压力容器的材料及制作工艺

压力容器是指要承受储存介质产生的均匀内压的容器（如储气罐）或承受均匀外部载荷的容器（如真空罐或潜水容器）。压力容器在汽车、食品、制药、化工、医疗卫生等行业的储液（气）、供液（气）等系统中应用很广。

压力容器的基本结构由桶体（外壳及内衬）、端盖（又称封头）、进出储存介质的接口（又称接嘴、接尾）等部分组成。

按容器壁厚可分为薄壁容器及厚壁容器；按空间布局可分为立式或卧式结构；按储存介质状态可分为储液罐或储气罐等；按结构形式可分为平端封帽及半圆球形封帽，密封式、封闭式、敞口式，有内衬及无内衬，不同形式的对外接口件等结构；按容器形状可分为圆柱形，方箱形、圆锥形、球形、环形；按承受负荷的持续性可分为长期承载（恒定或变化）及间歇式承载等。

1.压力容器的性能指标

压力容器是使用性能要求很严格的制品，它在长期内压（或外压）负载下工作，必须具有足够的抗爆破强度、抗蠕变、抗疲劳、耐环境应力开裂、抗弹击等力学性能，且必须具有气密性（阻渗漏），不延续燃烧、耐腐蚀、耐候等特性。因此，国家针对压力容器的性能指标，检测项目及试验方法都制订了标准和法规。压力容器的性能及试验项目可分为如下两部分。

（1）常规性能 每只容器都要进行下列项目的常规检验：

1）容器的质量、外径测量。

2）容器的体积测量。

3）在30.0MPa气压下进行水压检验，同时测定容器的体积变形率。

4）水压检验合格后，在20.0MPa气压下进行气密性检验。

5）从经过上述各项检验合格的容器中，每批抽出不少于两个容器进行水压疲劳试验。从0～20.0MPa为一循环，疲劳次数达到800次后，进行水压爆破试验。

6）水压爆破试验合格后的容器，还需进行玻璃钢中树脂含量和粘结剂固化度的测定。

（2）特殊环境条件试验 从经过各项常规检验合格的容器中，随机抽取1～2只，依次进行各项环境条件试验，以考核综合环境条件对容器性能的影响。

进行特殊环境条件试验时，容器内一律充装20.0MPa的压缩空气。

各项环境条件试验的顺序、项目、条件及结果见表17-87。

（3）环境试验结果 经过高温、低温、温度冲击、温-湿试验水平冲击、垂直冲击、耐振强度等六项试验后的容器，进行水压爆破试验，加压至114.0MPa，因受试压泵额定压力的限制，未能爆破。

表17-87 环境条件试验的顺序、项目、条件及结果

2.玻璃钢压力容器

塑料压力容器常为增强塑料制品。热塑性增强塑料常用于滚塑成型加工承内压较小的低压容器。工业上用的压力容器主要采用连续纤维为增强材料和热固性树脂为基材组成的缠绕成型制品，又称玻璃钢压力容器或GFRP储罐。它既有立式，卧式的圆筒形罐，也有球形储罐（力学性能最好）等，可用于储存酸、碱、盐溶液，以及各类溶剂、燃料油及各类压缩气体等；既可作运输储运容器，也可作地面，地下储存罐等。目前，工业用罐直径可达15m以上，容积可达250m³以上。

（1）玻璃钢压力容器的结构及用料 玻璃钢压力容器的常用材料由连续增强纤维及热固性树脂组成。连续增强纤维料有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、UHMWPE纤维等。目前，一般工业用压力容器主要采用GFRP，而碳纤维等高性能纤维主要用作耐高温等特殊性能容器。缠绕容器用的玻璃纤维常用高强度级无捻粗纱（如S71-4无捻纱8-80/20等）。(www.xing528.com)

基体材料以环氧树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂等为主，一般的采用不饱和聚酯，高性能的采用环氧树脂，军用耐热、耐烧蚀、耐高温的容器采用酚醛树脂。

玻璃纤维与树脂的物性应相容、浸渍性好，粘结强度高，且固化工艺与制品大小的适应性好，如大型制品，能采用常温固化配方。

树脂配方料与纤维组成的复合材料的力学性能应达到设计值要求。可采用将复合料制成单向纤维板试样，再测试其力学性能的方法测定其指标值。

内衬是用于容器内壁的薄壳材料，具有提高容器气密性，防止储存介质在内压下渗漏，提高耐蚀性及抗疲劳性等作用。常用内衬材料有铝合金、橡胶、PVC、PE等。其中，铝材的上述性能好，且还具有延展性、焊接性（氩弧焊），可用纯铝材作桶体及端盖内衬，用铝合金作进出口接嘴部位内衬，两者焊接成一体后可代替缠制模芯直接进行缠绕加工。国外还常用铝、不锈钢和钛合金制成整体厚壁内衬，以提高抗疲劳性能。橡胶及塑料内衬气密性和耐蚀性好，橡胶内衬的弹性好，工艺简单，但强度低，容器抗疲劳性不及铝内衬，且必须覆于模芯上才能缠绕。

