖維)相比，具有更高的可靠性和耐疲勞能力，從而進一步消除了高壓氣瓶 發(fā)生突然炸裂的危險。還有可能采用普通合金無縫管40Q 取代高成本的無縫鋼管4130X 制造內(nèi)膽，將大大降低制造成本。[0015]另外，根據(jù)本實用新型的高壓氣瓶還具有如下附加技術特征[0016]根據(jù)本實用新型的一個實施例，用于形成所述內(nèi)膽和所述有效預應力鋼絲纏繞 層的材料的彈性模量相同。[0017]根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述高壓氣瓶進一步包括玻璃纖維保護層， 所述玻璃纖維保護層形成在所述有效預應力鋼絲纏繞層的外表面上。[0018]根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述玻璃纖維保護層通過玻璃絲布條浸漬環(huán)氧 樹脂而固化形成。[0019]根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述鋼絲由含碳量超過0.60%的低合金鋼或碳鋼所制成。[0020]根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述鋼絲相對于所述高壓氣瓶的母線以小于90 度的預定角度纏繞在所述內(nèi)膽上。[0021]根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述鋼絲的導程等于所述螺旋線的螺距，可選 地，所述鋼絲的導程可以大于所述螺旋線的螺距，進一步可選地，所述鋼絲的導程可以 小于所述螺旋線的螺距。[0022]根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述高壓氣瓶進一步包括保護鋼絲纏繞層， 所述保護鋼絲纏繞層通過在所述有效預應力鋼絲纏繞層的外表面纏繞鋼絲而形成，且所 述保護鋼絲纏繞層的鋼絲張力為預定額定值的張力的10-80%。[0023]根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述高壓氣瓶進一步包括玻璃纖維保護層， 所述玻璃纖維保護層形成在所述保護鋼絲纏繞層的外表面上。[0024]預定額定值根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述玻璃纖維保護層中纏繞有稀疏 鋼絲，以進一步緊固所述玻璃纖維保護層。[0025]根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述內(nèi)膽被施加以預定的預壓應力，所述預壓 應力被控制成在滿載時，使所述高壓氣瓶內(nèi)壁中的切拉應力或切拉應變均達到預定值， 以進一步獲得有益的技術效果。[0026]根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述鋼絲的橫截面為帶圓角的矩形、正方形、 梯形或圓形。[0027]根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述有效預應力鋼絲纏繞層通過將多條鋼絲焊 接，且所述鋼絲以預定額定值纏繞在所述內(nèi)膽上，其中與焊接接頭相鄰的第一圈鋼絲張 力為所述預定額定值的40 50%，與所述焊接接頭相鄰的第二圈鋼絲張力為所述預定額 定值的60 70%，與所述焊接接頭相鄰的第三圈鋼絲張力應達到所述預定額定值。[0028]根據(jù)本實用新型的一個實施例，形成所述有效預應力鋼絲纏繞層的鋼絲的第一 圈和最后一圈的鋼絲預應力張力為鋼絲預定額定值的10-20%。