本发明涉及移动式压力容器领域，特别涉及一种缠绕气瓶管束式集装箱。
背景技术：
发展清洁能源汽车成为世界各国改善环境和可持续发展的最佳选择，随着清洁能源汽车的日益发展，天然气、氢气的需求也日益旺盛，运输是天然气、氢能发展的重要一环。目前，天然气主要通过lng汽车罐车、lng罐箱、cng长管拖车及cng管束式集装箱运输，氢气主要通过长管拖车及管束式集装箱运输。现有的钢瓶管束式集装箱有两类：一类是大容积钢质无缝气瓶组装成的管束式集装箱(如图1所示)，目前采用公称工作压力为20mpa，厚度达到16.5mm～21.2mm以上的6～10个大容积钢质无缝气瓶组装成的管束式集装箱或长管拖车，现有的长管拖车及管束式集装箱主要是外径为559～719mm大容积钢质无缝气瓶组装成，最大容积只有26m3，自重达到34吨多，气瓶重容比(重量与容积之比)大。这种方式往往导致管束式集装箱或长管拖车自重太重，容积小，装载量少，运输成本较高，不利于节能减排。同时现有大容积钢质无缝气瓶管束式集装箱，由于钢瓶裸露于自然环境，因此钢瓶外壁也得不到有效防护。另一类是由小容积缠绕气瓶组装成的管束式集装箱(如图2、3所示)，一般采用容积为30～450l的小容积缠绕气瓶组装成管束式集装箱，这种方式组装的管束式集装箱气瓶容积小、数量多，阀门多，管路焊点或连接点多，操作不便，定期检验不便，泄漏点多，增加运行过程中的风险。同时，现有的管束式集装箱的管路系统结构支管路采用硬连接，其减震性能，易因热胀冷缩导致连接处或焊缝处产生裂纹甚至断裂，导致介质泄漏造成危害。
在国内外道路运输限重的前提下，如何减轻气瓶自重，增加气体的装载量，提高管路系统的稳定性成为要解决的关键问题。大容积缠绕气瓶与钢质气瓶相比具有自重轻，重容比小，管路系统结构稳定性好，用高压力的缠绕气瓶组装的管束式集装箱容积大，装载量大，有效降低了单位运输成本，符合“节能减排”的国家政策。
技术实现要素：
为了克服现有技术中大容积钢质无缝气瓶组装成的管束式集装箱存在的车自重太重，容积小，装载量少，运输成本较高、不利于节能减排、钢瓶裸露的技术缺陷，以及，小容积缠绕气瓶组装成管束式集装箱存在的气瓶容积小、数量多，阀门多，管路焊点或连接点多，操作不便，检验不便，泄漏点多，运行过程高风险的技术缺陷，本发明目的是提供一种轻量化的能够对缠绕气瓶进行可靠防护的管束式集装箱。提供一个40英尺管束式集装箱组装9支20mpa外径为719mm的钢质内胆环向缠绕气瓶，单支气瓶的容积达到4160l，总容积达到37m3。缠绕气瓶管束式集装箱采用了容重比高的大容积钢质内胆环向碳纤维缠绕气瓶作为储气容器，缠绕气瓶钢质内胆的表面固化有复合材料缠绕承压保护层，复合材料缠绕承压保护层由碳纤维缠绕承压层和玻璃纤维缠绕保护层组成，玻璃纤维缠绕保护层设置在碳纤维缠绕承压层的外侧，保护碳纤维免受环境中的灰尘、酸雨等侵蚀。该类型气瓶是一种钢质气瓶的升级换代的产品，大大提高了气瓶的容重比，提高了气体的运载量。同时轻量化的气瓶和管束式集装箱也大大提升了气体的运输效率。
缠绕气瓶的两端分别与前端连接法兰和新型防转组合法兰连接，防转组合法兰由法兰盘1、压紧块ⅰ、压紧块ⅱ组成，通过内六角螺栓将压紧块ⅱ与法兰盘进行紧固，紧固后连接缠绕气瓶，旋靠后，通过内六角螺栓将压紧块ⅰ与压紧块ⅱ进行紧固，再用螺栓将法兰盘固定在后端板上。能非常有效的防止气瓶轴向转动。管路系统全部采用柔性连接结构，柔性连接结构能够使管路系统之间减轻震动、不易折断、更加稳定不易发生泄漏。
本管束式集装箱是一个封闭的整体，侧面和底部都焊接了钢板，能够有效的防护紫外线辐射、砾石冲击、化学物质腐蚀以及尖锐物体划伤等伤害，使气瓶的使用寿命有效的延长。管束式集装箱的顶部采用钢质顶板或篷布封顶，进一步保证缠绕气瓶的安全运行。
在另一优选实施例中，所述钢质内胆环向缠绕气瓶的制造方法，包括：
将大直径无缝钢管两端热旋压成球形封头，其后进行调质热处理、螺纹加工等工序制成能与端塞螺纹连接的无缝钢质内胆；
将所述无缝钢质内胆采用淬火、回火的热处理工艺处理，以使所述无缝钢质内胆的金相组织转变为回火索氏体；
配制胶液，所述胶液为环氧树脂胶液；
采用纤维材料与所述胶液在所述无缝钢质内胆表面缠绕固化形成承压层；
采用玻璃纤维与环氧树脂在所述承压层表面缠绕固化形成保护层；
转移至固化炉中烘干、固化，得到大直径无缝钢质内胆环向缠绕气瓶。
在另一优选例中，所述纤维材料选自碳纤维、玻璃纤维、聚丙烯腈预氧化纤维、石墨纤维或其他复合材料。
