1、引言
        在壓力容器中，中低壓容器一般以板焊結構為主，而高壓容器則出現多種結構：單層結構有整體鍛造式、鍛焊式、厚板卷焊式、電渣重熔式；多層結構有層板包扎式、螺旋包扎式、熱套式、整體包扎多層式；纏繞結構有繞絲式、繞板式、扁平鋼帶傾角錯繞式和型槽繞帶式。但這些結構都是指金屬材料而言，單臺壓力容器重量根據容積大小和壓力高低，最重的甚至可達數千噸。而高壓氣瓶過去制造和使用的主要是金屬材料即鋼質和鋁質的，按制造方法分有沖拔拉伸（E 法）、管材收口（M法）以及沖壓拉伸（C法）等。隨著材料科學和制造工藝技術的進步，由于氣瓶為移動式容器，為了減輕氣瓶的重量，同時又能承受較高的壓力，也出現了在金屬或非金屬材料內膽上環纏繞和全纏繞纖維材料組合結構的纏繞氣瓶，即復合材料氣瓶。復合材料纏繞氣瓶目前主要應用于呼吸器（如消防呼吸系統、登山、老人及病人吸氧、航空及航天系統等）及車用壓縮天然氣燃料氣瓶兩大領域，也可用于某些壓縮氣體和液化氣體及其混合物。現就纖維纏繞復合氣瓶的發展及其標準的有關情況作一簡要說明。
    2、纖維纏繞復合材料氣瓶的發展及其標準情況
    2.1、復合材料氣瓶的發展復合材料氣瓶的發展始于20 世紀50 年代，是基于火箭發動機復合材料機殼技術。早期的復合氣瓶是用玻纖浸漬環氧樹脂纏繞于橡膠內膽上，雖然其重量比鋼質輕，但由于玻纖較低的抗應力斷裂及靜態疲勞能力，以及氣體滲透率較大，因此需要采用較高的安全系數。20世紀60 年代開始使用金屬內膽，如果內膽足夠厚，允許纖維全纏繞或環纏繞增強。復合氣瓶采用金屬內膽的滲透率比橡膠內膽的低得多，但內膽的疲勞壽命卻受到限，薄壁內膽可在100～1000次循環產生開裂到泄漏，而厚壁內膽可在10000～30000 次循環產生泄漏。
    復合材料容器和氣瓶最早于20世紀50年代和60 年代用于國防和航天，這些容器或氣瓶用于軍用飛機的噴射系統，緊急動力系統和發動機重新啟動應用系統，它們也用于航天試驗室的氧氣罐和導彈系統的壓力源。每一航天飛機都用一定數量的復合氣瓶作為機艙空氣和推進器及控制系統的動力。20世紀70年代，復合氣瓶在商用系統大大增加，玻纖和芳綸纖維纏繞于鋁內膽或鋼內膽上，用于消防呼吸器和民用飛機滑梯充氣，以及相類似的氣瓶用于海軍救生筏充。四型瓶還可用于海上石油平臺張力系統的水力蓄能器。壓縮天然氣車用瓶成為復合氣瓶的主要市場之一。從纖維來說，90年代新材料碳纖維被批準用于氣瓶，這是一個重大的發展。
    纖維纏繞復合材料氣瓶的發展大體如下：
    20世紀60年代：用于衛星及航天復合壓力容器；20 世紀70年代：美國國家航空航天技術轉向民用商業市場；美國運輸部批準復合材料氣瓶：采用玻纖和凱芙拉（Kevlar）纖維生產環纏繞氣瓶。20世紀80年代：其他有關國家批準復合材料氣瓶用于商業市場，呼吸器成為復合材料氣瓶的最大市場。20世紀90年代國際標準化組織（ISO）和歐洲標準化技術委員會（CEN）以及天然氣汽車聯盟起草批準復合材料氣瓶新標準；定位氣瓶性能，允許采用新材料碳纖；批準塑料內膽復合氣瓶即四型瓶；壓縮天然氣車用瓶成為復合氣瓶的主要市場之一。
    2.2、復合材料氣瓶的標準情況
    2.2.1、纖維纏繞復合材料壓力容器國內有玻璃鋼容器標準。美國ASME 第十篇為纖維增強塑料壓力容器。該標準于1974年開始準備并起草，1977 年獲得通過，現行版本為2001年版和補遺。最初標準范圍僅包括玻璃纖維壓力容器。該規范以設計為基礎，爆破壓力要求為5倍額定工作壓力，在最低設計溫度下3000 次疲勞，在最高設計溫度下30000次疲勞。纖維纏繞容器開口在端部，最大工作壓力為 3000psi（20.68MPa），碳纖維和芳綸纖維是以后補上去的，采用和玻纖一樣的要求，安全系數都是5。全纏繞設計一般用非金屬內膽，固定使用（安裝于地面或平臺），是不移動的，不限制使用壽命。疲勞試驗和爆破試驗僅限于試驗要求，本規范導致“粗糙”的設計，沒有提出在用檢驗和水壓試驗要求。