[0029]根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述高壓氣瓶具有大致I形的形狀。[0030]根據(jù)本實用新型的一個實施例，纏繞在所述高壓氣瓶上的非圓柱體部分的有效 預應力鋼絲纏繞層內(nèi)的被纏繞鋼絲之間通過粘合劑粘接而固定。[0031]本實用新型的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描 述中變得明顯，或通過本實用新型的實踐了解到。


[0032]本實用新型的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結合下面附圖對實施例的描述中 將變得明顯和容易理解，其中[0033]圖1顯示了現(xiàn)有整體結構的大型高壓氣瓶的剖視圖；[0034]圖2顯示了另一現(xiàn)有玻璃纖維樹脂纏繞結構的中小型高壓氣瓶的剖視圖；[0035]圖3顯示了根據(jù)本實用新型的一個實施例的高壓氣瓶的剖視圖；[0036]圖4顯示了根據(jù)本實用新型的另一個實施例的高壓氣瓶的剖視圖；[0037]圖5顯示了根據(jù)本實用新型的一個實施例的高壓氣瓶的鋼絲纏繞示意圖；以及[0038]圖6顯示了根據(jù)本實用新型的一個實施例的高壓氣瓶的部分截面剖視圖。
具體實施方式
[0039]下面詳細描述本實用新型的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自 始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通 過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本實用新型，而不能理解為對本實用 新型的限制。[0040]在本實用新型的描述中，術語“內(nèi)側”、“外側”、“縱向”、“橫向”、 “上”、“下”、“頂”、“底”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本實用新型而不是要求本實用新型必須以特定的方位構造和操 作，因此不能理解為對本實用新型的限制。[0041]在下述中，將以儲存壓縮天然氣(CNG)的高壓氣瓶來進行詳細說明，但是需要 理解的是，本實用新型的高壓氣瓶還可以用于儲運壓縮氮氣、壓縮高壓液體等，由此， 此處壓縮天然氣僅出于示例的目的，而不能理解為限制本實用新型的保護范圍。本實用 新型的高壓氣瓶的保護范圍由所附權利要求進行限定。[0042]本實用新型的實用新型構思如下。提出了一種在鋼質氣瓶內(nèi)膽的外表面增加高 強度的預應力纏繞層，預應力鋼絲層的外表面再纏繞玻璃纖維保護層，從而形成一種復 合結構、復合材料的高壓氣瓶。該高壓氣瓶的內(nèi)膽在空載情況下，要承受鋼絲層施加的 預定的內(nèi)壁切向壓應力，高強度的預應力纏繞層可以承受足夠的預拉應力；當氣瓶充滿 氣、達到額定工作壓力時，內(nèi)膽內(nèi)壁的切向應力值雖有增加，但仍在允許范圍內(nèi)；預應 力鋼絲纏繞層的應力值也會增加，即預應力鋼絲纏繞層的拉應力值從原來預拉應力值又 進一步增加，但現(xiàn)有的例如65Mn等高強度鋼絲均具有足夠的強度和蠕變閾值，并不會發(fā) 生失效。玻璃纖維樹脂層纏繞在預應力鋼絲層表面，可以進一步防止機械碰撞、腐蝕等 對預應力鋼絲纏繞層的損傷作用，從而起到保護的作用。因而，所述高壓氣瓶的安全裕 度很高。