在另一优选例中，所述纤维材料缠绕固化形成的所述承压层中纤维初始缠绕螺旋角度不小于60度；所述缠绕螺旋角度均匀变大，缠绕方式为正、反向交替、交叉缠绕。
在另一优选例中，所述淬火、回火的热处理工艺中，淬火炉中的温度为860～880℃，回火炉中的温度为600～680℃，所述无缝钢质内胆的步进时间为20～40min(气瓶是按批制造，每批可以选择30～50支，连续进行热处理，每次都是单支进炉。步进时间是指前后气瓶进热处理炉的间隔时间)；所述无缝钢质内胆在淬火炉中的温度达到860～880℃后，通过输送线进入淬火槽中，所述无缝钢质内胆自身进行旋转，旋转速度20～30r/min，淬火液从上部进行喷淋，达到快速降温的效果；从而使调质热处理后无缝钢质内胆的圆度(即在同一截面上的最大外径与最小外径差)不超过该截面平均外径的2％，直线度不超过总长的0.15％；所述回火索氏体晶粒度≥6级。
在另一优选例中，所述配置胶液具体包括：按比例配制环氧树脂胶液，所述比例按质量比计算，环氧树脂：固化剂：消泡剂：增韧剂：促进剂＝100:90:1:15:1。该配比可以起到防止环氧树脂中掺杂空气及产出多孔，降低承压层的脆性，增大韧性，提高承载强度，并获得良好的耐热、耐水、耐腐蚀的性能，同时可以人为地控制固化速度，保证有充足的时间完成缠绕工作。
在另一优选例中，所述缠绕固化形成承压层的处理工序至少包括：将所述无缝钢质内胆与缠绕设备相连，所述缠绕设备至少包括能够使内胆旋转的部件、能够使内胆前后移动的小车、胶槽；将胶液倒入胶槽中，将碳纤维通过胶槽后引入缠绕设备上的绕丝头，所述纤维根数设为24根，预紧力为10n，准备缠绕；按设定的程序及所述纤维根数进行缠绕；缠绕时，所述碳纤维通胶槽时，胶槽内的胶液附着在所述碳纤维上，一起缠绕在瓶身上，所述内胆的旋转速度为20r/min，小车前进速度为：9844mm/min；碳纤维缠绕完成后，剪去接头，形成承压层。
在另一优选例中，所述缠绕固化形成保护层的处理工序至少包括：将玻璃纤维通过胶槽后引入缠绕设备上的绕丝头，准备缠绕；根据设定的程序与纤维根数缠绕；缠绕时，所述玻璃纤维通胶槽时，胶槽内的胶液附着在所述玻璃纤维上，一起缠绕在瓶身上，用刮刀刮去多余的胶液，形成保护层，其后在保护层上贴上气瓶标签。
在另一优选例中，所述缠绕固化形成保护层的处理工序后还包括烘干固化的工序，所述烘干固化的工序包括：将缠绕完的气瓶转移至固化炉中烘干、固化，同时注意监控固化温度，防止温度异常(过高或过低)。
在另一优选例中，所述烘干固化的工序后还包括水压试验工序、烘干工序、清洁工序，其中，所述水压试验工序包括：将固化后的气瓶接入水套盖并紧密连接，打自紧压力，保压60s，打水压试验压力，保压120s；计算总膨胀，弹性膨胀，残余膨胀率，气瓶的残余膨胀率必须小于5％，将合格气瓶转移至烘干工序；所述烘干工序包括将受试瓶倒置排尽气瓶中的水，用蒸汽吹扫气瓶内部；所述清洁工序包括清理胶液残留、内外表面污物及破损。
在另一优选例中，所述碳纤维缠绕承压层中碳纤维初始缠绕螺旋角度不小于60度，并施加高强纤维的预紧力。结合缠绕螺旋角度的均匀变大和正、反向交替、交叉缠绕可以更合理的分配各层间的纤维在充气过程中的受力状态的一致性，实现较少的纤维达到较理想的增强效果。
在另一优选例中，碳纤维复合材料承压层外还增加了一层保护层。该保护层的作用是防止冲击性的损伤切断复合材料增强承压层中的碳纤维，从而形成局部的疲劳失效点，导致整个复合材料承压层对内胆的抗压补偿效果失效。
在另一优选例中，碳纤维与环氧树脂或玻璃纤维与环氧树脂或聚丙烯腈预氧化纤维与环氧树脂或石墨纤维与环氧树脂或其他复合材料与环氧树脂缠绕固化形成承压层。
在另一优选例中，所述保护层采用玻璃纤维与环氧树脂缠绕固化形成。
在另一优选例中，所述缠绕承压层采用上述纤维所编织成的条带或布缠绕。
在另一优选例中，所述钢制内胆1具有2000～4300升大容积。
在另一优选例中，采用直径为671mm～719mm的无缝钢管制造钢质内胆，使缠绕气瓶的容积达到2000l～4300l；
使用特殊的旋压工序使厚度为8.8mm～16mm，直径为671mm～719mm的无缝钢管旋压后的头部形状符合设计要求，气瓶瓶口外径尺寸保证在￠144～148mm，内径保证在￠85～95mm；
采用旋转喷淋热处理工序，使8.8mm～16mm，直径为671mm～719mm的无缝钢质内胆的圆度，(即在同一截面上的最大外径与最小外径差)不超过该截面平均外径的2％；直线度不超过总长的0.15％，金相组织为回火索氏体，晶粒度≥6级；
