專利名稱：纖維纏繞承壓設(shè)備預(yù)緊制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種纖維纏繞承壓設(shè)備預(yù)緊制造方法。
背景技術(shù)：
復(fù)合材料增強(qiáng)氣瓶包括金屬內(nèi)膽和纏繞在該金屬內(nèi)膽外的纏繞層。該纏繞 層可以釆用玻璃纖維、碳纖維、樹脂等材料，其承擔(dān)氣瓶內(nèi)氣體介質(zhì)的壓力。 該金屬內(nèi)膽為鋼、鋁合金等金屬材料，主要起密封作用，同時也承擔(dān)一定的內(nèi) 壓載荷。氣瓶纏繞完成后，要進(jìn)行預(yù)緊，目的是使氣瓶內(nèi)外層緊貼在一起，并 使金屬內(nèi)膽承受一定的壓應(yīng)力，改善金屬的受力狀態(tài)。
氣瓶現(xiàn)有的預(yù)緊方法主要有兩種，第一種是內(nèi)壓自增強(qiáng)預(yù)緊方法，第二種 是帶預(yù)緊力纏繞方法。
內(nèi)壓自增強(qiáng)預(yù)緊方法，是在氣瓶完成纏繞后，對氣瓶施加一個較大的壓力， 使金屬內(nèi)膽發(fā)生塑性變形，但由于外層的增強(qiáng)材料強(qiáng)度較高還保持彈性狀態(tài)， 卸壓后，彈性外層要恢復(fù)原來的形狀，而內(nèi)層金屬材料己屈服，無法回縮變形， 此時，金屬內(nèi)膽被纏繞層緊緊"箍住"，從而達(dá)到預(yù)緊的目的。所述的內(nèi)壓自增 強(qiáng)預(yù)緊方法，需要對所施加的自增強(qiáng)壓力的準(zhǔn)確性要求較高，由于金屬內(nèi)膽壁 厚的不均勻性、材料性能的不均勻性，很難保證產(chǎn)品個體內(nèi)的預(yù)緊效果的均勻 性，以及批量生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。并且，目前對氣瓶的承載能力要求越 來越高，對于工作壓力較高的氣瓶，所需的預(yù)緊壓力則更高，在預(yù)緊工藝的實 現(xiàn)及預(yù)緊壓力的控制上難度也就越大。
帶預(yù)緊力纏繞方法，是在對金屬內(nèi)膽進(jìn)行復(fù)合增強(qiáng)材料纏繞過程中，始終 保持纖維帶處于拉緊狀態(tài)，相當(dāng)于將金屬內(nèi)膽"勒緊"，以達(dá)到預(yù)緊的目的。顯 然，所述的帶預(yù)緊力纏繞方法對纏繞設(shè)備要求較高， 一方面要求設(shè)備抗彎、扭的能力較高，另一方面又要求纖維的拉緊力在纏繞過程中保持穩(wěn)定。另外，此 種方法產(chǎn)生的預(yù)緊效果有限，往往需要與上述內(nèi)壓自增強(qiáng)方法聯(lián)合使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，提供一種纖維纏繞承壓設(shè)備預(yù)緊制造方法，其是利用金 屬內(nèi)膽、纏繞層兩者的熱膨脹性能的差異，在纏繞過程中控制金屬內(nèi)膽的溫度， 使得纏繞完成后的氣瓶在正常工作溫度下，因不均勻熱脹冷縮而產(chǎn)生預(yù)緊。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是， 一種纖維纏繞承壓設(shè)備預(yù)緊 制造方法，該方法包括下列步驟步驟A:變化金屬內(nèi)膽的溫度，使其溫度偏 離設(shè)定溫度，該金屬內(nèi)膽由于溫度的變化而產(chǎn)生變形；步驟B:在該金屬內(nèi)膽 的變形狀態(tài)下對該金屬內(nèi)膽進(jìn)行纏繞，形成纏繞層；步驟C:將該金屬內(nèi)膽的 溫度恢復(fù)為設(shè)定溫度。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述步驟A包括當(dāng)所述纏繞層的熱膨脹系 數(shù)低于所述金屬內(nèi)膽時，將該金屬內(nèi)膽的溫度降低。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述步驟A包括當(dāng)所述纏繞層的熱膨脹系 數(shù)高于所述金屬內(nèi)膽時，將該金屬內(nèi)膽的溫度升高。