ISO/TR 13086 系列标准总结
ISO/TR 13086-1:2011《气瓶 - 复合气瓶设计指南 - 第 1 部分：纤维的应力破裂和与试验压力相关的爆破比》 summer 1核心内容 应力比与可靠性 应力比是衡量纤维在复合气瓶中抵抗应力破裂能力的关键指标，其定义为纤维在最小爆破压力下的强度与工作压力下应力的比值。不同类型的纤维及气瓶（如 2 型、3 型、4 型复合气瓶）对应力比有着不同要求。以常见纤维为例，碳纤维通常应力比要求为 2.25，而玻璃纤维因自身应力破裂特性较差，其应力比要求需达到 3.5 以上，目的是保证气瓶在使用过程中达到极低的失效概率，如实现百万分之一以下的失效可能性。 爆破比与试验压力关系 爆破比即最小爆破压力与工作压力之比，一般而言，随着工作压力的升高，爆破比可适当降低。当工作压力≥500 bar 时，爆破比可降至 1.6 倍试验压力。玻璃纤维由于其应力破裂性能不佳，为保证安全，需要较高的爆破比；而碳纤维凭借其优异的抗应力破裂性能，在设计中可采用相对较低的爆破比。 验证与实践意义 通过大量的实验室测试以及实际现场经验反馈，符合上述应力比要求的复合气瓶在实际使用中展现出良好的安全性能。在实际情况中，应力破裂导致的失效案例，大多并非源于材料本身的固有属性，而是由气瓶遭受损伤或者超压使用等外部因素引起。该标准为气瓶设计中材料选择和安全系数确定提供了关键依据，确保在满足实际使用压力需求的同时，最大程度降低应力破裂风险，保障气瓶使用安全。 应用场景与设计考量 在高压气体储存、运输等领域，复合气瓶广泛应用。在这些场景中，气瓶长期承受一定压力，应力破裂风险始终存在。例如在车载压缩天然气气瓶应用中，依据该标准合理设计应力比和爆破比，能够确保气瓶在车辆行驶过程中频繁的压力波动下，安全可靠运行，防止因应力破裂引发的安全事故，同时优化材料使用，降低成本。 对行业的影响 此标准的制定为复合气瓶设计行业提供了统一规范，推动了气瓶设计从经验设计向科学设计转变。各生产厂家在设计产品时，依据该标准能够精准选择纤维材料，合理确定气瓶结构参数，提升产品质量和安全性，增强市场竞争力，促进行业整体技术水平提升。 ISO/TR 13086-2:2017《气瓶 - 复合气瓶设计指南 - 第 2 部分：篝火试验问题》 summer 2火灾中材料行为 在火灾环境下，复合气瓶的复合材料性能劣化明显。由于树脂在高温下燃烧，纤维强度也会急剧下降，如玻璃纤维会出现熔融现象，芳纶纤维在温度超过 425°C 时，强度显著降低。相比之下，金属内衬的耐高温性能优于聚合物内衬，但随着温度升高，内部压力急剧上升，金属内衬也可能因无法承受压力而破裂。 3压力释放装置（PRD） 热激活 PRD，如采用易熔合金或形状记忆金属制成的装置，在火灾安全防护中表现出比压力激活 PRD 更高的可靠性。热激活 PRD 能够在较低压力下触发，及时释放气瓶内压力，有效避免气瓶因压力过高而破裂。在 PRD 设计和安装过程中，需确保其激活后能够迅速排气，同时连接的 vent 管道要采取有效措施防止堵塞以及低温环境下冻结，以保障排气通道畅通。 4火灾测试标准与优化方法 现行标准，如 ISO 11439，对火灾测试条件有明确规定，要求火灾温度需≥590°C，气瓶需持续暴露在该环境中，直至排气或者达到规定时间，如 30 分钟。为更科学地评估复合气瓶在火灾中的安全性，提出了 “安全 envelope” 优化评估方法。该方法结合气瓶在火灾中的压力 - 时间极限曲线以及 PRD 的激活时间和排气曲线，通过综合分析来验证整个系统在火灾场景下是否处于安全运行范围。 5设计要点 热激活 PRD 是保障复合气瓶火灾安全的核心部件，任何对气瓶设计的变更，包括纤维类型更换、PRD 型号改变等，都必须重新进行相关测试，以确保变更后的设计依然满足火灾安全要求。 6验证与实践意义 通过实际火灾模拟试验以及过往火灾事故案例分析，验证了热激活 PRD 在保障复合气瓶火灾安全方面的重要性。在一些工业场所火灾事故中，安装了合格热激活 PRD 的复合气瓶，有效避免了爆炸等严重后果，保障了人员和财产安全。该标准明确了复合气瓶在火灾场景下的安全设计方向，对提高气瓶在极端危险环境下的安全性具有重要指导意义。 