采用正交缠绕与交叉缠绕的组合缠绕工序，使碳纤维既承受径向应力又兼顾承受轴向应力，强化合理分配缠绕中各层碳纤维之间的受力，同时碳纤维之间的空隙用环氧树脂填充，树脂固化后，使正交缠绕与交叉缠绕的碳纤维成为一个整体，使碳纤维承压层能承受超过缠绕气瓶公称工作压力的1.25倍的爆破压力。
将固化后的气瓶接入水套盖并紧密连接，先加压到自紧压力，使气瓶内胆内壁产生塑性变形层，整个气瓶卸载后，气瓶内表面受外压，碳纤维承压层受内压状态，强化合理分配各层碳纤维之间的受力。水压试验后，气瓶的残余膨胀率小于5％。
在另一优选例中，连接管路采用柔性连接结构，优选地，所述柔性连接结构外还设置有保护层，所述保护层由橡胶材料制成。
在另一优选例中，所述柔性连接结构为连接管件，连接管件表面设置有多道沿连接管件一周的褶皱部。管路连接用管件结构，通过柔性连接结构的连接够减轻震动，使得管路系统更加稳定。
可选择地，所述连接管路采用柔性连接结构，所述柔性连接结构采用连续的柔性管，在管子的纵向上增加了增强抗高拉伸力的绳或丝状物，从而增加柔性连接结构的柔性，柔性管在使用过程中能够吸收和缓冲振动，避免管路系统连接点发生松动。
在另一优选例中，所述连接管路采用柔性连接结构管，所述柔性连接结构管包含柔性基底、金属单元和保护层。所述柔性基底可以为环烯烃聚合物基底或者聚酰亚胺基底。所述金属单元可以为铜层或者铝层。所述保护层是由橡胶材料制成。
在另一优选例中，所述柔性连接结构具体包含内管及外管，外管包括直管部及伸缩部，直管部套设于所述内管外，伸缩部套设于所述内管外。柔性连接结构的弹性好，变形后容易恢复原状，减震效果好。
在另一优选例中，所述连接管路采用柔性连接结构，所述柔性连接结构为螺旋结构。螺旋状柔性连接结构具有较好的形变能力，承受冲击之后可以通过结构的形变缓冲冲击力，提高缓冲减震功能。
本发明具有如下优点：1)20mpa的大容积钢质内胆环向碳纤维缠绕气瓶重量轻，容积大，重容比小；2)采用9支20mpa的大容积钢质内胆碳纤维环向缠绕气瓶为承压容器，缠绕气瓶管束式集装箱的容积为37m3、20mpa的钢质无缝气瓶管束式集装箱，氢气的装载量提高了47.1％；减少了缠绕气瓶及阀门的数量、减少了管路的连接点及焊点的数量，漏点少，减少了运行过程中的风险；3)缠绕气瓶采用正交缠绕与交叉缠绕的组合缠绕工艺，使碳纤维既承受径向应力又兼顾承受轴向应力；4)采用了一种新型的高压薄壁储运气瓶的防转动结构，防止缠绕气瓶运书过程中的防周向转动及轴向窜动；5)管束式集装箱的侧面和底部都焊接了1.5mm钢板，能够起到防火防水的作用，同时也能在运输的时候阻挡砂石飞溅，能够有效的保护气瓶不受损，也延长了气瓶的使用寿命，管束式集装箱顶部采用1.5mm的钢质顶部或采用防火防水和耐腐蚀的篷布作为封顶，从顶部保证缠绕气瓶不受砂石飞溅的影响，侧面安装的可活动的百叶窗可以在管束式集装箱内部温度较高时加快内部空气的流动，实现快速降温；6)主管路与瓶阀之间采用螺旋管路的柔性连接结构，管路系统的稳定更好，在剧烈震动的情况下能够保证不产生气体泄漏；7)管路集中在后仓，操作方便，年度检验和定期检验方便。
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图得到进一步的了解。
附图说明
图1为现有技术中涉及的大容积钢质无缝气瓶管束式集装箱结构示意；
图2为现有技术中涉及的小容积缠绕气瓶管束式集装箱结构正面示意图；
图3为现有技术中涉及的小容积缠绕气瓶管束式集装箱结构俯视示意图；
图4为本发明所涉及的缠绕气瓶管束式集装箱结构示意图；
图5为本发明所涉及的缠绕气瓶管束式集装箱俯视图；
图6为本发明所涉及的缠绕气瓶管束式集装箱的缠绕气瓶结构示意图；
图7为本发明所涉及的缠绕气瓶管束式集装箱的缠绕气瓶与后端板连接示意图；
图8为本发明所涉及的缠绕气瓶管束式集装箱的缠绕气瓶与前端板连接示意图；
图9为本发明所涉及的缠绕气瓶管束式集装箱的门结构示意图；
图10为本发明所涉及的缠绕气瓶管束式集装箱的法兰盘结构示意图；
图11为本发明所涉及的缠绕气瓶管束式集装箱的压紧块ⅰ结构示意图；
图12为本发明所涉及的缠绕气瓶管束式集装箱的压紧块ⅱ结构示意图。
图中：1、后端板，2、防转组合法兰，3、活动百叶窗，4、箱体，5、缠绕气瓶，6、前端板，7、前连接法兰，8、篷布，9、后瓶塞，10、钢质内胆，11、碳纤维缠绕承压层，12、玻璃纤维缠绕保护层，13、前瓶塞，14、法兰盘，15、压紧块ⅰ，16、压紧块，ⅱ17、箱门