端盖（封头）可分为整体式或分体式两种。整体式端盖是采用与筒体一样的材料直接缠绕成整体的但这种结构要求两端端盖开口设在容器的中心，且尺寸相同为宜。分体式端盖为桶体与端盖各自分别制作后再采用粘结剂直接粘接成一体的结构，其端盖可按需选择金属或塑料等适应的材料制作。

（2）玻璃钢压力容器的性能、结构及缠绕工艺举例

1）容器性能要求。储存压缩空气内压200MPa（即工作压力），常温爆破压力>1000MPa；容积（4.4±0.2）L；质量<4.5kg；最大允许外径（86±1）mm；在200MPa压力下疲劳次数大于800次。

容器经高温、低温、恒温、恒湿、水平冲击、垂直冲击、振动等项目试验后，常温爆破强度>80MPa，充装200MPa压缩空气后，弹击破坏时应无杀伤性弹片产生，无延续性燃烧。

2）配方料。压力容器配方料应根据压力容器的强度设计值选用适当的增强材料及树脂，且配方料采用缠绕方法制作单向纤维样板，经性能测定认可后才能用作容器生产用料。选用的材料规格，品种及性能指标见表17-88。

表17-88 压力容器配方料的性能

3）内衬。采用1.5mm厚两向变形率较一致的含钛铝板，用低电压小电流氩弧焊焊成整体，其外径公差在0.5mm以下。

内衬是保证容器疲劳强度及气密性的重要组件，国外常采用铝、不锈钢或钛合金厚板整体结构。由于这种材料缺乏，如果耐内压强度允许，也可采用焊接结构内衬。但必须严格控制焊接质量，尤其在筒体与端盖焊接处及接嘴等焊接部位要尽量缩小热变形区，降低内应力及应力集中，减少合金成分损失，防止组织疏松，性能变脆，以保证疲劳次数和气密性。

4）缠绕工艺。缠绕工艺是保证容器质量的重要工艺。缠绕时根据强度计算确定纵、环向缠绕层数、进行纵、环向交错缠绕、纵向和环向每次缠绕层数都为双数，速比为21∶5，缠绕角为21°40′，纤维在容器头部包角为167°25′，纤维在筒体段进角为588°35′，缠绕张力从内衬层向容器外层逐层递减，保证整个容器壁厚受到相等的预应力，在内压作用下可使容器所有纤维受到相等的载荷，以利于充分发挥增强材料的整体强度，否则局部纤维超载破坏，则不能发挥整体材料的作用。

另外，在纤维交叉排列时，必须防止纤维重叠架空现象，尤其在接嘴、接尾处更应注意。当容器受内压作用时，内衬会挤入“空穴”中导致内衬局部变形增大，应力集中成为疲劳敏感区，引发疲劳破坏。

增强纤维缠制成压力容器后，其纤维强度明显低于胶纤中的纤维强度和单向板试样或应力环试样的纤维强度，且纵向纤维的抗破坏应力也明显低于环向纤维抗破坏应力，一般前者仅为后者的75%～80%，尤于在端盖开孔处及筒体直线段与端盖交接曲面处更明显。因此，要采取加强措施，如使两端盖尺寸及板孔尺寸尽量一致、扩大纵向缠绕循环板孔、防止缠绕时发生滑线等。如果两板孔直径不一致，可先作两小尺寸板孔，缠制后再将另一板孔加工成大尺寸板孔。

缠绕时还采用了分层固化工艺，即绕一定厚度后经固化后再绕下一层，可保证容器整体壁厚方向含胶量均匀，同时可使纤维、树脂、内衬充分粘合成整体，可发挥整体抗爆破强度。

采用上述工艺制作的容器强度特性参数达1.54×10⁶cm，国外玻璃纤维/环氧树脂容器强度特性参数可达（2.5×2.7）×10⁶cm，故尚有差距（容器强度特性=容器的破坏压力×有效容积/复合材料质量，是国外常用于评价复合材料容器强度特性，反映复合材料比强度的指标）。

5）容器性能指标。采用上述配方及工艺制作的容器爆破强度>100MPa，疲劳次数>800次，其质量、容积、外径及安装尺寸符合设计标准，且经高温、低温、温度冲击、温湿、水平冲击、垂直冲击、耐振强度等试验后爆破强度仍>80MPa。工作状态中，经20～23mm直径弹击后无杀伤性碎片，无延续性燃烧，完全满足了设计和使用性能要求。