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述步驟A還包括在所述金屬內(nèi)膽的溫度 變化而偏離該設(shè)定溫度后，將該金屬內(nèi)膽變化后的溫度保持在穩(wěn)定狀態(tài)。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述設(shè)定溫度為0'C至50'C。 在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述金屬內(nèi)膽降低后的溫度為-196X:至-10。C。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述金屬內(nèi)膽升高后的溫度為6(TC至20(TC。 在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述纖維纏繞承壓設(shè)備為氣瓶。 在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述金屬內(nèi)膽為鋁合金或鋼。 在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述纏繞層為纖維層，所述纖維層的材料為 玻璃纖維與樹脂的混合物，或碳纖維與樹脂的混合物。因此，本發(fā)明提出的溫差預(yù)緊制造方法的特點及優(yōu)點是-
1、 其是利用金屬內(nèi)膽、纖維增強(qiáng)外層(纏繞層)兩者的熱膨脹性能的差異， 在纏繞過程中控制金屬內(nèi)膽的溫度，使得纏繞完成后的氣瓶在正常工作溫度下， 因不均勻熱脹冷縮而產(chǎn)生預(yù)緊。
2、 其無需在纏繞過程中對纖維帶之類的纏繞層施加拉力，也無需在纏繞后 對金屬內(nèi)膽進(jìn)行內(nèi)壓預(yù)緊處理，降低了對纏繞設(shè)備剛度的要求，簡化了預(yù)應(yīng)力 自增強(qiáng)纖維纏繞承壓設(shè)備的制造工藝，提高了產(chǎn)品自增強(qiáng)效果的穩(wěn)定性。
3、 其可有效保證批量生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。由于同一牌號，但不同廠 家、不同爐號、不同批號、不同批次的熱處理的材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、 延伸率等機(jī)械性能指標(biāo)的分散性較大，但材料的熱膨脹系數(shù)相對穩(wěn)定；對于纖 維增強(qiáng)材料也是如此，物性參量的穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于機(jī)械性能的穩(wěn)定，所以，溫差 預(yù)緊可解決因材料性能的分散性導(dǎo)致的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性的問題。
4、 其可以改善內(nèi)壓自增強(qiáng)預(yù)緊方法的效果不均勻、難以精確控制的缺點， 熱脹冷縮是物質(zhì)的基本性質(zhì)，與結(jié)構(gòu)的壁厚、直徑、形狀無關(guān)，只要溫度降低(或 升高)，結(jié)構(gòu)就會產(chǎn)生均勻的收縮(或膨脹)，最終形成預(yù)期的均勻的預(yù)緊效果。
5、 其無需施加機(jī)械載荷，尤其適用于生產(chǎn)高規(guī)格(高壓、高強(qiáng)鋼、厚壁) 復(fù)合材料增強(qiáng)氣瓶。
具體實施例方式
為了對本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)說明本發(fā)明 的具體實施方式
。
本發(fā)明提出的纖維纏繞承壓設(shè)備預(yù)緊制造方法是利用金屬內(nèi)膽、纖維增強(qiáng) 外層(纏繞層)兩者的熱膨脹性能的差異，在纏繞過程中控制金屬內(nèi)膽的溫度， 使得纏繞完成后的氣瓶在正常工作溫度下，因不均勻熱脹冷縮而產(chǎn)生預(yù)緊。
具體而言，本發(fā)明提出的纖維纏繞承壓設(shè)備預(yù)緊制造方法包括下列步驟