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。然而，应当将本发明理解成并不局限于以下描述的这种实施方式，并且本发明的技术理念可以与其他公知技术或功能与那些公知技术相同的其他技术组合实施。
在以下具体实施例的说明中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“轴向”、“径向”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。
下面结合附图4-12详细说明本发明的具体实施例。
图4-5为本发明所涉及的管束式集装箱结构示意图及俯视图。图中包括1、后端板，2、防转组合法兰，3、活动百叶窗，4、箱体，5、缠绕气瓶，6、前端板，7、前连接法兰，8、篷布。
图6为本发明所涉及的缠绕气瓶管束式集装箱的缠绕气瓶结构示意图。图中包括9、后瓶塞，10、钢质内胆，11、碳纤维缠绕承压层，12、玻璃纤维缠绕保护层，13、前瓶塞。
本管束式集装箱包括箱体和横向放置在框架结构内部的多个大容积钢质内胆环向碳纤维缠绕气瓶5。大容积钢质内胆环向碳纤维缠绕气瓶包括钢质内胆10、复合材料缠绕保护层11和12、前端塞9和后端塞13，钢质内胆的表面固化有复合材料缠绕承压保护层，复合材料缠绕承压保护层由碳纤维缠绕承压层11和玻璃纤维缠绕保护层12组成，环氧树脂在碳纤维缠绕承压层及玻璃纤维缠绕保护层的间隙之中，其通过加热固化后，将碳纤维缠绕承压层、玻璃纤维缠绕保护层紧密结合在一起，形成一个整体。缠绕气瓶大致呈圆柱形，其具有内腔。瓶塞设有内孔，瓶塞放置于缠绕气瓶本体的开口端。大容积钢质内胆环向碳纤维缠绕气瓶5的内腔通过瓶塞的内孔与外部连通。前端塞连接后端安全装置，后端塞安装连接管路。气瓶通过瓶塞能够向气瓶内充装和泄放介质。
管束式集装箱管路系统的连接管路全部采用柔性连接结构(图中未示出)，能够使管路系统更加稳定不易发生泄漏。具体地，主管路与瓶阀之间采用的柔性连接结构，管路系统的稳定更好，在剧烈震动的情况下能够保证不产生气体泄漏。
在另一优选实施例中，连接管路采用柔性连接结构，所述柔性连接结构采用连续的柔性管，在柔性管的纵向上增加了增强抗高拉伸力的绳或丝状物。具体而言，所述柔性连接结构为连接管件，连接管件表面设置有多道沿连接管件一周的褶皱部。管路连接用管件结构，通过柔性连接结构的连接减轻震动，使得管路系统更加稳定。
在另一优选实施例中，所述柔性连接结构为连接管件，连接管件表面设置有多道沿连接管件一周的褶皱部。管路连接用管件结构，通过柔性连接结构的连接能够减轻震动，使得管路系统更加稳定。
在另一优选实施例中，所述连接管路采用柔性连接结构，所述柔性连接结构采用连续的柔性管，在管子的纵向上增加了增强抗高拉伸力的绳或丝状物，从而增加柔性连接结构的柔性，柔性管在使用过程中能够吸收和缓冲振动，避免管路系统连接点发生松动。
在另一优选实施例中，所述连接管路采用柔性连接结构管，所述柔性连接结构管包含柔性基底、金属单元和保护层。所述柔性基底可以为环烯烃聚合物基底或者聚酰亚胺基底。所述金属单元可以为铜层或者铝层。所述保护层是由夹线橡胶材料制成。
在另一优选实施例中，所述柔性连接结构具体包含内管及外管，内管的两端分别与两所述接头的内管接口呈快卡的对接，外管包括直管部及伸缩部，直管部套设于所述内管外，且直管部的一端与一接头的外管接口呈快卡的对接，直管部的另一端与伸缩部的一端呈快卡的对接，且伸缩部套设于所述内管外，伸缩部的另一端与另一所述接头的外管接口呈快卡的对接，伸缩部呈伸缩结构。柔性连接结构的弹性好，变形后容易恢复原状，减震效果好。
在另一优选实施例中，所述连接管路采用柔性连接结构，所述柔性连接结构为螺旋结构，具体为该螺旋结构包括相间隔的刚性螺旋凸起和柔性螺旋凹槽，所述的螺旋凹槽收缩折叠时螺旋凸起相互贴合，达到伸缩的功能。螺旋状柔性连接结构具有较好的形变能力，承受冲击之后可以通过结构的形变缓冲冲击力，提高缓冲减震功能。
图6所涉及的缠绕气瓶管束式集装箱的缠绕气瓶采用正交缠绕与交叉缠绕的组合缠绕工艺，使碳纤维既承受径向应力又兼顾承受轴向应力，强化合理分配缠绕中各层碳纤维之间的受力，同时碳纤维、玻璃纤维之间的空隙用环氧树脂填充，树脂固化后，使正交缠绕与交叉缠绕的碳纤维成为一个整体，使碳纤维承压层能承受超过缠绕气瓶公称工作压力的2.5倍的爆破压力。将固化后的气瓶接入水套盖并紧密连接，先加压到自紧压力，使气瓶内胆内壁产生塑性变形层，整个气瓶卸载后，气瓶内表面受外压，碳纤维承压层受内压状态，强化合理分配各层碳纤维之间的受力。水压试验后，气瓶的残余膨胀率小于5％。
