大容積固定式瓶式壓力容器設(shè)計與制造若干問題的討論

張新建 吳如元 姚佐權(quán)

(合肥通用機械研究院 國家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心)

大容積固定式瓶式壓力容器設(shè)計與制造若干問題的討論

張新建*吳如元 姚佐權(quán)

(合肥通用機械研究院 國家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心)

介紹了瓶式容器的生產(chǎn)依據(jù)和設(shè)計方法，指出了瓶式容器設(shè)計與氣瓶設(shè)計的不同之處。針對瓶式容器收口成形過程中在瓶肩表面可能產(chǎn)生的褶皺類缺陷，提出采用端部削薄的方法，通過降低瓶肩增厚程度，避免產(chǎn)生褶皺。另外，企業(yè)首次生產(chǎn)的瓶式容器應(yīng)經(jīng)過試制與試用后方可開展批量生產(chǎn)。

瓶式容器 設(shè)計制造 削薄處理

大容積鋼瓶(450～3 000L)是近年來開發(fā)的一種無縫承壓設(shè)備，由于制造工藝相對簡單，又可批量生產(chǎn)，適用于儲存高壓氣體，因而市場前景很好。大容積鋼瓶沒有適用的國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，“質(zhì)檢特函[2012]32號”規(guī)定可按大容積氣瓶或大容積固定式瓶式壓力容器(以下簡稱“瓶式容器”)進(jìn)行生產(chǎn)。按氣瓶進(jìn)行生產(chǎn)時可參照TSG R0006-2014《氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》(以下簡稱《瓶規(guī)》)、GB 5099-1994《鋼質(zhì)無縫氣瓶》、美國DOT規(guī)范以及ISO標(biāo)準(zhǔn)等制定企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通過全國氣瓶標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會的評審并進(jìn)行備案后可用于大容積氣瓶的生產(chǎn)。按瓶式容器進(jìn)行生產(chǎn)時可參照TSG R0004-2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》(以下簡稱《固容規(guī)》)、JB 4732-1995(2005年確認(rèn))《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》等制定企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通過全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會的評審和備案，并按《固容規(guī)》第1.9條規(guī)定進(jìn)行試制、試用后也可以進(jìn)行相應(yīng)規(guī)格瓶式容器的生產(chǎn)。

盡管“質(zhì)檢特函[2012]32號”定義了“瓶式容器”的概念，但是《固容規(guī)》、JB 4732和其他國內(nèi)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)對于“瓶式容器”的設(shè)計、制造、充裝、運輸、儲存、經(jīng)銷、使用和檢驗8個環(huán)節(jié)的要求基本沒有。國外壓力容器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范也沒有“瓶式容器”的概念，更沒有相關(guān)要求與規(guī)定。從外形上看，瓶式容器仍是一種大容積氣瓶，但其設(shè)計方法、出廠監(jiān)檢及使用管理等完全不同于氣瓶，因此瓶式容器是壓力容器的一種，而非氣瓶。鑒于瓶式容器的原材料和制造過程與氣瓶非常相似，故瓶式容器的設(shè)計、制造、無損檢測以及充裝使用等過程必須充分借鑒氣瓶相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范(如《瓶規(guī)》等)，且要求不得低于氣瓶相關(guān)規(guī)范的規(guī)定。筆者對瓶式容器設(shè)計與制造時的若干問題進(jìn)行討論，并以一只容積為1 000L、設(shè)計壓力為35MPa的壓縮氦氣固定式瓶式容器的設(shè)計為例，重點介紹瓶式容器的設(shè)計參數(shù)與氣瓶設(shè)計的不同之處。

1 瓶式容器設(shè)計若干問題的討論

1.1 設(shè)計參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)

瓶式容器的充裝介質(zhì)與盛裝壓縮氣體的氣瓶一致，通常為壓縮天然氣(CNG)、N2、Ar、He或空氣等壓縮氣體。但瓶式容器作為固定式壓力容器應(yīng)根據(jù)《固容規(guī)》的規(guī)定進(jìn)行分組，同設(shè)計壓力、容積一起作為劃分瓶式容器類別的依據(jù)。

不同于氣瓶的公稱工作壓力，瓶式容器的工作壓力和工作溫度有明確的對應(yīng)關(guān)系，工作壓力應(yīng)為瓶式容器在最高工作溫度下，容器內(nèi)可能達(dá)到的最高壓力(表壓)。瓶式容器的最低和最高設(shè)計溫度通常參考?xì)馄康臉O限使用溫度設(shè)定為-40～60℃。

瓶式容器的設(shè)計應(yīng)符合經(jīng)評審備案的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和JB 4732的相關(guān)規(guī)定，并按JB 4732的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行疲勞分析計算。根據(jù)JB 4732進(jìn)行應(yīng)力分析時，應(yīng)考慮由于瓶式容器較長，使用時僅靠兩端水平支承，瓶式容器自身重量造成的彎曲在瓶體軸向形成的拉應(yīng)力。

