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IV储氢气瓶疲劳泄漏失效,应该从哪几个方面分析呢?

3天前浏览45

材料方面

 

本身质量问题:内胆塑料材质如果存在杂质、不均匀等情况,其内部结构的薄弱点在反复水压疲劳产生的应力作用下,容易率先出现开裂现象(任何失效都是先从最薄弱的位置开始,不存在例外)。


材料老化:长时间存放或者使用前经历了不良环境,致使塑料发生老化,韧性等性能下降(也可以理解为提升韧性对疲劳有增益作用),难以承受疲劳试验中的应力变化而开裂。

 

工艺制造因素

 

成型缺陷:在制造内胆时,如注塑、吹塑、滚塑等工艺环节存在问题,像脱模不当造成局部拉伤、壁厚不均匀等,不均匀处应力集中,经过多次水压疲劳后就容易开裂(主要还是消除工艺问题,同时要对内胆退火,减少残余应力)


粘结问题:如果内胆与外层复合材料的粘结工艺不佳,在水压疲劳过程中,内胆受力不均,也可能引发开裂(我一直是保留这个粘接的观点。但是只要粘接不均匀,那么脱粘的位置便是薄弱点,主要在封头部位)。

 

试验条件影响

 

水压参数不合理:水压的压力幅值、频率等设置不当,比如压力过大、频率过快,超出内胆塑料所能承受的疲劳极限,会加速其开裂(这个主要有标准,但是也别太快)。


温度影响:试验环境温度不合适,若温度过低,塑料会变脆,韧性降低,在水压疲劳作用下更易开裂(韧性下降对疲劳特别不利)。

 

结构设计因素

 

形状设计缺陷:内胆的形状如果存在结构上的不合理,比如有尖锐转角等,会导致应力集中,在水压疲劳过程中,这些部位就容易率先出现开裂情况(一定要减少应力集中位置,并对其进行补强)。

来源:气瓶设计的小工程师
疲劳复合材料材料试验
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2025-01-08
最近编辑:3天前
气瓶设计的小攻城狮
硕士 从事IV储氢气瓶行业。
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《高压复合氢气罐设计系数指南》与《车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶》对比分析