7应用场景与设计考量 在石油化工、燃气储存等行业，复合气瓶面临火灾风险较高。例如在加油站的储气瓶组、化工企业的原料储存气瓶等场景中，依据此标准设计和选择合适的热激活 PRD，并对 vent 管道进行合理布局和防护，能够显著提升气瓶在火灾中的安全性，减少潜在的火灾爆炸风险。 8对行业的影响 促使相关行业更加重视复合气瓶的火灾安全性能，推动了热激活 PRD 等相关技术的研发和创新。同时，也规范了行业内对于气瓶火灾测试的方法和流程，提高了整个行业对复合气瓶火灾安全防护的重视程度和技术水平。 ISO/TR 13086-3:2018《气瓶 - 复合气瓶设计指南 - 第 3 部分：应力比的计算》 summer 9应力比定义与计算基础 应力比的准确计算是该标准的核心，其定义为纤维在最小设计爆破压力下的最大应力与纤维在工作压力下的最大应力之比。在计算过程中，需要综合考虑复合气瓶的材料特性，如纤维和树脂的力学性能参数；精确掌握气瓶的尺寸规格，包括直径、壁厚等；以及深入分析不同工况下的载荷分配情况，这些因素共同构成了应力比计算的基础。 10不同类型气瓶计算差异 4 型气瓶（非载荷分担内衬 + 单一纤维） 其结构特点决定了爆破比与应力比在数值上相等，这是因为在这种结构中，内衬不承担主要结构载荷，单一纤维承担绝大部分压力，使得爆破压力与工作压力下纤维应力变化规律一致。 2 型和 3 型气瓶（金属内衬） 由于金属内衬在工作过程中会发生自增强现象，且内衬与复合材料之间存在复杂的载荷交互作用。当压力变化时，内衬和复合材料承担的载荷比例不断改变，导致爆破比与应力比并不相等。为准确计算应力比，通常需要借助先进的有限元分析软件，模拟不同压力下的应力分布情况，或者通过在实际气瓶上粘贴应变片进行应变测量，进而反推应力比，以验证设计的准确性。 混合结构气瓶 当气瓶采用多种纤维混合结构时，例如碳纤维与玻璃纤维混合，由于不同纤维的力学性能差异较大，需要精确计算各纤维的等效性能以及它们之间的载荷分担比例。通过合理的刚度比等参数调整，确保每种纤维在不同压力下都能处于安全应力范围内，从而准确确定混合结构气瓶的应力比。 11验证方法 直接测量 在气瓶表面粘贴应变计，通过记录不同压力下的应变数据，利用材料力学中的应变 - 应力关系，计算出应变比，进而得到应力比。在测量过程中，需要充分考虑自增强工艺对气瓶初始应变状态的影响，对测量数据进行合理修正。 设计限制 在设计阶段，可以通过控制内衬与复合材料的刚度比来确保应力比符合安全要求。例如，规定内衬刚度占比≤50%，这样在一定程度上限制了内衬和复合材料在承载过程中的相对作用，避免因某一部分过度承载而导致应力比超出安全范围。 12验证与实践意义 准确计算应力比是确保复合气瓶安全可靠运行的关键环节。通过与实际爆破试验结果对比，以及长期的实际使用反馈，验证了基于该标准计算的应力比能够有效预测气瓶在各种工况下的应力状态，为气瓶设计提供了坚实的理论依据。在实际生产中，依据准确的应力比设计的气瓶，能够在保证安全的前提下，优化材料使用，降低生产成本。 13应用场景与设计考量 在航空航天、高压气体储存等对气瓶安全性要求极高的领域，该标准的应用尤为重要。例如在航空航天飞行器的高压气体供应系统中，复合气瓶的设计必须严格按照此标准精确计算应力比，确保在飞行器复杂的飞行环境下，气瓶能够安全稳定地工作，为飞行器的正常运行提供可靠保障。 14对行业的影响 该标准统一了复合气瓶应力比计算方法，提高了设计的科学性和准确性。促使行业内设计人员不断提升自身专业水平，掌握先进的计算和分析方法。同时，推动了相关计算软件和测试设备的研发与完善，促进了整个复合气瓶设计制造行业的技术进步。 ISO/TR 13086-4:2019《气瓶 - 复合气瓶设计指南 - 第 4 部分：纤维和内衬的循环疲劳》 15服务条件对循环疲劳的影响： 温度：温度范围对复合气瓶的循环疲劳性能影响显著，通常使用温度范围为 - 40°C 至 + 85°C。在低温环境下，材料的脆性增加，纤维和内衬的疲劳裂纹更容易萌生和扩展；而在高温环境下，树脂等材料性能可能发生变化，降低了材料的疲劳寿命。 湿度：湿度环境可能引发腐蚀问题，对于金属内衬的复合气瓶，湿度会加速金属的腐蚀进程，导致内衬局部强度下降，在循环压力作用下更容易产生疲劳裂纹；对于采用某些聚合物内衬的气瓶，湿度可能影响聚合物的性能，如使其溶胀，改变内衬与纤维之间的协同工作性能，进而影响气瓶整体的循环疲劳寿命。 