[0043]下面將參照附圖來說明根據(jù)本實用新型的一個實施例的高壓氣瓶100，其中圖3 顯示了根據(jù)本實用新型的一個實施例的高壓氣瓶100的剖視圖，圖4顯示了根據(jù)本實用新 型的另一個實施例的高壓氣瓶200的剖視圖，圖5顯示了根據(jù)本實用新型的一個實施例的 高壓氣瓶100的鋼絲104的纏繞示意圖，圖6顯示了根據(jù)本實用新型的一個實施例的高壓 氣瓶100的部分截面剖視圖。[0044]如圖3中所示，所述高壓氣瓶100包括內(nèi)膽101;以及有效預應力鋼絲纏繞層 102，所述有效預應力鋼絲纏繞層102纏繞在所述內(nèi)膽101的外表面上。所述預應力纏繞 層102通過在內(nèi)膽101上以預定的額定值張力的鋼絲纏繞而形成預定額定值，且所述預定 額定值控制成在空載條件和滿載條件下使得所述內(nèi)膽的各部位的計算應力相等。[0045]圖3中示出了所述內(nèi)膽101的三向應力，根據(jù)計算應力的計算方法，例如Mises 應力，其可以由例如下述的三向主應力來獲得[0046]-°"2)2 +O2 ~σ,)2+(σ, -σλ)2( )[0047]其中0ι、02> O3分別為三向主應力。在本實用新型中，需要將計算應力在滿 載和空載的情況下均實現(xiàn)等強設計，即雙向等強設計，從而可以最大程度地提高高壓氣瓶100的強度和安全性以及最大程度地減輕所使用的材料重量。[0048]由此，在本實用新型的高壓氣瓶100中，通過改善所述高壓氣瓶100的內(nèi)膽101 以及有效預應力鋼絲纏繞層102的受力狀態(tài)，從而可以從根本上改善高壓氣瓶的受力狀 態(tài)，并達到高壓氣瓶內(nèi)部的等強設計。根據(jù)本實用新型的一個實施例，用于形成所述內(nèi) 膽101和所述有效預應力鋼絲纏繞層102的材料的彈性模量相同，從而可以保證預應力纏 繞層102和內(nèi)膽101之間變形的一致性和連續(xù)性。采用多層、等彈性模量纏繞層的并行 結構、完全消除了內(nèi)膽101裂紋迅速擴展而造成的爆裂，由此可設計出結構新穎、實用 經(jīng)濟的新型鋼瓶。[0049]所述高壓氣瓶100可以進一步包括玻璃纖維保護層103，所述玻璃纖維保護層 103可以纏在所述有效預應力鋼絲纏繞層102的外表面上。如圖3中所示，所述玻璃纖維 保護層103可以通過將玻璃絲布條浸漬環(huán)氧樹脂并纏在所述有效預應力鋼絲纏繞層102上 而被固化形成。[0050]可選地，所述鋼絲104由含碳量超過0.60%的低合金鋼或碳鋼所形成。且所述 鋼絲104的橫截面為帶圓角的矩形、正方形、梯形或圓形。[0051]鋼絲可以由成本不高的高強度材料制成。空載條件下，高強度鋼絲層本身承受 著一定的預拉應力，在滿載條件下，其拉應力值雖繼續(xù)增加，但仍小于強度許用值及蠕 變門檻值，從而極大地降低了高壓氣瓶100的制造成本。[0052]根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述鋼絲104相對于所述高壓氣瓶100的母線以 小于90度的預定角度纏繞在所述內(nèi)膽101上。[0053]根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述鋼絲104的導程d等于所述螺旋線的螺距， 如圖5中所示，可選地，所述鋼絲104的導程d大于所述螺旋線的螺距，進一步可選地， 所述鋼絲104的導程d小于所述螺旋線的螺距。[0054]如圖5中所示，已纏繞鋼絲與正在纏到氣瓶上的鋼絲104之間存在一個夾角α， 稱為導前角，控制α值可保證鋼絲104的纏繞質量。[0055]可選地，如圖6中所示，所述高壓氣瓶100可以進一步包括保護鋼絲纏繞層 105，所述保護鋼絲纏繞層105纏繞在所述有效預應力纏繞層102的外表面上，且所述保 護鋼絲預應力纏繞層105的鋼絲的張力為預定額定值的10-80%。