步驟A:變化金屬內(nèi)膽的溫度，使其溫度偏離設(shè)定溫度，該金屬內(nèi)膽由于溫度的變化而產(chǎn)生變形；
步驟B:在該金屬內(nèi)膽的變形狀態(tài)下對該金屬內(nèi)膽進(jìn)行纏繞，形成纏繞層； 步驟C:將該金屬內(nèi)膽的溫度恢復(fù)為設(shè)定溫度。
其中，"變化金屬內(nèi)膽的溫度"包括對金屬內(nèi)膽進(jìn)行升溫或降溫處理，當(dāng)纏 繞纖維的熱膨脹系數(shù)高于金屬內(nèi)膽時， 一般采用升溫處理；當(dāng)纏繞纖維的熱膨 脹系數(shù)低于金屬內(nèi)膽時， 一般采用降溫處理。下面以兩種實施方式分別對降溫 和升溫處理的兩種情況進(jìn)行說明。
實施方式l
在本實施方式中，所述預(yù)緊制造方法的具體過程如下
將金屬內(nèi)膽的溫度降低，使其溫度低于設(shè)定溫度，該金屬內(nèi)膽由于溫度的 降低而收縮變形；所述設(shè)定溫度可以是常溫， 一般為0"C至50'C，該金屬內(nèi)膽 降低后的溫度(低溫)可為-196。C至-l(TC，而且最好是-4CTC;其中，將該金 屬內(nèi)膽降溫處理后，可將該金屬內(nèi)膽保持在穩(wěn)定的低溫狀態(tài)；
接著，在上述金屬內(nèi)膽的收縮狀態(tài)下對其進(jìn)行纏繞，在金屬內(nèi)膽外形成纏 繞層，所述纏繞層可為纖維層，而所述纖維層的材料可為碳纖維與樹脂的混合 物；較佳地，是在上述穩(wěn)定的低溫的環(huán)境下對上述金屬內(nèi)膽進(jìn)行纏繞；
之后，將該金屬內(nèi)膽的溫度恢復(fù)為設(shè)定溫度(常溫)，該金屬內(nèi)膽與纏繞層 均進(jìn)行熱膨脹，但外側(cè)的纏繞層的膨脹量較小，使金屬內(nèi)膽無法充分膨脹，從 而形成預(yù)緊狀態(tài)。
其中，所述的纖維纏繞承壓設(shè)備是氣瓶(例如是設(shè)計壓力47MPa的壓縮天 然氣氣瓶)或是其它合適的設(shè)備；金屬內(nèi)膽可為鋁合金或鋼等金屬材料，且纏 繞纖維的熱膨脹系數(shù)低于金屬內(nèi)膽。
實施方式2
在本實施方式中，所述預(yù)緊制造方法的具體過程如下 將金屬內(nèi)膽的溫度升高，使其溫度高于設(shè)定溫度，該金屬內(nèi)膽由于溫度的升高而膨脹變形；所述設(shè)定溫度同樣可以是常溫， 一般為0'C至5(TC，該金屬 內(nèi)膽升高后的溫度(高溫)可為60'C至200°C，且最好是150°C;其中，在該 金屬內(nèi)膽升溫處理后，可將該金屬內(nèi)膽保持在穩(wěn)定的高溫狀態(tài)下；
接著，在上述金屬內(nèi)膽的膨脹狀態(tài)下對其進(jìn)行纏繞，在金屬內(nèi)膽外形成纏 繞層，所述纏繞層為玻璃纖維與樹脂的混合物，較佳地，是在上述穩(wěn)定的高溫 的環(huán)境下對上述金屬內(nèi)膽進(jìn)行纏繞；
之后，將該金屬內(nèi)膽的溫度恢復(fù)為設(shè)定溫度，該金屬內(nèi)膽與纏繞層均進(jìn)行 冷收縮，但外側(cè)的纏繞層的收縮量較大，從而使金屬內(nèi)膽形成預(yù)緊狀態(tài)。
本實施方式中的纖維纏繞承壓設(shè)備可例如是設(shè)計壓力25MPa的壓縮天然氣 氣瓶。
本實施方式中是充分利用金屬內(nèi)膽與纏繞纖維的膨脹性能的顯著差異，通 過金屬內(nèi)膽與纏繞纖維層的協(xié)調(diào)變形使金屬內(nèi)膽產(chǎn)生壓應(yīng)力，以此形成預(yù)緊狀 態(tài)。
進(jìn)一步而言，上述金屬內(nèi)膽遇熱進(jìn)行了熱膨脹，在金屬內(nèi)膽的熱膨脹狀態(tài) 下，纏繞纖維對金屬內(nèi)膽進(jìn)行纏繞，此時纏繞纖維遇到金屬內(nèi)膽的高溫外表面， 也同樣進(jìn)行熱膨脹，當(dāng)纏繞纖維纏繞金屬內(nèi)膽后，恢復(fù)設(shè)定溫度，金屬內(nèi)膽與 纏繞纖維同樣進(jìn)行冷收縮，而由于纏繞纖維的熱膨脹系數(shù)高于金屬內(nèi)膽，使得 金屬內(nèi)膽最終形成預(yù)緊狀態(tài)。
本實施方式的其他結(jié)構(gòu)、工作原理和有益效果與實施方式l的相同，在此 不再贅述。
以上所述僅為本發(fā)明示意性的具體實施方式