压力及循环次数：压力范围从低至 5 bar 到高达 1100 bar 不等，不同应用场景下的压力循环次数差异巨大。例如，应急救援用气瓶可能使用次数较少，而车载天然气燃料罐则可能每日经历 2 - 3 次的压力循环。频繁的压力循环会使纤维和内衬材料内部产生累积损伤，最终导致疲劳失效。 16材料疲劳性能： 纤维材料 不同类型的纤维疲劳性能差异明显。碳纤维凭借其高强度和高模量，在循环疲劳抗性方面表现最佳；芳纶纤维次之；玻璃纤维则相对较差。从具体参数来看，碳纤维拉伸强度可达 4500 MPa，芳纶纤维约为 3000 MPa，而玻璃纤维仅为 1500 MPa 左右。这些性能差异决定了在不同使用要求下应合理选择纤维材料，以满足气瓶的循环疲劳寿命需求。 内衬材料 金属内衬，如常用的铝、钢等，在复合气瓶中承担部分结构载荷，其疲劳性能与金属本身的材质、加工工艺以及表面处理等因素有关。聚合物内衬，像 HDPE（高密度聚乙烯）、PA（聚酰胺）等，由于其低模量特性，在工作中通常处于压缩状态，相对而言疲劳寿命较高。但在实际应用中，内衬的焊缝部位以及由于结构设计等原因导致的局部应变差异，可能会降低内衬的疲劳寿命。 17测试与分析方法： 试样类型 在循环疲劳测试中，常用的试样类型包括平试样、管状试样和气瓶试样。平试样制备简单，可快速获取材料的基本疲劳性能参数，但由于其与实际气瓶结构差异较大，测试结果的实际参考性有限；管状试样在一定程度上模拟了气瓶的结构形式，但仍无法完全等同于真实气瓶；气瓶试样虽然测试成本高，但测试结果最能反映实际复合气瓶在循环压力下的疲劳性能，对于准确评估气瓶寿命具有重要意义。 分析方法 有限元分析（FEA）在复合气瓶循环疲劳分析中应用广泛，通过建立精确的气瓶模型，能够模拟不同部位在循环压力下的应力应变分布情况，预测疲劳裂纹的萌生和扩展位置。断裂力学理论则用于分析疲劳裂纹的扩展规律，结合实验数据，为疲劳寿命预测提供理论支持。经验公式，如 Manson 低循环疲劳方程，也常用于估算材料在不同应变幅下的疲劳寿命，为工程设计提供便捷的计算方法。 18设计要点： 自增强工艺 自增强工艺是提高复合气瓶疲劳寿命的有效手段之一。对于金属内衬的气瓶，通过对金属内衬施加一定压力使其发生塑性变形（自增强），可以在气瓶工作时使内衬预先处于有利的应力状态，分担部分纤维的载荷，从而提高整体的疲劳寿命。但在实施自增强工艺时，需要精确控制压力大小，避免对复合材料造成过度预载，影响复合材料的性能。 循环计数与寿命评估 在实际使用中，复合气瓶承受的压力循环往往是复杂多变的。循环计数方法，如范围对计数、雨流计数等，用于统计不同幅值的压力循环次数，将复杂的压力历程简化为等效的循环载荷。结合 Goodman 图等工具，综合考虑平均应力和应力幅值对疲劳寿命的影响，能够更准确地评估气瓶在实际工况下的等效疲劳寿命，为设计提供更贴合实际的参考。 19验证与实践意义 通过大量的实验室循环疲劳试验以及实际气瓶在不同应用场景下的长期跟踪监测，验证了上述关于循环疲劳的理论分析和设计方法的有效性。在实际生产中，依据该标准设计的复合气瓶，能够在满足使用要求的前提下，显著提高其循环疲劳寿命，降低使用过程中的安全风险，减少因疲劳失效导致的更换和维修成本。 20应用场景与设计考量 在工业气体充装、车辆动力系统等领域，复合气瓶频繁经历压力循环。例如在工业气体充装站，气瓶在充装和卸载过程中压力不断变化；在新能源汽车的氢气或压缩天然气动力系统中，气瓶随着车辆行驶过程中的能量消耗和补充，承受着频繁的压力波动。在这些应用场景下，依据该标准进行精心设计，合理选择材料、优化结构以及准确评估疲劳寿命，能够确保复合气瓶安全可靠运行，满足长期、频繁使用的需求。 21对行业的影响 该标准为复合气瓶在循环疲劳设计方面提供了全面、系统的指导，推动了行业内对复合气瓶循环疲劳性能的深入研究和技术改进。促使材料供应商不断研发和优化纤维及内衬材料，提高材料的疲劳性能；推动气瓶制造企业改进生产工艺，采用先进的自增强等技术，提升产品质量和市场竞争力，从而促进整个复合气瓶行业的技术升级和可持续发展。 来源：气瓶设计的小工程师