    2.2.2、呼吸器美國于1972年開始采用輕質鋁瓶，1975年研制出鋁內膽、S玻纖/環氧樹脂環纏繞和全纏繞以及鋁內膽凱夫拉（kevlar）/環氧樹脂環纏繞和全纏繞復合氣瓶，并于1976 年被DOT首先批準生產，用于商用高壓氣體儲存，如消防自給式呼吸氣瓶、家用氧氣治療、飛機排出系統! 直升機懸浮系統充氣；用于公交車、卡車和小轎車的壓縮氣體儲存和各種氣動系統。DOT FRP-1《FRP纖維增強了CF 型復合材料氣瓶基本要求》由美國壓縮氣體協會（CGA）于1970年開發。用于美國運輸部研究和行政特別項目（DOT RSPA）移動氣瓶免除令，作為消防員及飛機逃逸滑道用壓力容器，最早用玻纖，規范要求在操作壓力下安全系數為3.33，并在3 倍操作壓力下保壓1分鐘。由于玻纖的應力破裂性能，導致玻纖安全系數為3.5。芳綸纖維是后加的，采用和玻纖一樣的要求，金屬鋁內膽全纏繞設計在15年壽命期內，要求每3 年進行一次在用檢查和水壓試驗。該標準要求更多的性能試驗，如火燒、槍擊和10000次操作壓力下和30次水壓試驗壓力下循環試驗。
    1981 年為第1版，1987年2月15日為修訂二版，容積范圍為小于等于90.7L,工作壓力范圍為6.2~34.5MPa，DOT FRP-2《FRP纖維增強3HW型復合材料氣瓶的基本要求》由CGA 在FRP—1 之后（約1982年）開發，FRP—2 使用和FRP—1 類同。本標準最初僅用于玻纖鋁內膽環纏繞，標準要求在2.5倍工作壓力下保壓1min，這導致約2.65倍安全系數。稍后，允許用鋼內膽。該標準包括的性能試驗與FRP—1相似。1982 年版為第一版，容積范圍及工作壓力范圍與FRP-1相同。為了達到在同樣價格下，使氣瓶重量大大減輕，采用碳纖維取代S 玻纖和可夫拉進行纏繞用于呼吸器，1994年無縫薄壁鋁內膽碳纖維全纏繞新一代復合氣瓶在歐洲獲準使用，1997年在美國獲準使用，它們是重量相對最輕的氣瓶，只有相同容積鋁瓶或鋼瓶重量的34%，比S玻纖和可夫拉纖維復合氣瓶重量輕15%~30%。碳纖維復合材料氣瓶是基于20 多年玻纖和可夫拉復合氣瓶良好的使用經驗以及1984~1996年之間建立的高性能碳纖維纏繞火箭發動機燃料儲箱、軍用飛機救生和氣體動力源、防衛和導彈系統的應用，以及運載火箭和空間飛行器壓力貯箱的宇航數據庫，與S 玻纖和Kevlar相比，碳纖維全復合纏繞氣瓶具有相對最高的強度和剛性，最輕的重量，極佳的耐潮濕、耐化學腐蝕、耐紫外線輻射、耐疲勞以及耐應力斷裂及良好的容限性。但外部需要有一層玻纖" 環氧保護層。另外，需要特別注意的是，在碳纖維復合材料和鋁合金內膽之間需要一個隔離屏障，以防止電化腐蝕。新一代碳纖維復合氣瓶（呼吸器）商業使用的第一個政府許可是由英國健康委員會（HES）于1994年1 月發布的，壓力為207Bar 或300Bar。自1994年1 月以來，歐洲地區政府許可擴大到19個國家。美國和日本于1997年取得了必須的政府許可。關于碳纖維復合氣瓶主要的歐洲標準是英國HES—A1—FW2（0.5251）以及歐洲大陸已批準的衍生版本、歐洲標準化技術委員會（CEN）編制的復合氣瓶規范rEN12245《全纏繞復合材料氣瓶》，于1999年7月提出以協調歐洲標準。在美國，DOT管理要求的標準是DOT-CFFC無縫鋁內膽碳纖維全纏繞氣瓶，現行版本為1999年3 月第三次修訂版《全纏繞碳纖維增強鋁內膽氣瓶的基本要求》。氣瓶的最大水容積<=90.7L，工作壓力<=34.5MPa。
