浅析40 MPa呼吸器用复合气瓶的设计、制造过程质量控制要点

摘 要：随着我国经济建设的快速发展，城市化和工业化进程不断加快，高层、大型复杂建筑越来越多，火灾规模越来越大，进入纵深越来越远，对呼吸器用复合气瓶[1]的使用时间，质量等要求也越来越高。

关键词：呼吸器 复合气瓶 质量 控制

中图分类号：TH49 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（b）-0216-01

目前，国外空气呼吸器普遍使用额定工作压力为20 MPa、30 MPa的复合气瓶，国内亦然。美国SCOTT公司与Luxfer Inc.气瓶公司共同研发，于2012年1月开发出了额定工作压力为5500 PSI（约38 MPa）的空气呼吸器用复合气瓶，获得了美国职业安全与卫生研究院（NIOSH）和美国消防协会（NFPA）认可。此气瓶外形轮廓减小了11%，重量减轻了15%，有效降低了使用者的疲劳感。

上海天海复合气瓶有限公司则是：在气瓶容积不变的前提下，通过提升气瓶的工作压力（40 MPa）来增加气瓶的储气量，从而有效增加使用时间。两者目的不同，但手段相同，都是通过提升气瓶的额定压力来达到目的。

1 40 MPa气瓶的设计过程质量控制要点

由于复合气瓶目前都需要采用专业的设计分析软件（如ANSYS）对气瓶进行分析计算，确定高压气瓶的应力载荷分布、复合层材料的厚度以及缠绕方式等，同时根据试验进一步验证理论设计的正确性，所以40 MPa气瓶的设计过程质量控制要点在于通过分析计算结果，选择适合的原材料、工艺方案及验证方式确保复合气瓶质量。

1.1 复合气瓶的结构

本文探讨的复合气瓶是由无缝铝合金内胆外表面采用碳纤维、玻璃纤维进行有序铺层缠绕而成的高压复合气瓶[2]。铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶，主要承载结构是由铝内胆和碳纤维缠绕层。

铝内胆外碳纤维缠绕层是由纵向缠绕纤维层和环向缠绕纤维层按优化设计铺层次序进行交替缠绕而成，玻璃纤维缠绕层及外层涂层作为保护碳纤维承载结构层的保护层。

1.2 40 MPa复合气瓶的工艺方案

（1）无缝铝合金内胆内胆合理的构形是气瓶设计的起点，设计时需要综合考虑性能、气瓶外形和工艺等要求。采用铝板拉伸成型的无缝，首先铝板拉伸形成杯状胚料，并通过多次拉伸成型铝合金内胆工艺技术，不同于铝锭冲压技术，该加工工艺能使铝板通过多次拉伸、均匀变薄，并对封头部分采用渐变后设计，提高铝合金内胆壁厚的均匀性及可控性。

（2）碳纤维缠绕层，高压碳纤维全缠绕复合气瓶是用碳纤维在外层进过优化铺层缠绕而成的复合气瓶，其中碳纤维的压力承载达到75%～95%。所以碳纤维的铺层设计尤为重要。碳纤维缠绕层不仅对气瓶的疲劳寿命及爆破压力有着巨大的影响，影响气瓶失效模式。

1.3 40 MPa复合气瓶的性能实验验证方式选择

铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶为金属材料和非金属材料共同组成，不能够通过简单的理论计算公式进行分析，对于此类气瓶一般都是采用试验导向型进行验证设计的符合性。

由于国内外市场还没有40 MPa高压力的铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶用于空气呼吸器的实例，同时国内亦没有空气呼吸器气瓶相关标准。为此，根据国际上相关产品标准ISO 11119-2-2002《复合结构气瓶 规范和试验方法第2部分：金属内胆承载全缠绕纤维增强复合气瓶》确定气瓶的主要参数及对产品的符合性、安全性进行验证实验项目[3]。

2 40 MPa复合气瓶制造过程质量控制要点

2.1 40 MPa复合气瓶内胆制造过程质量控制要点

（1）铝内胆成型工艺，铝合金内胆在整个复合气瓶结构中起密封作用。由于复合气瓶需要进行多次的充气放气过程（按照复合气瓶10～15年的使用寿命，平均每天2次充气放气，约7300～10000次），对气瓶内胆的壁厚度均匀性具有较高的要求。壁厚均匀性越好，对于使用寿命具有显著提高。

（2）热处理控制，无缝铝内胆制造过程中，需要进行固溶化热处理。在热处理过程中，要控制加热（升温）、保温、降温三个阶段。应当强调的是，在调质处理的淬火阶段和固溶处理的降温阶段，要有足够快的冷却速度。

2.2 40 MPa复合气瓶制造过程质量控制要点

（1）原材料控制，铝合金内胆和复合材料是40 MPa复合气瓶的最重要组成部分，40 MPa复合气瓶使用的复合材料包括碳纤维、玻璃纤维、环氧树脂、固化剂等。在制造过程中，原材料的控制直接决定着产品质量的好坏。所以一定要建立原材料的进厂检验规程及原材料的保存、发放领用、过期处理等程序。

（2）自紧/水压试验控制，水压试验是使用水对气瓶进行加压到试验压力，并保持试验压力一定的时间，最后卸去压力并观察气瓶膨胀量、变形量等数据的试验。

气瓶自紧是使用水对气瓶进行加压到自紧压力，并保持自紧压力一定的时间，使内胆充份膨胀产生塑性变形及产生屈服的试验。

（3）疲劳、爆破试验控制，疲劳试验是模拟气瓶在使用寿命期间，不断进行加压卸压的试验。以验证气瓶满足寿命要求。

爆破试验是通过不断对气瓶加压直至爆破，观察爆破数据以验证气瓶的安全性。

从通过自紧/水压试验合格的一批气瓶抽出气瓶做疲劳、爆破试验，理论上每一只气瓶的耐压性和寿命的差异性几乎不大。只有使用同一制造工艺，相同的材料才能使气瓶的水压数据保持在一个相同的区间。因此关注疲劳、爆破试验数据同样重要。

参考文献

[1] 国家标准.呼吸器用复合气瓶（GB28053-2011）[S].

[2] 企业标准.铝内胆碳纤维全缠绕呼吸器用高压复合气瓶（Q/JB THB0033-2012）[S].北京天海工业有限公司.

[3] Gas cylinders of composite construction-Specification and test methods -Part 2：Fully wrapped fiber reinforced composite gas cylinders with load-sharing metal liners.ISO 11119-2：2002[S].