复合材料公司正在为海上石油工业生产复合材料蓄能瓶压力容器是采用复合材料公司为天然气汽车市场开发的技术制造的全复合材料压力容器。目前有种型号经鉴定符合第章标准要求的本文论进沙匕类压力容器的结构材料、制造与检验为满足海上石油工业的需要，计划还将研制更大型的压力容器引言复合材料公司原复合材料公司目前正在生产海上石油工业用的全复合材料压力容器。这些压力容器是复合材料在海上石油工业主结构系统中的首次应用。
迄今已为壳牌石油公司的，一和张力腿钻井平台立管张紧系统开发成功全复合材料压力容器。这些容器经检验符合锅炉与压力容器标准第章纤维增强塑料压力容器要求。复合材料蓄能瓶即使是具有按第章标准鉴定所要求的保守的设计安全系数，与钢瓶相比，质量也小得多，并且不会出现采用复合材料通常需要增加成本的情况。复合材料公司与复合材料压力容器复合材料公司年代以来一直采用复合材料长丝缠绕技术。制造的首批复合材料气瓶以弹性体作衬里，以玻璃纤维环氧树脂复合材料作外包层，主要用于军用飞机。
随着技术的进步，需要降低气瓶的透气性，减小瓶的质量，为此开发和开始使用以金属作衬里，用芳纶和碳纤维制造的外包层的复合材料气瓶。这些复合材料气瓶以前用于、现在仍用于许多军用和民用飞机、导弹、浮动系统和航天领域。年复合材料公司开始实施了项开发供天然气汽车市场使用的全复合材料燃料罐。
图显示全复合材料压力容器的截面图。“全复合材料”一词意指容器装有一用塑料制成的无承载作用的衬里。塑料衬里渗透率低，且具有几乎无限的疲劳寿命。与金属衬里相比，塑料衬里的价格较低，供货合同规定的订货至交货的时间也较短。
第一种全复合材料燃料罐年月按美国国家标准，压缩天然气汽车燃料容器的基本要求鉴定合格。年以来，复合材料公司已设计、研制并经鉴定合格种以上不同外形的燃料罐。类压力容器是为应用于而开发的全复合材料容器技术的一项发展成果。它们主要是为用作石油平台管张紧系统的蓄能器而开发的。
迄今己有种形式的按标准第章的规范鉴定合格，使用于，公司的全复合材料容器容器由高密度聚乙烯衬里，与主体制成一体的口突起部专利号和混合复合材料外包层构成为了在用于时提供防冲撞保护，容器圆顶用硬质泡沫塑料包封专利号，容器外包覆玻璃纤维非结构层。用于时不需如此，因为按入标准第章的条件需要采用较厚的容器壁。
公司已收到对使用于海上采油技术的其他用途感兴趣的有关方面的询价，其中有些潜在的客户需要比目前已鉴定合格的几种型号大得多的容器。全复合材料压力容器结构材料如图所示，复合材料公司生产的全复合材料压力容器有一混合复合材料壳体，由碳纤维和玻璃纤维增强剂浸渍环氧树脂而构成，纤维长丝缠绕包覆在高密度聚乙烯衬里上。
碳纤维和一玻璃纤维分层贴合，长丝缠绕带中包含这种纤维。随着产品系列向较大直径和较大壁厚的容器扩展，容器厚壁可能由碳纤维环氧树脂复合材料层和减轻损伤的消耗玻璃纤维外包层组成。配合使用碳纤维和玻璃纤维增强是综合利用这种材料最佳特性的方法。是一优良的内衬材料，其价格虽低，但易于成型加工且渗透率极低。碳纤维以其耐疲劳特性优异而闻名。
当安全系数为时，预期可靠性为一，使用寿命超过万年，循环疲劳寿命超过次循环。对碳纤维的耐损伤性有一定的疑虑。这部分是因为碳纤维的弹性模量高，有结晶性，并且由于强度高，碳纤维复合材料压力容器的壁厚一般比玻璃纤维增强复合材料压力容器薄。在设计中除碳纤维外又采用一玻璃纤维的目的，就是解决上述碳纤维的耐损伤性不强的问题。
一玻璃纤维除本身有良好耐损伤性外，更重要的是，它能增加叠层壁厚。加大壁厚，容器外层受到损伤造成的后果可以减轻，因为受损伤层数与未受损伤层数的比例可以降低。此外，壁厚增大，容器的截面稳定性可增大，可降低发生局部弯曲或“油罐式变动”船壳在波浪中发生周期性凹入和凸出的现象的可能性。采用一玻璃纤维提高耐损伤性比单用碳纤维增加壁厚的方法成本效益高得多。当容器壁厚随直径增大和爆裂压力的要求提高而增加时，可以用减少一玻璃纤维含量的方法达到相应的耐损伤性。体积极大的容器可以只用碳纤维增强以减轻重量并仍显现足够的耐损伤性。宜采用充分的玻璃纤维外包层以衰减和分散冲击后负荷并采用抗割伤、刮伤和擦伤的消耗性保护层。增强纤维包封在聚合物树脂体通常是热固性树脂如环氧树脂系统中。复合材料公司的一是一已获专利权的环氧树脂配方组成物，其固化温度低，固化时间短，耐环境性优良，与碳纤维和玻璃纤维的相容性高。它适用于各种压力容器和燃料罐，经鉴定符合标准的要求。容器衬里由注塑圆顶熔焊在挤塑圆筒上而构成。