     2.2.3、車用天然氣瓶自20世紀70年代末期以來，全球范圍內的CNG工業主要按意大利規范、或美國運輸部DOT3AA 修訂版來設計鋼瓶。1989年新西蘭把疲勞設計進行試驗驗證引入NZS5454 標準，這是第一個在CNG中使用的氣瓶標準，主要是針對鋼瓶，為了保證熱處理的合理性，要求對每一個氣瓶都要進行硬度試驗。20世紀80年代，北美聯邦不再按照現存的工業氣瓶標準，采用特別許可或許可證書。1992年美國制訂了ANSI/AGA NGV2-1992車用壓縮天然氣氣瓶標準，它是建立在鋼質氣瓶標準US-DOT3AA、鋁質氣瓶標準USDOT3A1、全纏繞氣瓶設計標準草案FRP-1和環纏繞FRP-2 氣瓶設計標準草案的基礎上，另外還規定了CNG氣瓶的使用條件和相應的性能試驗要求。NGV2-1992 年版1998年更新一次，現行版本為NGV2-2000。美國運輸部國家高速公路交通安全管理局（NSTHA）采用該標準的部分內容，并且于1995 年3月發布了一個新標準即FMVSS304《聯邦機動車安全標準》。在加拿大，CSAB51 PART II《車用天然氣高壓氣瓶》標準于1995年1 月開始實施。1989年ISO/TC58/SC3/WG17也著手《車用壓縮天然氣氣瓶》國際標準的制訂工作，于1992年提出標準草案，經過多次修改ISO11439《車用壓縮天然氣高壓氣瓶》現已被包括中國在內的世界上大多數國家認可，標準第一版已于2000年9月15日正式頒布，它包括CNG-1金屬氣瓶、CNG-2 金屬內膽環向纏繞氣瓶、CNG-3金屬內膽全纏繞氣瓶和CNG-4 塑料內膽全纏繞氣瓶。可以說ISO11439《車用壓縮天然氣高壓氣瓶》是建立在過去20年來各國經驗的基礎上制訂的。因此目前國內車用壓縮天然氣氣瓶也多參考該標準。
     2.2.4、壓縮氣體和液化氣體用纖維纏繞復合材料氣瓶國際標準化組織ISO于2002年批準了一套纖維纏繞復合氣瓶標準：ISO11119《復合結構氣瓶———規范和試驗方法》。具體包括：第一部分：ISO11119—1《環向纏繞復合氣瓶》；第二部分：ISO11119—2《承載金屬內膽纖維增強全纏繞復合氣瓶》；第三部分：ISO11119—3《非金屬內膽和不承載金屬內膽纖維增強全纏繞復合氣瓶》。ISO11119標準適用于水容積小于450L，用于儲存和運送壓縮氣體和液化氣體，其水壓試驗壓力不大于650bar。ISO11119標準規定設計壽命從10年到不限；對設計壽命超過15年的，為了繼續使用應重新進行評定。無縫金屬內膽材質可為鋼、不銹鋼或鋁合金。纏繞纖維可為碳纖維、玻纖、有機纖維或其混雜，但對環向纏繞標準中規定亦可采用鋼絲纏繞進行周向加強。ISO11119標準沒有提出可拆保護套筒的設計、配合及性能，如果需要應另行考慮。
     2.2.5、 美國航天和星際航空協會（AIAA）S-081《非金屬內膽復合全纏繞壓力容器》（2000 年4月3日草案）標準為美國國家標準協會（ANSI）批準的最終階段標準，它是針對進行中的發射運載工具和有效載荷制定的。它與S-080《金屬壓力容器》一起延續并取代MIL-STD-1552A-1984美國空軍（USAF）《加壓導彈和航天系統安全設計系統和操作的總要求標準》。S-081 標準對材料的選擇和安全指南提供了廣泛的指導，要求A- 基材料性能并限制全尺寸氣瓶的型式試驗。基于應力破裂性能而建立飛行壽命的最低可靠性。對碳纖維的最小安全系數為1.5，芳綸為1.75、玻纖2.25 的最小設計壽命為1年，它只包括金屬內膽氣瓶，相應的塑料內膽氣瓶正在起草，相應的ISO標準也在工作。