所述大容积钢质内胆环向碳纤维缠绕气瓶，包括钢制内胆1，所述钢制内胆外设置承压层，所述承压层外设置保护层，所述承压层包括碳纤维缠绕承压层2，所述保护层包括玻璃纤维缠绕保护层3，钢制内胆1的一段通过内螺纹与前端盖5旋紧固定，另一端与后端盖4旋紧固定，其中，碳纤维缠绕承压层2采用正交缠绕与交叉缠绕的组合缠绕工序，使碳纤维既承受径向应力又兼顾承受轴向应力，强化合理分配缠绕中各层碳纤维之间的受力，同时碳纤维之间的空隙用环氧树脂填充，树脂固化后，使正交缠绕与交叉缠绕的碳纤维成为一个整体，加强关联性和相互补偿的一致性的结构特征，使内胆在反复充、放高压气体的过程中所产生的弹性形变严格控制在理论规范值之内。下面简单说明缠绕气瓶各主要组成部分的制造方法：
无缝钢制内胆
选取相应直径及长度的无缝钢管用两端热旋压成球形封头，两端封口并升压，进炉进行调质热处理。进行硬度检测、内外螺纹加工、水压试验、内抛、内窥、并经过无损检测、外抛等工序制成能与进、出气阀和端塞对接的热旋压缩口无缝钢质内胆。将高强碳纤维缠绕在无缝钢质内胆上，一般是采用定制的缠绕设备，借助专用夹具将无缝钢质内胆连接在缠绕机上。钢制内胆具有2000～4300升大容积。其中，在无缝钢管两端通过热旋压加工成为瓶肩和瓶颈，再经调质热处理，内外螺纹加工，制造成能与端塞和阀门连接的无缝钢质内胆，然后通过硬度检测、水压试验及无损检测等验证其是否合格。
承压层
按比例配制胶液，所述胶液为环氧树脂胶液，配胶采用少量多次原则。每次配胶环氧树脂不超过5kg，对胶液进行充分搅拌，时间不少于3分钟。将无缝钢质内胆与缠绕设备相连，将胶液倒入胶槽中，将纤维引入缠绕设备上的绕丝头，准备缠绕。按设定的程序及纤维根数进行缠绕。缠绕时，所述纤维通胶槽时，胶槽内的胶液附着在所述纤维上，一起缠绕在瓶身上；纤维缠绕完成，剪去接头。
保护层
将玻璃纤维引入缠绕设备上的绕丝头，准备缠绕。根据设定的程序与纤维根数缠绕。缠绕时，所述玻璃纤维通胶槽时，胶槽内的胶液附着在所述玻璃纤维上，一起缠绕在瓶身上，用刮刀刮去多余的胶液，在最后一层贴上气瓶标签。
包括以上组成部分的20mpa～30mpa大直径无缝钢质内胆环向缠绕气瓶，其结构中包括热旋压缩口无缝钢质内胆，和内胆外壁碳纤维缠绕固化形成复合材料承压层，借助两端瓶颈的内螺纹连接前端塞和后端塞，后端塞上设置进、出气阀门和排污装置，在前端塞上设置安全泄放装置，本发明中的碳纤维复合材料承压层外还增加了一层保护层。该保护层的作用是防止冲击性的损伤切断复合材料增强承压层中的碳纤维，从而形成局部的疲劳失效点，导致整个复合材料承压层对内胆的抗压补偿效果失效。
在另一优选实施例中，所述承压层为碳纤维缠绕承压层2，其中碳纤维初始缠绕螺旋角度不小于60度，并施加高强纤维的预紧力。结合缠绕螺旋角度的均匀变大和正、反向交替、交叉缠绕可以更合理的分配各层间的纤维在充气过程中的受力状态的一致性，实现较少的纤维达到较理想的增强效果。
在另一优选实施例中，碳纤维复合材料承压层外还增加了一层保护层。该保护层的作用是防止冲击性的损伤切断复合材料增强承压层中的碳纤维，从而形成局部的疲劳失效点，导致整个复合材料承压层对内胆的抗压补偿效果失效。
在另一优选实施例中，碳纤维与环氧树脂缠绕固化形成承压层；或者，其他复合材料与环氧树脂缠绕固化形成承压层；或者，采用玻璃纤维与环氧树脂缠绕固化形成承压层；或者，采用聚丙烯腈预氧化纤维与环氧树脂缠绕固化形成承压层；或者，采用石墨纤维与环氧树脂缠绕固化形成承压层；或者，所述保护层采用玻璃纤维与环氧树脂缠绕固化形成；或者，所述缠绕承压层采用上述纤维所编织成的条带缠绕；或者，所述缠绕承压层采用上述纤维所编织成的布缠绕；或者，所述钢制内胆1具有2000～4300升大容积；或者，所述钢制内胆1直径为671～719mm，厚度为9.6～16mm。
在另一优选实施例中，所述钢制内胆1具有ф719mm大容积，缠绕气瓶20mpa时的重容比为0.52～0.7，30mpa时为1.02～1.3。在同一公称工作压力下，大容积钢质内胆环向缠绕气瓶比钢质气瓶的重量比提高了60％，大大降低了气瓶的自重，提高了介质的装载质量及运输效率。
在另一优选实施例中，缠绕气瓶工作压力为20～30mpa。