价格低廉，耐环境性好，易于成型加工，渗透率低。衬里曾用空气充注加压至，其内的压力每年仅降低。用于天然气管道已多年，现在用作贮存各种烃的容器。复合材料公司目前生产的是按照符合或超过锅炉与压力容器标准，第章增强塑料压力容器的要求的条件设计的。这些容器的设计压力为，这是第章许可的用长丝缠绕法制造压力容器最高设计压力。设计的温度范围为一℃至℃。第章的规范要求容器由大气压增至设计压力总计应可达次循环，在一℃次循环试验，在℃次循环试验后在“℃进行爆裂试验。用长丝缠绕制成的容器在循环处理后的爆裂压力必须超过设计压力的倍，在此例中即必须超过。
公司为这些容器设计的最低起始爆裂压力为即需求的最低起始爆裂压力的，这是考虑到碳纤维和制造过程的可变性。由于第章规范要求很高的爆裂压力，容器壁厚大约为相同直径容器要求壁厚的倍。因此，压力容器设计师不仅必须要保证达到足够的增强效果，而且还必须考虑到与制造这种厚壁容器相关的问题。可能需要层以上的长丝缠绕层才能形成标准瓶壁。增强纤维的缠绕部位是决定容器性能的主要因素，特别是缠绕花样变换的位置和每一绕程终点反向的位置尤为重要。
例如，的设计可能有多达种不同的轴向增强角，以避免纤维过份集中于极向突起部。传统的压力容器设计方法如网格分析和叠板原理对初步确定容器壁的尺寸很有用。然而，为保证可生产性和考虑到局部应力，需要计及容器圆筒部或圆顶部缠绕层反向时层厚的变动的模型法。为此，复合材料公司制定了内部设计标准。图显示按照这些标准设计的容器壁截面的一个实例。评估压力容器的设计广泛利用有限元分析。
至少要制备容器的维轴对称模型，并尽量精确模拟实际制成的几何尺寸和材料特图复合材料利用内部制定的标准在设计厚壁压力容器中预测叠层结构。性。可提供对容器壁特别是容器圆顶部分和圆顶与圆筒的过渡区域的各层应力状况的最佳预测。这些预测结果利用复合材料公司制定的标准后处理得到如图所示的纤维应力曲线图略。中包含极向突出部的几何尺寸，以按照标准的要求评估其安全应力的水平。碳纤维增强经确证的大于的安全系数相当高，足以使其具有静疲劳负载和周期性疲劳负载方面的实际无限寿命。表列出好几种工业标准对复合材料压力容器的安全系数的要求。
不同增强纤维的安全系数不同，因此需要了解其应力断裂特性。碳纤维的应力断裂特性远优于玻璃纤维。例如，如果玻璃纤维受到的应力保持在其平均极限强度的的水平，则其特征寿命约为，而碳纤维受到的应力保持为其平均极限强度的时，则具有超过万年的特征寿命。
标准第章的规范是在多年前对玻璃纤维增强复合材料压力容器制定的，确定安全系数时对纤维材料的种类不加区分。这样的安全系数用于特别是混合纤维增强容器被认为是十分保守的。然而，为了满足立法的需要，看来必须拟定并批准玻璃纤维航空航天工业破纤维。准实行规定较低的安全系数，并考虑纳入耐损伤试验的新标准。制造全复合材料压力容器的制造第一步是极向突起部的机加工。
为保证可重复性的尺寸控制，使用数控机床车床顶尖。突起部位于容器的轴线上，通常带有口，但是有时容器的一端装无口的突起部。用容器的突起部通常用铝型材机加工制造或是冲压件。海上石油平台用的压力容器的突起部则用不锈钢制造，因它有优异的耐腐蚀性。衬里的圆顶端围绕容器的突起部注塑，注塑会包住突起部。突起部利用如图所示的机械连锁保持在衬里的圆顶内。突起部的凸缘的上、下表面切有键槽，圆顶注塑时流入这些键槽中。为保持气密性，突起部不必粘结到内衬材料上。复合材料公司已获得项有关此内衬突起部接头的专利。整个内衬由个注塑的圆顶熔焊到中央圆筒部分而构成。内衬的圆筒部分用管材挤塑法制造，可严密控制直径和壁厚法与用于制造运输天然气塑料管的方法相似。内衬的熔焊也用焊接管段的方法。圆顶与一已修整到规定的长度的管段一起置于焊接夹具中。然后待焊接的表面通过自动旋平面作业进行机加工，以保证两熔接面相互平行和表面的光洁。在确实对齐后，启动程序化的熔焊程序完成焊接过程。
