复合材料压力容器充气温度效应分析.pdf

　复合材料压力容器充气温度效应分析　　２０１４年１月　复合材料压力容器充气温度效应分析　　　　张伟，王鹏飞，王浩，邢会霞　　　　（北京玻钢院复合材料有限公司，北京１０２１０１）　摘要：通过对复合材料压力容器进行２４小时气密性检验，测试得到压力容器充压后温度稳定时间和压力稳定时间，分析　压力容器充压压力和温度之间的关系。拟合实验结果得到的压力一时间方程和温度一时间方程可以用来预测不同充气压力下　的温度效应。　关键词：复合材料压力容器；充气；压力稳定时间；温度稳定时间　　　　———　中图分类号：ＴＢ３３２；ＴＢ６６４文献标识码：Ａ文章编号：１００３０９９９（２０１４）０１００４００３　　　随着工业水平和社会经济的不断发展，复合材　　料缠绕压力容器得到越来越广泛的应用。为了提高　　气体储存的密度，即提高气体单位体积和单位质量　的能量密度，高压气体储存容器应运而生。高压压　　　　　　缩储氢直接、简单、方便、成本低、易产业化，是比较　实际和可靠的储存方式。为了解决高压储气容器的　质量问题，当前倾向于采用轻质复合材料压力容器　　　作为高压储气容器。　高压储气方式与其他方式相比有很多优点，同　　时也存在缺点Ｊ：第一，压力升高会使得充气操作变　　　　得复杂，从而增加了整个充气系统和气罐本身的成　　　　本；第二，压力太大导致安全性差。在给压力容器充　气过程中，气体温度会有显著升高，这种温升效应对　　于压力容器材料的力学性能具有重要的影响。鉴于　　　高压储气方式的诸多缺点，人们开始展开了对于压　　　　力容器温升效应问题的研究。文献［３，４］研究了有　刚性高压容器向低压空间自由放气或由恒压气源向　　低压刚性容器充气的一般过程；刘吴等对气动汽　　车快速加气站的加气过程进行了研究；安刚等对车　　　载储氢气瓶快速充气进行了试验和理论分析，得出了　快速充气过程中的压力和温度变化规律。　　本文通过对复合材料压力容器进行慢速充气，　　　　　得到了在充气２０ＭＰａ压力下的温度变化数据和分　　　　　　析结果，并且得到了温度一时间预测方程和压力一时　　间预测方程，预测得到的温度稳定时间和压力稳定　时间均符合相关规定。　　１试验概况　本试验引用与钢质高压压力容器相关的标准作　为参考文件。试验方法为压力容器气密性试验方法　—　（ＧＢ／Ｔ１２１３７２００２）。　（１）试验对象为某型号大容积高压压力容器。　充压前在复合缠绕压力容器筒身及接头部位用彩笔　　　做好测试标记，该标记即为温度测点。简身处标记　　　　　分别在距瓶口端面５００ｍｍ、１６００ｍｍ和２６００ｒａｍ处；　　　　（２）安装并连接好充气管路，试充气运转一次，　　　　并用１００％肥皂液检查各个接头部位，应无渗漏；　　　　（３）查看并记录初始室温、初始压力容器表面　温度和初始压力。充压过程：第一阶段压力容器压　　　　力从０ＭＰａ充压至５ＭＰａ，用时３０ｒａｉｎ，压力容器表面　　℃　温度从初始的１５．５ｃｌＣ升至２Ｏ，此时环境温度是　　１５．５￣Ｃ，保压１５ｍｉｎ后无渗漏；第二阶段压力容器压　　　　力从５ＭＰａ充压至２０ＭＰａ，用时２ｈ，压力容器表面温　　　　℃　　　度升至２９￣Ｃ，此时环境温度为１７。保压过程：压　　　　　力容器压力达到２０ＭＰａ后，进行２４ｈ保压。在保压　　　　　前１ｈ，气压降至１９．５ＭＰａ，此时对压力容器进行了　　　　　　　　　　　　补压，补压至２０ＭＰａ。２４ｈ后，压力容器压力为　　　１８ＭＰａ，表面温度由于夜间环境温度较低，降至℃　　　１６，此时环境温度为１４．５￣Ｃ。　　２试验结果分析　　（１）试验时间一压力容器温度曲线如图１所示。　０　　　　　２００４００６００　　　　　　　　　８００１０００１２００ｌ４００１６００　ｔ／ｍｉｎ　　　图１压力容器温度与环境温度随时间变化图　　　　　　　　　Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｆｉｇｕｒｅｏｆｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｖｅｓｓｅｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　　—　收稿日期：２０１３￣５２４“　　　　　“　ａｄａｍｂｉｅｎｔｍｐｍ　　　　　　　作者简介：张伟（１９７７一），男，本科，工程师，主要从事复合材料方面的研究。Ⅶ，ｃｌｌ　　　ｕ　　　２０１４年第１期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　４ｌ　　　　　　图１中，压力容器温度曲线的数据是取自筒身　三个实验点的数据平均值。压力容器由于充压而升　　　　温，温度最高升至２９ｏＣ；在停止充压后，由于压力容　器温度高于环境温度，压力容器热量逐渐散发，压力　　　容器温度逐渐下降，在试验时间ｔ＝２８０ｍｉｎ时达到　　　稳定，此时压力容器温度值为Ｔ＝１８ｏＣ。　（２）试验时间一压力容器压力曲线如图２所示。　