在另一优选实施例中，环氧树脂胶液的配制比例为，环氧树脂：固化剂：消泡剂：增韧剂：促进剂(质量比)＝100:90:1:15:1。该配比可以起到防止环氧树脂中掺杂空气及产出多孔，降低承压层的脆性，增大韧性，提高承载强度，并获得良好的耐热、耐水、耐腐蚀的性能，同时可以人为地控制固化速度，保证有充足的时间完成缠绕工作。
在另一优选实施例中，所述碳纤维根数设为24根，预紧力为10n。
在另一优选实施例中，气瓶无缝钢质内胆的内胆采用淬火、回火的热处理工序，淬火炉中的温度设定为860～880℃，回火炉中的温度设定为600～680℃，步进时间为20～40min(气瓶是按批制造，每批可以选择30～50支，连续进行热处理，每次都是单支进炉。步进时间是指前后气瓶进热处理炉的间隔时间)；气瓶无缝钢质内胆在淬火炉中的温度达到860～880℃后，通过输送线进入淬火槽中，自身进行旋转，旋转速度20～30r/min，淬火液从上部进行喷淋，达到快速降温的效果，调质热处理后无缝钢质内胆的圆度，(即在同一截面上的最大外径与最小外径差)不超过该截面平均外径的2％，直线度不超过总长的0.15％；金相组织为回火索氏体，晶粒度≥6级。
所述大容积钢质内胆环向碳纤维缠绕气瓶的制造工序步骤如下：
①选取相应直径及长度的无缝钢管用两端热旋压成球形封头、调质热处理、硬度检测、内外螺纹加工、水压试验、内抛、内窥、并经过无损检测、外抛等工序制成能与端塞螺纹连接的无缝钢质内胆。
旋压使用特殊的工序参数：以直径719mm,20mpa的缠绕气瓶为例，旋压工序参数为：管口入中频长度600mm～700mm,管口部的加热温度为1200℃～1350℃，主轴夹紧压力5.3mpa,中频炉p1、p2、p3升温阶段采取相对应的电压及电流，旋压时，主轴转速为200r/min～300r/min，经旋压轮13～18次弧形旋压后，气瓶瓶口外径尺寸保证在￠144～148mm，内径保证在￠85～95mm，瓶肩成形模板符合程度、气瓶瓶口剖面厚度尺寸以及气瓶瓶肩内外表面质量均符合设计要求；
②气瓶无缝钢质内胆采用淬火 回火的热处理工序，淬火炉中的温度设定为860～880℃，回火炉中的温度设定为600～680℃，步进时间为20～40min(气瓶是按批制造，每批可以选择30～50支，连续进行热处理，每次都是单支进炉。步进时间是指前后气瓶进热处理炉的间隔时间)；气瓶无缝钢质内胆在淬火炉中的温度达到860～880℃后，通过输送线进入淬火槽中，自身进行旋转，旋转速度20～30r/min，淬火液从上部进行喷淋，达到快速降温的效果，调质热处理后无缝钢质内胆的圆度，(即在同一截面上的最大外径与最小外径差)不超过该截面平均外径的2％，直线度不超过总长的0.15％；金相组织为回火索氏体，晶粒度≥6级,金相图见附录2；
③按比例配制环氧树脂胶液，环氧树脂：固化剂：消泡剂：增韧剂：促进剂(质量比)＝100:90:1:15:1，配胶采用少量多次原则。每次配胶环氧树脂不超过5kg，对胶液进行充分搅拌，时间不少于3分钟。该配比可以起到防止环氧树脂中掺杂空气及产出多孔，降低承压层的脆性，增大韧性，提高承载强度，并获得良好的耐热、耐水、耐腐蚀的性能，同时可以人为地控制固化速度，保证有充足的时间完成缠绕工作。
④将无缝钢质内胆(1)与缠绕设备相连，将胶液倒入胶槽中，将碳纤维通过胶槽后引入缠绕设备上的绕丝头，碳纤维根数设为24根，预紧力为10n,准备缠绕。按设定的程序及碳纤维根数进行缠绕。缠绕时，缠绕时，所述碳纤维通胶槽时，胶槽内的胶液附着在所述碳纤维上，一起缠绕在瓶身上，气瓶的旋转速度为20r/min，小车前进速度为：9844mm/min,碳纤维缠绕完成，剪去接头，形成承压层。
⑤将玻璃纤维通过胶槽后引入缠绕设备上的绕丝头，玻纤根数为24根，准备缠绕。根据设定的程序与纤维根数缠绕。缠绕时，缠绕时，所述玻璃纤维通胶槽时，胶槽内的胶液附着在所述玻璃纤维上，一起缠绕在瓶身上，气瓶的旋转速度为20r/min，小车前进速度为：9844mm/min,用刮刀刮去多余的胶液，形成保护层，在保护层上贴上气瓶标签。
⑥将缠绕完的气瓶转移至固化炉中烘干、固化，注意监控固化温度，防止温度异常(过高或过低)。
⑦将固化后的气瓶接入水套盖并紧密连接，打自紧压力，保压60s，打水压试验压力，保压120s。计算总膨胀，弹性膨胀，残余膨胀率，气瓶的残余膨胀率必须小于5％。将合格气瓶转移至烘干工序。
⑧将受试瓶倒置排尽气瓶中的水，用蒸汽吹扫气瓶内部。