熔焊程序是在圆顶和管段之间置入一已加热升温的压板，保持一控制的时间和压力。在预热时间结束时，移出压板，被熔融的两表面压在一起一控制的时间以进行熔接。在从焊接夹具卸下内衬后立即除掉外焊珠，然后对内衬的另一端重复第二次的熔焊过程。在完成第二次的焊接后，检查内衬的尺寸是否符合预先规定的总长度，熔接处是否对准。然后进行衬里的热处理，以减少熔接过程中可能引起的应力，然后再次检查总长度。
复合材料叠层长丝缠绕用一计算机控制的多轴缠绕机完成。为提高生产速度，在缠绕过程中，玻璃粗纱和碳纤维粗纱用树脂浸渍。复合材料公司开发成功的种已获专利的浸渍法，可将树脂的含量控制在内。预先调定纤维的张力，并在缠绕过程加以控制。缠绕层的顺序、缠绕角，以及树脂含量和纤维张力均由缠绕程序控制。长丝缠绕过程结束后，容器用红外加热器加热至表面指压干不发粘。此“阶段”半熔阶段使树脂基体固化，但并未使聚合物完全交联。故然后将容器移至一固化炉，加热至环氧树脂基体完全交联。
在此时容器的制造已经完成，只是用涂料或油漆涂装的容器在阶段后要进行涂装，以提高涂层的附着力。然而，第章标准要求对未经涂装的容器进行验收试验，因此要在验收试验之后才能涂装所需要的涂层系统。一般此涂料系统由一低不溶残留物的环氧一聚酞胺底漆和聚氨醋屏蔽涂料或罩面涂料组成。第章标准的质量鉴定试验在完成压力容器的设计后，要制造一设计鉴定试验样品，在室温下进行了爆裂试验。第章标准并不要求这项试验，但应进行以在进行循环试验之前评估容器的性能。
制造样品也提供次开发制造方法的机会即发现设计的缺陷找出解决办法。对于在室温下检验的原始容器来说，的最低爆裂压力为循环试验后的最低爆裂压力的可以认为有足够的设计裕度进行循环试验。在样品爆裂试验合格后，制造鉴定试验样品。这种容器设计压力，即第章规范许可的未切短长丝复合材料的容器最大许可设计压力。
因此第章标准要求容器从大气压增至设计压力反复循环，进行总共次试验，在一℃下进行次循环试验，在“℃下进行次循环试验，然后在”℃下进行爆裂试验。对于用长丝缠绕复合材料容器，经过循环试验后的爆裂压力必须超过设计压力的倍，在本例中即必须超过。产品的验收试验每一产品都必须通过一系列的验收试验，以确证衬里的复合材料的完整性。此试验程序包括耐压试验、质量和内体积检验、流体静压渗漏试验及最终的尺寸检查。验收试验的第一步是检测容器的质量和容积。
这一检测的方法先称量空容器的质量，然后容器充满水后的质量。然后容器要进行次流体静压试验。按照标准第章的规定，第一次试验的压力为即为设计压力的倍。这必须符合对产品的流体静压试验要求。
在衬里和复合材料外包层之间可能夹带的空气，经此次试验可以排出。第二次压力试验时要将容器内的压力以每增加的速度增大，并保持在设计压力即至少。在此次压力试验中要测定体积膨胀率，计算出永久变形和弹性膨胀率。
第三次压力试验是渗漏试验。重新以每增加速度使容器内增压，保持在设计压力即同时仔细检查是否有渗漏。压力容器在海上石油工作中的应用复合材料公司现在有种型号的，经鉴定符合标准第章的要求。这些容器正使用于。
复合材料公司的质量仅为大小与之相等的钢容器的约，而价格与之不相上下。复合材料公司的压力容器系列的尺寸，容量和质量数据列示表。图略显示安装在立管张紧系统的张紧器上的。这些容量、质量的压力容器，在年下半年经鉴定合格，现在有多套用于墨西哥湾。它们的启用有重要意义，因为这是复合材料首次应用于近海石油平台的主结构系统。第二种型号的于年下半年按第章标准鉴定合格。这种容量、质量的容器是为和立管张紧系统设计的。第三种型号是为立管张紧系统设计的。此容器的长，质量。现在已设计成外径和外径供用作蓄能容器和空气压力容器的。预计这两种较大型号的中至少有种将在年内通过鉴定。