[0056]根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述高壓氣瓶100可以進一步包括玻璃纖維 保護層103，所述玻璃纖維保護層103形成纏在所述保護鋼絲纏繞層105的外表面上。[0057]根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述高壓氣瓶100可以進一步包括另一保護 鋼絲纏繞層106，所述另一保護鋼絲纏繞層106纏繞在所述保護鋼絲纏繞層105的外表面 上，且所述另一保護鋼絲纏繞層106的鋼絲的張力為預定額定值的10-15%。[0058]由此，通過在內(nèi)膽101之上采用多層等彈性模量預應力纏繞層的并行結構，且 其中的預應力逐級減小的應力分布特點，從而完全地消除了內(nèi)膽101爆裂的可能性，由 此設計出結構新穎、實用經(jīng)濟的新型鋼瓶。[0059]基于所述另一保護鋼絲纏繞層106的結構，可選地，所述高壓氣瓶100可以進一 步包括玻璃纖維保護層103，所述玻璃纖維保護層103形成在所述另一保護鋼絲纏繞層 106的外表面上。[0060]根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述玻璃纖維保護層中纏繞有稀疏鋼絲，以進一步緊固所述玻璃纖維保護層。即，在浸漬環(huán)氧樹脂的玻璃絲布外表面上，當環(huán)氧樹脂 尚未固化時，用大導程稀疏纏繞鋼絲以緊固環(huán)氧樹脂玻璃絲布層，大導程稀疏纏繞鋼絲 用環(huán)氧樹脂玻璃絲布層最終固結，從而形成所述玻璃纖維保護層103，并保護所述預應力 鋼絲纏繞層。[0061]根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述內(nèi)膽101自身也可以被施加以預定的預壓 應力，所述預壓應力被控制成在滿載時，使所述高壓氣瓶100的內(nèi)壁具有預定的切拉應 力和/或者切拉應變。[0062]下面將說明形成所述有效預應力鋼絲纏繞層102的方法。需要說明的是，對于 保護鋼絲纏繞層105、所述另一保護鋼絲纏繞層106均可以采用相同的纏繞方法來進行纏繞。[0063]需要說明的是，鋼絲104不但在高壓氣瓶100的母線為直線的部位(筒身處)處 纏繞，也同樣可以在母線為非直線的部位(兩端處)對高壓氣瓶100進行纏繞預緊，并達 到相同的應力要求。例如，對于纏繞在所述高壓氣瓶100上的非圓柱體部分的有效預應 力鋼絲纏繞層102內(nèi)的被纏繞鋼絲之間可以通過粘合劑粘接而固定。同樣地，對于保護 鋼絲纏繞層105、所述另一保護鋼絲纏繞層106均可以采用相同的纏繞方法來進行纏繞。[0064]通常，可以采用單條鋼絲來纏繞形成所述有效預應力鋼絲纏繞層102?？蛇x地， 在根據(jù)本實用新型的一個實施例中，所述有效預應力鋼絲纏繞層102可以通過將多條鋼 絲104焊接，且所述鋼絲104以預定的鋼絲預定額定值纏繞在所述內(nèi)膽101上，其中與焊 接接頭相鄰的第一圈鋼絲張力為所述鋼絲預定額定值的40 50%，與所述焊接接頭相鄰 的第二圈鋼絲張力為所述鋼絲預定額定值的60 70%，與所述焊接接頭相鄰的第三圈鋼 絲張力應達到鋼絲預定額定值，這是因為焊接之后焊接接頭處的張力降低，由此在焊接 接頭處需要降低其預應力張力，以防止在滿載的情況下，在焊接接頭處產(chǎn)生應力缺陷。 此外，纏繞過程中，兩卷鋼絲連接方式為焊接連接，焊接接頭強度可以大于母材強度的 30 80%。[0065]基于與上述相似的理由，在鋼絲纏繞的起始和結束位置處，也需要降低其中的 預應力張力。