⑨清理胶液残留、内外表面污物及破损。
以上步骤中包括在无缝钢管两端通过热旋压加工成为瓶肩和瓶颈，再经调质热处理，内外螺纹加工，制造成能与端塞螺纹连接的无缝钢质内胆，然后通过硬度检测、水压试验及无损检测等验证其是否合格。将高强碳纤维缠绕在无缝钢质内胆上，一般是采用定制的缠绕设备，借助专用夹具将无缝钢质内胆连接在缠绕机上。采用大直径无缝钢质内胆，碳纤维与环氧树脂缠绕固化形成承压层及采用玻璃纤维与环氧树脂缠绕固化形成保护层是本发明的关键。初始缠绕螺旋角度不小于60度和施加高强纤维的预紧力，结合缠绕螺旋角度的均匀变大和正、反向交替、交叉缠绕可以更合理的分配各层间的纤维在充气过程中的受力状态的一致性，实现较少的纤维达到较理想的增强效果。
使用以上的制作步骤制造的大直径无缝钢质内胆环向缠绕气瓶，结构中包括热旋压缩口无缝钢质内胆，和内胆外壁碳纤维缠绕固化形成复合材料承压层，借助两端瓶颈的内螺纹连接前端塞和后端塞，后端塞上设置进、出气阀门和排污装置，在前或后端塞上设置安全泄放装置，本发明中的碳纤维复合材料承压层外还增加了一层保护层。该保护层的作用是防止冲击性的损伤切断复合材料增强承压层中的碳纤维，从而形成局部的疲劳失效点，导致整个复合材料承压层对内胆的抗压补偿效果失效。
所述大容积钢质内胆环向碳纤维缠绕气瓶采用大直径的无缝钢管经旋压、热处理、螺纹加工等工序制成内胆，使其能承受缠绕气瓶公称工作压力的1.25倍的爆破压力；钢质内胆外表面采用高强度的碳纤维增强无缝钢质内胆的承压能力，碳纤维承压层须承受缠绕气瓶公称工作压力的1.25倍的爆破压力。采用正交缠绕与交叉缠绕的组合缠绕工序，使碳纤维既承受径向应力又兼顾承受轴向应力，强化合理分配缠绕中各层碳纤维之间的受力，同时碳纤维之间的空隙用环氧树脂填充，树脂固化后，使正交缠绕与交叉缠绕的碳纤维成为一个整体，加强关联性和相互补偿的一致性的结构特征，使内胆在反复充、放高压气体的过程中所产生的弹性形变严格控制在理论规范值之内。
图6为本发明所涉及的缠绕气瓶管束式集装箱的缠绕气瓶结构示意图。图中包括9、后瓶塞，10、钢质内胆，11、碳纤维缠绕承压层，12、玻璃纤维缠绕保护层，13、前瓶塞。其中，所述钢制内胆10外设置承压层，所述承压层外设置保护层，所述承压层包括碳纤维缠绕承压层11，所述保护层包括玻璃纤维缠绕保护层12，钢制内胆10的一段通过内螺纹与前瓶塞13旋紧固定，另一端与后瓶塞9旋紧固定，其中，碳纤维缠绕承压层11采用正交缠绕与交叉缠绕的组合缠绕工序，使碳纤维既承受径向应力又兼顾承受轴向应力，强化合理分配缠绕中各层碳纤维之间的受力，同时碳纤维之间的空隙用环氧树脂填充，树脂固化后，使正交缠绕与交叉缠绕的碳纤维成为一个整体，加强关联性和相互补偿的一致性的结构特征，使内胆在反复充、放高压气体的过程中所产生的弹性形变严格控制在理论规范值之内。
图7-8为本发明所涉及的缠绕气瓶管束式集装箱的缠绕气瓶与后端板连接示意图及缠绕气瓶管束式集装箱的缠绕气瓶与前端板连接示意图。图中包括后端板1，缠绕气瓶5，前端板6，前连接法兰7，法兰盘14，压紧块ⅰ15，压紧块ⅱ16，箱门17。图10为本发明所涉及的缠绕气瓶管束式集装箱的法兰盘结构示意图；图11-12为本发明所涉及的缠绕气瓶管束式集装箱的压紧块ⅰ及压紧块ⅱ的结构示意图。图中采用了一种新型的高压薄壁储运气瓶的防转动结构，防止缠绕气瓶运书过程中的防周向转动及轴向窜动。具体地，缠绕气瓶的两端分别与前端连接法兰7和防转组合法兰2连接，前端连接法兰通过螺栓连接前端板，防转组合法兰由法兰盘14、压紧块ⅰ15、压紧块ⅱ16组成，通过内六角螺栓将压紧块ⅱ16与法兰盘14进行紧固，紧固后连接缠绕气瓶5，旋靠后，通过内六角螺栓将压紧块ⅰ15与压紧块ⅱ16进行紧固，再用螺栓将法兰盘14固定在后端板1上。前端板6与集装箱式箱体的连接方式采用螺栓连接；后端板1与集装箱式箱体的连接方式采用焊接固定。
图9为本发明所涉及的缠绕气瓶管束式集装箱的门结构示意图。集装箱式框架的左右两侧和底部都安装侧板以及可活动的百叶窗3，上端安装篷布或顶板8，侧板和篷布组成了一个封闭的箱体。管束式集装箱的侧面和底部都焊接了1.5mm钢板，能够起到防火防水的作用，同时也能在运输的时候阻挡砂石飞溅，能够有效的保护气瓶不受损，也延长了气瓶的使用寿命，管束式集装箱顶部采用1.5mm的钢质顶部或采用防火防水和耐腐蚀的篷布作为封顶，从顶部保证缠绕气瓶不受砂石飞溅的影响，侧面安装的可活动的百叶窗可以在管束式集装箱内部温度较高时加快内部空气的流动，实现快速降温。
