專利名稱：高壓氣瓶的制作方法
技術領域：
本發明涉及高壓容器，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：
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 用合金無縫鋼管經旋壓和調質處理而制成的、整體結構的無縫容器。滿載時，其內表面承受 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。一旦產生裂紋，裂紋失穩擴張的速度很快，無法控制就會爆裂，由此會導致 非常嚴重的危險事故。因而目前的產品都采用加大安全系數的設計方法，導致該類氣瓶存 在自重很大、存儲效率較低的缺點。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節都有嚴格 的要求。目前，對于高壓氣瓶已經出臺相關的國際標準，例如IS011119、IS011120等。行業 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，經兩端旋壓成形、整體調質處理、加工瓶口螺 紋、清除內外表面銹蝕物、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 維和環氧樹脂的混合物，從而形成一個保護層殼，但纏繞時不可以施加較大的預應力。這可 以對氣瓶內膽形成一定程度的加強和保護，可以緩沖內膽的爆裂。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 金內膽或者高強度塑料內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，經過此類工藝處理的高壓 氣瓶的成本極其昂貴。例如，圖1顯示了現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，在空載狀態下，內膽101，不受力。該高壓氣瓶100，在滿載時，內膽101，的 內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25MPa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。
圖2顯示了另一現有的高壓氣瓶100”，所述高壓氣瓶100”包括內膽101” ；以及 纏繞在內膽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。內膽101”也由優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，僅起到內膽101”的約束、增強和保護的作用。據此計算出的內膽最小壁 厚為7. Imm,玻璃纖維樹脂層厚度為10mm。隨著人類社會對天然氣的需求不斷擴大，隨著該行業的日益快速發展，對能承受 更大的工作壓力的大型氣瓶的需求也在增長。
發明內容
有鑒于此，本發明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。根據本發明的一方面，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膽的外 表面上。根據本發明的一個實施例，所述有效預應力鋼絲纏繞層通過在內膽上以預定額定 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得所述內 膽的各部位的計算應力大體相等。根據本發明的一個實施例，所述有效預應力鋼絲纏繞層層通過在內膽上以預定額 定值張力的鋼絲纏繞而形成，且所述內膽被施加以預壓應力，從而在空載條件和滿載條件 下使得所述內膽的各部位的計算應力大體相等。根據本發明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30MPa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；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等強，減少內膽的壁厚，減少材料用量的效果；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 膽，將大大降低制造成本。另外，根據本發明的高壓氣瓶還具有如下附加技術特征根據本發明的一個實施例，用于形成所述內膽和所述有效預應力鋼絲纏繞層的材 料的彈性模量大致相同。根據本發明的一個實施例，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。根據本發明的一個實施例，所述玻璃纖維保護層通過玻璃絲布條浸漬環氧樹脂而 固化形成。根據本發明的一個實施例，所述鋼絲由含碳量超過0. 60%的低合金鋼或碳鋼所制
5成。根據本發明的一個實施例，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膽上。根據本發明的一個實施例，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。根據本發明的一個實施例，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%。根據本發明的一個實施例，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。預定額定值根據本發明的一個實施例，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。根據本發明的一個實施例，所述內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。根據本發明的一個實施例，所述鋼絲的橫截面為帶圓角的矩形、正方形、梯形或圓 形。根據本發明的一個實施例，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。根據本發明的一個實施例，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%。根據本發明的一個實施例，所述高壓氣瓶具有大致I形的形狀。根據本發明的一個實施例，纏繞在所述高壓氣瓶上的非圓柱體部分的有效預應力 鋼絲纏繞層內的被纏繞鋼絲之間通過粘合劑粘接而固定。本發明的附加方面和優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，或通過本發明的實踐了解到。
本發明的上述和/或附加的方面和優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，其中圖1顯示了現有整體結構的大型高壓氣瓶的剖視圖；圖2顯示了另一現有玻璃纖維樹脂纏繞結構的中小型高壓氣瓶的剖視圖；圖3顯示了根據本發明的一個實施例的高壓氣瓶的剖視圖；圖4顯示了根據本發明的另一個實施例的高壓氣瓶的剖視圖；圖5顯示了根據本發明的一個實施例的高壓氣瓶的鋼絲纏繞示意圖；以及圖6顯示了根據本發明的一個實施例的高壓氣瓶的部分截面剖視圖。