根據(jù)本實用新型的一個實施例，形成所述有效預應力鋼絲纏繞層102的鋼 絲104的第一圈和最后一圈的鋼絲預應力張力為鋼絲預定額定值的10-20%。鋼絲的起頭 和收頭處容易拉斷或者被拔出來，所以只需要施加很小的張力，否則容易出問題?？蛇x 地，可以采用現(xiàn)有的各種粘結方法，將鋼絲104的起頭固定在瓶膽101上，收頭固定在已 纏繞環(huán)氧樹脂玻璃絲布層或保護鋼絲纏繞層105、106上。但是，需要說明的是，不可在 瓶膽上鉆孔、套扣等機械連接來固定鋼絲起頭和收頭。[0066]根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述高壓氣瓶具有大致I形的形狀。[0067]下面將結合圖3、4來進一步描述本實用新型的高壓氣瓶的優(yōu)點。作為比較，本 實用新型采用與現(xiàn)有的高壓氣瓶100’相同的內(nèi)膽的高壓氣瓶100，即其材質為4130X， 壁厚為17.3mm，整體結構為I型瓶體。根據(jù)有限元分析計算，當外表纏繞了本實用新型 的有效預應力鋼絲纏繞層102和玻璃纖維樹脂保護層103以后，內(nèi)膽101能承受的工作 壓力可以超過30MPa，從而為提高高壓氣瓶100的工作壓力創(chuàng)造了有利的條件。在本實 用新型的一個實施例中，所述內(nèi)膽可以為鋼質內(nèi)膽，在制造過程中，對鋼質內(nèi)膽預先施 加預定的預壓應力，以保證在高壓氣瓶100滿載時不出現(xiàn)拉應力，改善了內(nèi)膽的受力狀態(tài)；預應力鋼絲纏繞層有很高的許用強度，在最大載荷作用下，鋼絲應力不但能很好地 滿足強度設計規(guī)范，且低于其蠕閾值，保證高壓氣瓶100在工作溫度低于80度時，不會 因為鋼絲松弛而影響氣瓶的預應力。[0068]從并行和串行結構的觀點看，所述預應力纏繞層屬并行結構，裂紋不可能在鋼 絲層上跨鋼絲而傳遞，因而完全消除高壓氣瓶在工作狀態(tài)下的突然爆裂的可能；玻璃纖 維保護層103無需施加預應力，可以僅起保護所述預應力鋼絲纏繞層102中的鋼絲外表面 不受損壞的作用。因此，總體來說，這種結構的鋼瓶可以起到提高系統(tǒng)壓力、從而起到 擴大應用范圍的作用。[0069]用設置預應力鋼絲纏繞層的辦法，提高內(nèi)膽103所承受的工作壓力值，可達 30MRi以上，從而擴大高壓氣瓶100的應用范圍。也可以在設置預應力鋼絲纏繞層的條 件下，采用耐腐蝕性的內(nèi)膽其他材質，達到同樣的效果。由此，與現(xiàn)有技術相比，在同 樣的結構材料的情況下，提高了所述高壓氣瓶100的最大工作載荷或系統(tǒng)壓力。[0070]進一步地，圖4顯示了根據(jù)本實用新型的另一個實施例的高壓氣瓶200的剖視 圖。該高壓氣瓶200主要用于說明在不增加工作壓力的情況下、根據(jù)本實用新型的高壓 氣瓶所帶來的優(yōu)點。即可以減少高壓氣瓶200的壁厚，從而進一步地降低所述高壓氣瓶 的制造成本。[0071]由于圖4中的高壓氣瓶200與圖3中所示的高壓氣瓶100的結構基本上相同，由 此，出于簡潔的目的，此處對其結構不再進行詳細說明。[0072]根據(jù)有限元分析計算，當外表纏繞了預應力纏繞層202和玻璃纖維樹脂保護層 203以后，內(nèi)膽201的原材料可以采用價格比較低廉的40Q 無縫鋼管，計算出的最小內(nèi)膽 壁厚可以為7.5 10.5mm。鋼絲層厚2 4mm。相對原有的產(chǎn)品而言，既可以減輕重 量，又可以改變材質，從而提供了較大的經(jīng)濟效益。