，并非用以限定本發(fā)明的范圍。 任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和原則的前提下所作出的等同 變化與修改，均應(yīng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1、一種纖維纏繞承壓設(shè)備預(yù)緊制造方法，其特征在于，該方法包括下列步驟步驟A變化金屬內(nèi)膽的溫度，使其溫度偏離設(shè)定溫度，該金屬內(nèi)膽由于溫度的變化而產(chǎn)生變形；步驟B在該金屬內(nèi)膽的變形狀態(tài)下對該金屬內(nèi)膽進(jìn)行纏繞，形成纏繞層；步驟C將該金屬內(nèi)膽的溫度恢復(fù)為設(shè)定溫度。
2、 如權(quán)利要求1所述的纖維纏繞承壓設(shè)備預(yù)緊制造方法，其特征在于，所 述步驟A包括當(dāng)所述纏繞層的熱膨脹系數(shù)低于所述金屬內(nèi)膽時，將該金屬內(nèi) 膽的溫度降低。
3、 如權(quán)利要求1所述的纖維纏繞承壓設(shè)備預(yù)緊制造方法，其特征在于，所 述步驟A包括當(dāng)所述纏繞層的熱膨脹系數(shù)高于所述金屬內(nèi)膽時，將該金屬內(nèi) 膽的溫度升高。
4、 如權(quán)利要求1所述的纖維纏繞承壓設(shè)備預(yù)緊制造方法，其特征在于所 述步驟A還包括在所述金屬內(nèi)膽的溫度變化而偏離該設(shè)定溫度后，將該金屬 內(nèi)膽變化后的溫度保持在穩(wěn)定狀態(tài)。
5、 如權(quán)利要求1-4任一項所述的纖維纏繞承壓設(shè)備預(yù)緊制造方法，其特征在于所述設(shè)定溫度為0'C至50'C。
6、 如權(quán)利要求2所述的纖維纏繞承壓設(shè)備預(yù)緊制造方法，其特征在于所述金屬內(nèi)膽降低后的溫度為-i96。c至-icrc。
7、 如權(quán)利要求3所述的纖維纏繞承壓設(shè)備預(yù)緊制造方法，其特征在于所述金屬內(nèi)膽升高后的溫度為60'C至200°C 。
8、 如權(quán)利要求1-4任一項所述的纖維纏繞承壓設(shè)備預(yù)緊制造方法，其特征在于所述纖維纏繞承壓設(shè)備為氣瓶。
9、 如權(quán)利要求l-4任一項所述的纖維纏繞承壓設(shè)備預(yù)緊制造方法，其特征在于所述金屬內(nèi)膽為鋁合金或鋼。
10、如權(quán)利要求1所述的纖維纏繞承壓設(shè)備預(yù)緊制造方法，其特征在于 所述纏繞層為纖維層，所述纖維層的材料為玻璃纖維與樹脂的混合物，或碳纖 維與樹脂的混合物。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種纖維纏繞承壓設(shè)備預(yù)緊制造方法，該方法包括下列步驟步驟A變化金屬內(nèi)膽的溫度，使其溫度偏離設(shè)定溫度，該金屬內(nèi)膽由于溫度的變化而產(chǎn)生變形；步驟B在該金屬內(nèi)膽的變形狀態(tài)下對該金屬內(nèi)膽進(jìn)行纏繞，形成纏繞層；步驟C將該金屬內(nèi)膽的溫度恢復(fù)為設(shè)定溫度。本發(fā)明利用金屬內(nèi)膽與纏繞纖維的膨脹性能的顯著差異，通過金屬內(nèi)膽與纏繞纖維層的協(xié)調(diào)變形使金屬內(nèi)膽產(chǎn)生壓應(yīng)力，以此形成預(yù)緊狀態(tài)。因此，本發(fā)明無需在纏繞過程中對纖維帶之類的纏繞層施加拉力，也無需在纏繞后對金屬內(nèi)膽進(jìn)行內(nèi)壓預(yù)緊處理，降低了對纏繞設(shè)備剛度的要求，簡化了預(yù)應(yīng)力自增強(qiáng)纖維纏繞承壓設(shè)備的制造工藝，提高了產(chǎn)品自增強(qiáng)效果的穩(wěn)定性。
文檔編號F17C1/00GK101451648SQ200710178419
公開日2009年6月10日 申請日期2007年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月30日
發(fā)明者亮 孫, 壽比南, 彤 徐, 楊國義, 琳 梁, 森 葛 申請人:中國特種設(shè)備檢測研究院