具體實施例方式下面詳細描述本發明的實施例，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，僅用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。在本發明的描述中，術語“內側”、“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發明而 不是要求本發明必須以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。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，本發明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發明的保護范圍。本發明的高壓氣瓶的保護 范圍由所附權利要求進行限定。本發明的發明構思如下。提出了一種在鋼質氣瓶內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。該高壓氣瓶的內膽在空載情況下，要承受鋼絲層施加的預定的內壁切向 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，內膽內壁的切向應力值雖有增加，但仍在允許范圍內；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。下面將參照附圖來說明根據本發明的一個實施例的高壓氣瓶100，其中圖3顯示 了根據本發明的一個實施例的高壓氣瓶100的剖視圖，圖4顯示了根據本發明的另一個實 施例的高壓氣瓶200的剖視圖，圖5顯示了根據本發明的一個實施例的高壓氣瓶100的鋼 絲104的纏繞示意圖，圖6顯示了根據本發明的一個實施例的高壓氣瓶100的部分截面剖 視圖。如圖3中所示，所述高壓氣瓶100包括內膽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纏繞在所述內膽101的外表面上。所述預應力纏繞層 102通過在內膽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膽的各部位的計算應力大體相等。圖3中示出了所述內膽101的三向應力，根據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彳O1- )2+O2-σ3)2+(1 )其中0l、02、03分別為三向主應力。在本發明中，需要將計算應力在滿載和空載 的情況下均實現等強設計，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。由此，在本發明的高壓氣瓶100中，通過改善所述高壓氣瓶100的內膽101以及有 效預應力鋼絲纏繞層102的受力狀態，從而可以從根本上改善高壓氣瓶的受力狀態，并達到高壓氣瓶內部的等強設計。根據本發明的一個實施例，用于形成所述內膽101和所述有 效預應力鋼絲纏繞層102的材料的彈性模量大致相同，從而可以保證預應力纏繞層102和 內膽101之間變形的一致性和連續性。采用多層、等彈性模量纏繞層的并行結構、完全消除 了內膽101裂紋迅速擴展而造成的爆裂，由此可設計出結構新穎、實用經濟的新型鋼瓶。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。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。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。根據本發明的一個實施例，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膽101上。根據本發明的一個實施例，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。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。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%。根據本發明的一個實施例，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。根據本發明的一個實施例，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%。由此，通過在內膽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膽101爆裂的可能性，由此設 計出結構新穎、實用經濟的新型鋼瓶。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。根據本發明的一個實施例，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，在浸漬環氧樹脂的玻璃絲布外表面上，當環氧樹脂尚未固化 時，用大導程稀疏纏繞鋼絲以緊固環氧樹脂玻璃絲布層，大導程稀疏纏繞鋼絲用環氧樹脂 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。根據本發明的一個實施例，所述內膽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的內壁具有預定的切拉應力和/或 者切拉應變。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。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。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。可選地，在 根據本發明的一個實施例中，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%。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。根據本發明的一個實施例，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。可選地，可以采用 現有的各種粘結方法，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。根據本發明的一個實施例，所述高壓氣瓶具有大致I形的形狀。下面將結合圖3、4來進一步描述本發明的高壓氣瓶的優點。作為比較，本發明采 用與現有的高壓氣瓶100’相同的內膽的高壓氣瓶100，即其材質為4130X，壁厚為17. 3mm, 整體結構為I型瓶體。根據有限元分析計算，當外表纏繞了本發明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的工作壓力創造了有利的條件。在本發明的一個實施例中，所述內膽 可以為鋼質內膽，在制造過程中，對鋼質內膽預先施加預定的預壓應力，以保證在高壓氣瓶 100滿載時不出現拉應力，改善了內膽的受力狀態；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。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壓力、從而起到擴大應用 范圍的作用。