０　２００　４００　　　　　　　　　　　６００８０Ｏ１０００ｌ２００ｌ４００１６００　ｇｍｉｎ　　　　　　图２试验时间与压力容器压力关系图　　　　　　　　　　　Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｔｈｅｔｅｓｔｔｉｍｅ　图２中，随着压力容器温度的下降，压力容器压　　力逐渐下降，在试验时间ｔ＝３４０ｍｉｎ时，压力容器压　　　　力达到了稳定，此时压力容器压力Ｐ：１８ＭＰａ。　　　　（３）试验时间、压力容器压力和温度曲线如图３　　所示。　２２　　　ｌ２。０　　　图３压力容器压力和温度随试验时间变化曲线图　　　　　　　　　　　Ｆｉｇ．３Ｔｈｅｆｉｇｕｒｅｏｆｔｈｅｖｅｓｓｅｌｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　　　　　从图３可以看出，压力容器温度在试验时间ｔ＝　　　２８０ｍｉｎ时达到稳定，此时压力容器温度值Ｔ＝　　　　ｌ８ｏＣ；压力容器压力在试验时间ｔ＝３２０ｍｉｎ时达到　　　稳定，此时压力容器压力值Ｐ＝１８ＭＰａ。　　　　　　　综上所述，压力容器温度稳定时间为２８０ｒａｉｎ，　　　　压力容器压力稳定时间是４０ｍｉｎ，即０．６７ｈ（压力稳　定时间为压力达到稳定后时间减去温度稳定时间）。　　　为了预测当压力容器压力达到４０ＭＰａ时，压力　容器压力和压力容器温度的稳定时间，我们可以通　过拟合试验曲线得到预测方程，通过代人已知数据，　　求得４０ＭＰａ下的温度稳定时间和压力稳定时间。　　（４）预测４０ＭＰａ下的温度稳定时间　　　对图１的温度试验曲线采用最小二乘法进行拟　合，得到的拟合曲线如图４所示，得到的拟合函数及　　其参数值见如表１。　０　　　　　２００４００６００　　　　　　　　　８００１０００１２００ｔ４００１６００　ｔ／ｍｉｎ　　　图４压力容器温度随时间变化拟合曲线图　　　Ｆｉｇ．４Ｔｈｅｆ　　ｉｔｔｉｎｇｃｕｒｖｅｆ　　　　　ｉｇｕｒｅｏｆｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｖｅｓｓｅｌ　　　　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｈａｎｇｅｓｏｖｅｒｔｉｍｅ　　　表１拟合函数及其参数值　　　　Ｔａｂｌｅ１Ｔｈｅｆ　　　　　　ｉｔｔｉｎｇｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｖａｌｕｅｓ　　拟合方程为：　　Ｔ＝１５．８１＋１３．７３ｅ・　（１）　　　　　公式１为温度预测方程。式中，为压力容器　　　　　温度；为试验时间；拟合指数Ｒ为０．９８９２９；表明拟　合曲线和试验曲线的吻合度为０．９８９２９。　　要得到温度稳定时间ｔ，首先应该得到压力容器　　　　开始状态的温度Ｔ，即在４０ＭＰａ下，压力容器的表面　温度值。根据实验数据，推得压力和温度的关系方　　程为：—　　　Ｔ＝５６．６４７．２４ｅｏ２ｐ　（２）　　　将Ｐ＝４０ＭＰａ代人到方程（２），得到Ｔ＝３５．４￣Ｃ。　　　　　将得到的值代入到方程（１），得到ｔ＝一６７．１ｍｉｎ。　　　　℃　　该负值的意义是温度７Ｔ从４０．４￣Ｃ降到２９所需的　时间，温度最后要降至与环境温度相等才达到稳定，　　　因此，温度稳定时间为ｔ＝６７．１＋２８０＝３４７．１ｍｉｎ。●　簿｜酒§　　４２　　　复合材料压力容器充气温度效应分析　　２０１４年１月　　（５）预测４０ＭＰａ下的压力稳定时间　　对图２的压力容器压力试验曲线采用最ｄｘ－－乘　　　　　法进行拟合，得到的拟合曲线如图５所示。得到的　拟合函数及其参数值如表２所示。　２ｌ　２０　ｌ９　ｌ８　ｌ７　１６　ｓ　１４　ｌ３　ｌ２　１ｌ　１０　０　　　２００４０Ｏ　６ＯＯ　　　　　　　　　８００ｔ０００１２００１４００１６００　ｔ／ｍｉｎ　　图５压力容器压力随时间变化拟合曲线图　　　Ｆｉｇ．５Ｔｈｅｆ　　　　　ｉｔｔｉｎｇＣＵｌＷｅｆｉｇｏｆｔｈｅｖｅｓｓｅｌ　　　　ｐｒｅｓｓｕｒｅｃｈａｎｇｅｓｏｖｅｒｔｉｍｅ　　　表２拟合函数及其参数值　　　　　　　　　　Ｔａｂｌｅ１Ｔｈｅｆｉｔｔｉｎｇｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｖａｌｕｅｓ　　拟合方程为：　　　Ｐ：１７．８７＋２．４２ｅＩ。　（３）　式２中，Ｐ为压力容器压力；ｔ为试验时间；拟合　　　　　　　　指数Ｒ为０．９５８３１；表明拟合曲线和试验曲线的吻　　合度为０．９５８３１。　　通过该预测方程（３），将Ｐ＝４０ＭＰａ代入到上述　　　　　方程，得到ｔ＝一５５３．３ｍｉｎ。同理，压力达到稳定的　　时间为ｔ２＝５５３．３＋３２０＝８７３．３ｍｉｎ。根据压力稳定　　　　　—　时间的定义，可知压力稳定时间ｔ：８７３．３３４７．１＝　５２６．２ｍｉｎ。　　　　