[0073]根據(jù)本實用新型的具有預應力高強度鋼絲纏繞結構的高壓氣瓶，可以顯著地達 到以下的技術效果[0074]1、在原有鋼瓶材質、尺寸和厚度不變的前提下，通過增設預應力高強度鋼絲 層，可使鋼瓶所承受的工作壓力提高到30MRI以上，自重僅稍有增加，從而為提高高壓 流體的工作壓力找到了一種實用、簡便的結構；[0075]2、在額定工作壓力無需提高的情況下，通過增設預應力高強度鋼絲纏繞層，則 可以達到結構和受力狀態(tài)等強，減少內(nèi)膽的壁厚，減少材料用量的效果；[0076]3、由于等彈性模量值、高強度鋼絲預應力的并行結構與非預應力結構(玻璃纖 維、碳纖維)相比，具有更高的可靠性和耐疲勞能力，從而進一步消除了高壓氣瓶發(fā)生 突然炸裂的危險。還有可能采用普通合金無縫管40Cr取代高成本的無縫鋼管4130X制造 內(nèi)膽，將大大降低制造成本。[0077]本實用新型是一項能夠促進行業(yè)發(fā)展的創(chuàng)新技術，它將預應力高強度鋼絲纏繞 等強設計用于例如I型的氣瓶。目前，只在小尺寸氣瓶中采用了在合金鋼內(nèi)膽的外表面 纏繞玻璃纖維或者碳纖維加強層的方法，但纏繞時沒有施加足夠的預應力，且由于玻璃 纖維與碳纖維的彈性模量與鋼質內(nèi)膽相差太大，形成內(nèi)膽與預緊層相比而表現(xiàn)出剛度過 大，無法構成理想的預應力筒體結構。使該纏繞方法對氣瓶設計的改進僅達到了有限的 效果。而在本實用新型中，則是通過在內(nèi)膽外表面纏繞與內(nèi)膽等彈性模量值的高強鋼絲的辦法，從而使得技術上更為合理，工程上更為可行。并可改善內(nèi)膽的受力狀態(tài)，達到 結構等強和不同受力狀態(tài)等強，因而能進一步實現(xiàn)減輕重量、降低成本和防止氣瓶突然 爆裂的多種效果。[0078]在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示意性 實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或 示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本實用新型的至少一個實施例或示例 中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而 且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以 合適的方式結合。[0079]盡管已經(jīng)示出和描述了本實用新型的實施例，本領域的普通技術人員可以理 解在不脫離本實用新型的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修 改、替換和變型，本實用新型的范圍由權利要求及其等同物限定。
權利要求1.一種高壓氣瓶，所述高壓氣瓶用于儲運高壓流體，其特征在于，包括內(nèi)膽；以及有效預應力鋼絲纏繞層，所述有效預應力鋼絲纏繞層形成在所述內(nèi)膽的外表面上。
2.根據(jù)權利要求1所述的高壓氣瓶，其特征在于，所述有效預應力鋼絲纏繞層通過在 內(nèi)膽上以預定額定值張力纏繞鋼絲而形成，且所述預定額定值為在所述高壓氣瓶空載條 件和滿載條件下所述內(nèi)膽的各部位的計算應力相等的值。
3.根據(jù)權利要求1所述的高壓氣瓶，其特征在于，所述有效預應力鋼絲纏繞層通過在 內(nèi)膽上以預定額定值張力纏繞鋼絲而形成，且所述內(nèi)膽被施加以預壓應力，從而在空載 條件和滿載條件下使得所述內(nèi)膽的各部位的計算應力相等。
4.根據(jù)權利要求1所述的高壓氣瓶，其特征在于，用于形成所述內(nèi)膽和所述有效預應 力鋼絲纏繞層的材料的彈性模量相同。