《高压复合氢气罐设计系数指南》与《车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶》对比分析1. 应用范围《高压复合氢气罐设计系数指南》 涵盖固定式(如储存)和运输式氢气罐,但明确指出不包括车载燃料罐。适用于氢气储存、运输等环节中的相关储罐设计。《车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶》专门针对车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶,适用于设计和制造公称工作压力35MPa和70MPa、公称容积大于或等于20L且不大于450L、工作温度不低于 - 40℃且不高于85℃、固定在机动车辆上用于盛装氢气燃料的可重复充装气瓶。同时提到氢燃料电池城市轨道交通、氢能船舶、氢能飞行器、氢能发电装置等供氢用气瓶可参照本文件。2. 设计系数相关《高压复合氢气罐设计系数指南》短期爆破压力设计系数运输罐:全缠绕罐爆破压力≥3.0倍工作压力;环缠绕罐≥2.5倍工作压力。固定式储罐:全缠绕罐爆破压力≥2.4倍最大允许工作压力(MAWP);环缠绕罐≥2.0倍MAWP。长期应力断裂设计系数基于15年设计寿命,纤维应力比需满足一定要求,且研发后标准将进一步优化,考虑通过加速测试确定应力比,使设计更灵活,能适应不同纤维材料和设计寿命要求。《车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶》纤维应力比:根据气瓶类别(A类、B类)和具体型号(A1、A2、B1、B2类)规定了不同的纤维应力比要求,例如A类气瓶中A1类和A2类的纤维应力比分别≥2.30和≥2.25;B类气瓶中B1类和B2类的纤维应力比分别≥2.30和≥2.00。最小设计爆破压力:同样按气瓶类别和型号规定,如A类气瓶中A1类和A2类的最小设计爆破压力分别≥2.30P(P为公称工作压力)和≥2.25P;B类气瓶中B1类和B2类的最小设计爆破压力分别≥2.30P和≥2.00P。3. 材料要求《高压复合氢气罐设计系数指南》未详细涉及材料的具体类型和性能指标,仅从设计系数角度考虑对材料的要求,重点关注材料在不同工况下的应力表现以及与设计系数的关系,如纤维应力比等概念体现了对纤维材料性能在设计中的考量。《车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶》内胆材料:明确规定塑料内胆材料宜选用聚乙烯(包括改性聚乙烯)或聚酰胺(包括改性聚酰胺),并对其熔融峰温、熔体流动速率(粒状时)、表观密度和粉体流动性(粉状时)等性能指标提出要求,同时规定了内胆材料与氢气相容性的评定方法(包括试验评定法、对比经验评定法和简化试验评定法),且对评定的合格指标和试验方法有详细说明。瓶阀座材料:规定应采用铝合金6061或奥氏体不锈钢S31603的棒材或锻件,并详细列出了铝合金6061的化学成分、力学性能要求以及奥氏体不锈钢S31603的化学成分、拉伸和冲击性能要求,同时对材料的复验方法和合格指标进行了阐述。O形密封圈材料:要求采用与高压氢气具有良好相容性的聚合物,如硅橡胶、氟橡胶等,并规定了材料的适用温度范围和性能要求,同时对O形密封圈的性能评定方法(包括材料和密封圈本身的合格指标和试验方法)进行了详细说明。树脂材料:浸渍树脂基体应采用环氧树脂或改性环氧树脂,对其环氧值或环氧当量以及玻璃化转变温度提出要求,并规定了树脂材料的复验方法。纤维材料:碳纤维力学性能应符合气瓶设计文件规定,且气瓶制造单位需按批对碳纤维进行复验,包括线密度和纤维浸胶拉伸强度的测定;玻璃纤维保护层应采用S玻璃纤维或E玻璃纤维。 4. 制造工艺与检测《高压复合氢气罐设计系数指南》制造控制与测试检查方面,假定完成的罐在制造时需进行100%外部目视检查,虽提及其他先进无损检测技术可能包含在建造规范中,但不作为推荐设计系数的先决条件。批量测试方面,认为对于新氢罐规则下的大尺寸低产量罐,批量测试可能不可行或统计无效,设计系数不依赖批量测试,但生产过程中关键变量变化时需重新测试,且每个设计需通过原型测试合格,严格控制允许偏差范围。压力测试方面,要求每个罐在投入使用前需进行不低于最大允许工作压力或最大允许操作压力的压力测试,多数情况下测试压力更高。使用中检查:强调定期目视检查对维护复合罐完整性的重要性,虽运输罐规则通常有在役检查要求,非核ASME压力容器规则对固定式储罐无要求,但建议在建造或后续代码中规定运输和固定式储罐的定期检查要求,认为目视检查可识别可能导致过早失效的损坏或劣化,额外压力余量不能替代检查,若无定期检查,应考虑其他保护或减轻失效后果的措施。《车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶》制造工艺要求 规定气瓶制造应符合产品设计文件要求,且需分批管理,对内胆、气瓶和O形密封圈的生产批量有明确规定。对塑料内胆成型、纤维缠绕、气瓶固化等过程的操作方式提出要求,强调应采用自动化设备和连续工艺协同完成,且无人为干预工艺条件的操作岗位。详细规定了焊接塑料内胆的焊接工艺要求,包括应按评定合格后的焊接工艺进行焊接,焊接接头质量检测方法(宜采用可视化超声检测方法,如采用其他方法需经试验验证其有效性),焊接接头的外观要求(如外表面卷边切除后表面不应有未熔合、烧焦、孔洞、肉眼可见的杂质等缺陷)以及错边量和卷边中心高度的测量要求和合格指标。检测项目与方法 对内胆和气瓶的检测项目繁多,包括质量、壁厚、制造偏差、内外表面、母材拉伸试验、焊接接头检测(拉伸试验和解剖检查)、维卡软化温度、瓶阀座螺纹、瓶阀座和塑料内胆连接接头、O形密封圈的各项性能检测、缠绕层力学性能(层间剪切试验和拉伸试验)、缠绕层外观、水压试验、气密性试验、水压爆破试验、常温压力循环试验、火烧试验、扭矩试验、极限温度压力循环试验、加速应力破裂试验、裂纹容限试验、环境试验、跌落试验、氢气循环试验、枪击试验、常温渗透试验、耐久性试验、使用性能试验等,且对每个检测项目的合格指标和试验方法都有详细规定。 对试验参数允差有明确规定,如水压试验的试验压力允差为±0.05P(P为公称工作压力)、保压时间允差为±30s等,确保试验的准确性和可重复性。 5. 标准特点与侧重点《高压复合氢气罐设计系数指南》 侧重于为复合氢气罐设计提供设计系数的指导原则,通过对现有标准和经验的分析,确定短期和长期设计系数的合理取值范围,为氢气罐设计提供基础安全保障,更关注设计阶段的整体要求和设计思路,为后续详细设计和标准制定奠定基础,以确保氢气罐在不同工况下的安全性和可靠性,同时也考虑到未来研究方向,如开发更合理的测试方法和提高纤维材料性能等,以适应技术发展需求。《车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶》 是一个全面且详细的产品标准,不仅规定了气瓶的设计和制造要求,还涵盖了材料选择、制造工艺、检测方法、安装防护、标志包装运输储存以及产品合格证书等各个环节的详细要求,对气瓶的整个生命周期进行了规范,确保车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶在机动车应用场景下的安全性、可靠性和一致性,更侧重于满足车用气瓶在实际使用中的各种具体要求,包括与车辆的适配性、日常维护检查的便利性以及在各种复杂环境下的性能表现等。来源:气瓶设计的小工程师

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