３结论　　（１）实测压力容器充压至２０ＭＰａ时，压力容器　　　　　℃　　　　　　　　　　温度最高升至２９，压力容器温度稳定时问为　　２８０ｍｉｎ，压力容器压力稳定时间为４０ｍｉｎ，压力容器　　稳定压力值为１８ＭＰａ；　　　（２）根据实测实验数据，通过最小二乘法得到　　的预测方程。预测压力容器充压至４０ＭＰａ时，压力　　　容器表面温度升至４０．４￣Ｃ，压力容器温度稳定时间　　　为３９６．５ｍｉｎ，压力稳定时间为４７６．８ｍｉｎ；　　　（３）根据俄罗斯钢瓶充压气密性试验方法，压　　　　　　力容器温度稳定时间为６ｈ，压力稳定时间为１２ｈ。　　　　预测复合材料加强后压力容器充压至４０ＭＰａ的温　度稳定时间和压力稳定时间均小于钢瓶试验方法中　规定值，因此，该预测方程适用于该复合材料加强压　力容器的充压分析。　参考文献　　　　　　　　　［１］安刚．车载储氢气瓶快速充气分析［Ｊ］．导弹与航天运载技术，　２００９，（３）：５０－５５．　　　　　　　　　［２］杨帆．金属内衬纤维缠绕复合材料压力容器强度分析［Ｄ］．浙　　　江：浙江大学，２０１０．　　　　　　　　　　［３］ＷｉｌｓｏｎＧＢ，ＭｃｎｅｉｌｌＧＷ．Ｎｏｂｌｅｇａｓｒｅｃｈａｒｇｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓａｎｄｔｈｅ　　　　ｅｘｃｅｓｓａｉｒｃｏｍｐｏｎｅｎｔ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＧｅｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，１９９７，１２（６）：　７４７－７６２．　　　　　　　［４］吴沛宜，马元．变质量系统热力学及其应用［Ｍ］．北京：高等教　　育出版社，２００１．　　　　　　　　［５］刘吴，陶国良．气动汽车快速加气站加气过程研究［Ｊ］．中国机　　械工程，２００７，１８（３）：３６９－３７３．　［６］安刚，郑平军，张震等．７０ＭＰａ车载储氢气瓶快速充放氢的温度　　效应试验与分析『Ｊ］．真空与低温，２０１１，（８）：２９４－２９９．　　　　　　　　’　ＴＨＥＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥＥＦＦＥＣＴＡＮＡＬＹＳＩＳＯＦＴＨＥＣ０ＭＰｏＳＩｒｌＥ　　　　ＰＲＥＳＳＵＲＥＶＥＳＳＥＬＳＡＦＴＥＲＩＮＦＬＡＴＩｏＮ　　　　—　　　　ＺＨＡＮＧＷｅｉ，ＷＡＮＧＰｅｎｇｆｅｉ，ＷＡＮＧＨａｏ，ＸＩＮＧＨｕｉ－ｘｉａ　　　　　（ＢｅｉｊｉｎｇＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌｓＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２１０１，Ｃｈｉｎａ）　　　　　　　　’　　　　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｏｇｅｔｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｒｅｓｓｕｒｅｖｅｓｓｅｌＳｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ａｎｄｇｅｔ　　　　　　　　　　　　　　　　ｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｖｅｓｓｅｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｔｉｍｅａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｔｉｍｅ，ｔｈｅｔｉｇｈｔｎｅｓｓｔｅｓｔｏｆｔｈｅｖｅｓｓｅｌｉｓ　　　　　　　　　　　　　　　　　—　ｗｏｒｋｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｆｉｔｔｉｎｇｅｑｕａｔｉｏｎｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｐｒｅｄｉｃｔｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｔｉｍｅａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｓｔａ　　ｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｔｉｍｅ．　　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｒｅｓｓｕｒｅｖｅｓｓｅｌ；ｉｎｆ　　　　　ｌａｔｉｏｎ；ｐｒｅｓｓｕｒｅｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｔｉｍｅ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｔｉｍｅ　唰ｍ　｝ｌ＝４