5.根據(jù)權利要求1所述的高壓氣瓶，其特征在于，進一步包括玻璃纖維保護層，所述玻璃纖維保護層形成在所述有效預應力鋼絲纏繞層的外表面上。
6.根據(jù)權利要求5所述的高壓氣瓶，其特征在于， 條浸漬環(huán)氧樹脂而固化形成。
7.根據(jù)權利要求2所述的高壓氣瓶，其特征在于， 線以小于90度的預定角度纏繞在所述內(nèi)膽上。
8.根據(jù)權利要求7所述的高壓氣瓶，其特征在于， 螺旋線的螺距。
9.根據(jù)權利要求7所述的高壓氣瓶，其特征在于， 螺距。
10.根據(jù)權利要求1所述的高壓氣瓶，其特征在于，進一步包括保護鋼絲纏繞層，所述保護鋼絲纏繞層通過在所述有效預應力鋼絲纏繞層的外表面 纏繞鋼絲而形成，且所述保護鋼絲纏繞層的鋼絲張力為預定額定值的張力的10-80%。
11.根據(jù)權利要求10所述的高壓氣瓶，其特征在于，進一步包括玻璃纖維保護層，所述玻璃纖維保護層形成在所述保護鋼絲纏繞層的外表面上。
12.根據(jù)權利要求5或11所述的高壓氣瓶，其特征在于，所述玻璃纖維保護層上纏繞 有緊固所述玻璃纖維保護層的稀疏鋼絲。
13.根據(jù)權利要求1所述的高壓氣瓶，其特征在于，所述內(nèi)膽被施加以預定的預壓應 力，所述預壓應力被控制成在滿載時，使所述高壓氣瓶的內(nèi)壁具有預定的切拉應力。
14.根據(jù)權利要求1所述的高壓氣瓶，其特征在于，所述內(nèi)膽被施加以預定的預壓應 力，所述預壓應力被控制成在滿載時，使所述高壓氣瓶的內(nèi)壁具有預定的切拉應變。
15.根據(jù)權利要求2所述的高壓氣瓶，其特征在于，所述鋼絲的橫截面為帶圓角的矩 形、正方形、梯形或圓形。
16.根據(jù)權利要求2所述的高壓氣瓶，其特征在于，所述有效預應力鋼絲纏繞層通過 將多條鋼絲焊接，且所述鋼絲以預定額定值纏繞在所述內(nèi)膽上，其中與焊接接頭相鄰的 第一圈鋼絲張力為所述預定額定值的40 50%，與所述焊接接頭相鄰的第二圈鋼絲張力 為所述預定額定值的60 70%，與所述焊接接頭相鄰的第三圈鋼絲張力應達到所述預定2所述玻璃纖維保護層通過玻璃絲布 所述鋼絲相對于所述高壓氣瓶的母 所述鋼絲的導程等于或者小于所述 所述鋼絲的導程大于所述螺旋線的額定值。
17.根據(jù)權利要求16所述的高壓氣瓶，其特征在于，形成所述有效預應力鋼絲纏繞層 的第一圈和最后一圈的鋼絲預應力張力為所述預定額定值的10-20%。
18.根據(jù)權利要求1所述的高壓氣瓶，其特征在于，所述高壓氣瓶具有大致I形的形狀。
19.根據(jù)權利要求1所述的高壓氣瓶，其特征在于，纏繞在所述高壓氣瓶上的非圓柱 體部分的有效預應力鋼絲纏繞層內(nèi)的被纏繞鋼絲之間通過粘合劑粘接而固定。
專利摘要本實用新型提供了一種高壓氣瓶，所述高壓氣瓶用于儲運高壓流體。其結構包括內(nèi)膽以及有效預應力鋼絲纏繞層，所述有效預應力鋼絲纏繞層形成在所述內(nèi)膽的外表面上，所述有效預應力鋼絲纏繞層通過在內(nèi)膽上以預定額定值張力的鋼絲纏繞而形成，且所述預定額定值控制成在空載條件和滿載條件下使內(nèi)膽的各部位的計算應力相等。由于纏繞的鋼絲有很高的強度值和蠕變門檻值，保證了鋼絲層的強度，同時，由于鋼絲纏繞層和內(nèi)膽是等彈性模量材料組成的并行結構，不但提高了疲勞壽命，也消除了內(nèi)膽裂紋迅速擴展而使氣瓶突然爆裂的危險性。由此，所述高壓氣瓶能夠最大程度地減少材料的使用量，同時提高高壓氣瓶的安全性能。
文檔編號F17C1/06GK201810977SQ20102051435
公開日2011年4月27日 申請日期2010年8月31日 優(yōu)先權日2010年8月31日
發(fā)明者盧清萍, 張人佶, 洪詎 申請人:西安德威重型機電裝備有限責任公司