本发明管束式集装箱采用了轻量化、容重比高的大容积钢质内胆环向碳纤维缠绕气瓶和框架组成，比钢质无缝气瓶的重容比降低了60％，在相同的道路限载的前提下，本管束式集装箱能够充装更多的介质，以充装氢气为例，其总容积、充装质量及自重见下表。
本发明管束式集装箱是封闭的结构，侧面和底部都焊接了1.5mm钢板，能够起到防火防水的作用，同时也能在运输的时候阻挡砂石飞溅，能够有效的保护气瓶不受损，也延长了气瓶的使用寿命，管束式集装箱还采用了防火防水和耐腐蚀的篷布作为封顶，能够进一步减轻整体的重量。侧面安装的可活动的百叶窗可以在管束式集装箱内部温度较高时加快内部空气的流动，实现快速降温。管路与瓶阀之间采用螺旋管路的柔性连接结构，管路系统的稳定更好，在剧烈震动的情况下能够保证不产生气体泄漏。
如无特别说明，本文中出现的类似于“第一”、“第二”的限定语并非是指对时间顺序、数量、或者重要性的限定，而仅仅是为了将本技术方案中的一个技术特征与另一个技术特征相区分。同样地，本文中出现的类似于“一”的限定语并非是指对数量的限定，而是描述在前文中未曾出现的技术特征。同样地，本文中在数词前出现的类似于“大约”、“近似地”的修饰语通常包含本数，并且其具体的含义应当结合上下文意理解。同样地，除非是有特定的数量量词修饰的名词，否则在本文中应当视作即包含单数形式又包含复数形式，在该技术方案中即可以包括单数个该技术特征，也可以包括复数个该技术特征。
本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。
1.一种缠绕气瓶管束式集装箱，其特征在于，包括：前端板、后端板以及9个大容积钢质内胆环向碳纤维缠绕气瓶，所述缠绕气瓶的两端分别与前端连接法兰和新型防转组合法兰连接，所述防转组合法兰由法兰盘、压紧块ⅰ、压紧块ⅱ组成，通过内六角螺栓将所述压紧块ⅱ与法兰盘进行紧固，紧固后连接所述缠绕气瓶，旋靠后，通过内六角螺栓将压所述紧块ⅰ与所述压紧块ⅱ进行紧固，再用螺栓将所述法兰盘固定在所述后端板上；
所述大容积钢质内胆环向碳纤维缠绕气瓶包括钢质内胆、承压层和保护层、前端塞和后端塞；
所述前端塞连接后端安全装置，所述后端塞安装连接管路；所述气瓶通过瓶塞能够向气瓶内充装和泄放介质，所述大容积钢质内胆环向碳纤维缠绕气瓶的内胆外径为719mm；
所述缠绕气瓶管束式集装箱的气瓶额定总容积达到37m3。
2.根据权利要求1所述的一种缠绕气瓶管束式集装箱，其特征在于，所述连接管路采用柔性连接结构。
3.根据权利要求2所述的一种缠绕气瓶管束式集装箱，其特征在于，所述柔性连接结构为螺旋结构。
4.根据权利要求2所述的一种缠绕气瓶管束式集装箱，其特征在于，所述柔性连接结构外还设置有保护层，所述保护层由橡胶材料制成。
5.根据权利要求2所述的一种缠绕气瓶管束式集装箱，其特征在于，所述柔性连接结构为表面设置有多道褶皱部的连接管件。
6.根据权利要求3所述的一种缠绕气瓶管束式集装箱，其特征在于，所述螺旋结构包括相间隔的螺旋凸起和螺旋凹槽，所述的螺旋凹槽收缩折叠时螺旋凸起相互贴合。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种缠绕气瓶管束式集装箱，其特征在于，所述大容积钢质内胆环向碳纤维缠绕气瓶包括：钢制内胆，所述钢制内胆外设置承压层，所述承压层外设置保护层，所述承压层包括碳纤维缠绕承压层，所述保护层包括玻璃纤维缠绕保护层，钢制内胆的一段通过内螺纹与前端盖旋紧固定，另一端与后端盖旋紧固定，其中，碳纤维缠绕承压层采用正交缠绕与交叉缠绕的组合缠绕工艺，使碳纤维既承受径向应力又兼顾承受轴向应力；所述钢质内胆的圆度(即在同一截面上的最大外径与最小外径差)不超过该截面平均外径的2％；所述钢质内胆的直线度不超过所述钢质内胆总长的0.15％。
8.根据权利要求7所述的一种缠绕气瓶管束式集装箱，其特征在于，所述缠绕螺旋角度均匀变大，缠绕方式为正、反向交替、交叉缠绕。
9.根据权利要求1-6任一项所述的一种缠绕气瓶管束式集装箱，其特征在于，管束式集装箱的侧面和底部都焊接了1.5mm钢板，所述管束式集装箱顶部采用1.5mm的钢质顶部或采用防火防水和耐腐蚀的篷布作为封顶，所述管束式集装箱侧面安装有可活动的百叶窗。
10.根据权利要求8所述的一种缠绕气瓶管束式集装箱，其特征在于，所述钢制内胆采用旋转喷淋热处理工艺，热处理后的金相组织为回火索氏体，晶粒度≥6级。
技术总结