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用設置預應力鋼絲纏繞層的辦法，提高內膽103所承受的工作壓力值，可達30MPa 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 耐腐蝕性的內膽其他材質，達到同樣的效果。由此，與現有技術相比，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壓力。進一步地，圖4顯示了根據本發明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、根據本發明的高壓氣瓶所帶來的 優點。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。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。根據有限元分析計算，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，內膽201的原材料可以采用價格比較低廉的40Cr無縫鋼管，計算出的最小內膽壁 厚可以為7. 5 10. 5mm。鋼絲層厚2 4mm。相對原有的產品而言，既可以減輕重量，又可 以改變材質，從而提供了較大的經濟效益。根據本發明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30MPa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；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等強，減少內膽的壁厚，減少材料用量的效果；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制造內膽， 將大大降低制造成本。本發明是一項能夠促進行業發展的創新技術，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膽相差太大，形成內膽與預緊層相比而表現出剛度過大，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。而在本發 明中，則是通過在內膽外表面纏繞與內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。并可改善內膽的受力狀態，達到結構等強和不同受力狀態等 強，因而能進一步實現減輕重量、降低成本和防止氣瓶突然爆裂的多種效果。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發明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。盡管已經示出和描述了本發明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解在不 脫離本發明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，本發明的范圍由權利要求及其等同物限定。
權利要求
一種高壓氣瓶，所述高壓氣瓶用于儲運高壓流體，包括內膽；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膽的外表面上。
2.根據權利要求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，且所述預定額定值控制成在空載條件和滿載條 件下使得所述內膽的各部位的計算應力大體相等。
3.根據權利要求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 內膽上以預定額定值張力纏繞鋼絲而形成，且所述內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膽的各部位的計算應力大體相等。
4.根據權利要求1所述的高壓氣瓶，其特征在于，用于形成所述內膽和所述有效預應 力鋼絲纏繞層的材料的彈性模量大致相同。
5.根據權利要求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.根據權利要求5所述的高壓氣瓶，其特征在于，所述玻璃纖維保護層通過玻璃絲布 條浸漬環氧樹脂而固化形成。
7.根據權利要求2所述的高壓氣瓶，其特征在于，所述鋼絲由含碳量超過0.60%的低 合金鋼或碳鋼所制成。
8.根據權利要求7所述的高壓氣瓶，其特征在于，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膽上。
9.根據權利要求8所述的高壓氣瓶，其特征在于，所述鋼絲的導程等于或者小于所述 螺旋線的螺距。
10.根據權利要求8所述的高壓氣瓶，其特征在于，所述鋼絲的導程大于所述螺旋線的螺距。
11.根據權利要求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%。
12.根據權利要求11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。
13.根據權利要求5或12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 稀疏鋼絲，以進一步緊固所述玻璃纖維保護層。
14.根據權利要求1所述的高壓氣瓶，其特征在于，所述內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壁具有預定的切拉應力。
15.根據權利要求1所述的高壓氣瓶，其特征在于，所述內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壁具有預定的切拉應變。
16.根據權利要求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。
17.根據權利要求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。
18.根據權利要求17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%。
19.根據權利要求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。
20.根據權利要求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的被纏繞鋼絲之間通過粘合劑粘接而固定。
全文摘要
本發明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纏繞在所述內膽的外表面上，所述有效預應力鋼絲纏繞層通過在內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膽的各部位的計算應力大體相等。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F17C1/06GK101936452SQ20101027069
公開日2011年1月5日 申請日期2010年8月31日 優先權日2010年8月31日
發明者盧清萍, 張人佶, 洪詎 申請人:西安德威重型機電裝備有限責任公司