1.2 選材

瓶式容器瓶體用材料牌號為4130X或30CrMoE等大容積氣瓶用無縫鋼管[1]，無縫鋼管材料應(yīng)為電爐或氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉的全鎮(zhèn)靜鋼，并采用爐外精煉加真空處理等工藝。無縫鋼管的制造單位應(yīng)按TSG R0004-2009經(jīng)過國家質(zhì)檢總局委托的技術(shù)組織或者技術(shù)機構(gòu)的技術(shù)評審。

4130X或30CrMoE無縫鋼管均經(jīng)淬火加回火(調(diào)質(zhì))熱處理，其C含量為0.25%～0.35%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，超出了《固容規(guī)》用于焊接的低合金鋼鋼材C含量不高于0.25%的要求，因此瓶體在制造過程中任何性質(zhì)的缺陷不得采用焊接修補，且瓶式容器與框架之間的連接也不得采用焊接連接。

由于瓶體用4130X或30CrMoE無縫鋼管屬于鉻鉬鋼，按氣瓶設(shè)計時端塞材料常采用與之相匹配的35CrMo鍛件，然而，按瓶式容器設(shè)計時，端塞屬于受壓元件，應(yīng)采用壓力容器用鋼，而按NB/T 47008-2010《承壓設(shè)備用碳素鋼和低合金鋼鍛件》選擇的35CrMo鍛件使用溫度下限為-20℃，無法滿足瓶式容器最低工作溫度-40℃的需要，因此建議瓶式容器端塞采用使用溫度下限為-40℃的低溫承壓設(shè)備用低合金鋼鍛件，如16MnD等。

1.3 筒體壁厚計算

不同于大容積氣瓶壁厚計算時采用的Batch公式(第二強度理論)，瓶式容器壁厚計算時采用JB 4732中的圓筒厚度計算公式，即根據(jù)第三強度理論簡化得到的二維薄殼圓筒計算公式，設(shè)計應(yīng)力強度按《固容規(guī)》和JB 4732的相關(guān)規(guī)定選取。

瓶式容器的最小壁厚應(yīng)大于或等于設(shè)計壁厚，在確定瓶式容器的最小壁厚時，應(yīng)考慮腐蝕、機械磨損以及加工工藝等導(dǎo)致的厚度削弱減薄量。應(yīng)根據(jù)預(yù)期的使用年限和介質(zhì)對金屬的腐蝕速率等確定腐蝕裕量，一般情況下應(yīng)不小于1.0mm。

2 瓶式容器制造若干問題的討論

瓶式容器是采用大直徑無縫鋼管在加熱條件下，通過旋壓的方法進(jìn)行收口成形制成的，在收口過程中不添加任何金屬，且收口成形按評定合格的工藝進(jìn)行。

2.1 瓶肩褶皺缺陷與預(yù)防措施

目前，國內(nèi)經(jīng)批準(zhǔn)的企標(biāo)在“瓶式容器制造、檢驗與驗收”章節(jié)中均規(guī)定“同一批瓶式容器瓶體應(yīng)帶一個試驗環(huán)”，試件取樣是從試驗環(huán)側(cè)壁切取的，筆者認(rèn)為，試驗環(huán)是應(yīng)該帶的，但它僅能檢驗瓶體在熱處理前后材料性能的變化情況，無法代表瓶式容器端部材料性能變化的情況。瓶式容器端部是在加熱條件下，采用旋壓方法進(jìn)行收口成形的，在這個過程中大量的金屬被擠壓，在外部形成了半球形(或近似半球形)肩部與瓶口，在瓶肩表面有可能會形成褶皺，如圖1所示，類似缺陷常出現(xiàn)在瓶肩內(nèi)表面，瓶式容器在端部成形后，由于瓶口直徑較小，采用常規(guī)的檢驗方法難以發(fā)現(xiàn)缺陷，對發(fā)現(xiàn)的缺陷要清除更是困難。褶皺類缺陷會對瓶式容器的質(zhì)量產(chǎn)生較大危害，造成應(yīng)力集中，進(jìn)而影響瓶式容器的疲勞壽命[2]。

圖1 瓶式容器肩部內(nèi)表面缺陷

為盡量避免瓶式容器瓶肩產(chǎn)生褶皺等缺陷，協(xié)調(diào)瓶肩處的應(yīng)力水平，通過借鑒壓力容器厚壁封頭成形過程，建議對瓶式容器端部成形部位進(jìn)行削薄處理，減小瓶肩壁厚增厚程度，降低形成褶皺等缺陷的可能性。端部削薄可在無縫鋼管兩端的內(nèi)表面進(jìn)行。削薄后的金屬量可通過瓶肩所需的金屬量來確定，原則一是使瓶肩部位的壁厚接近瓶體部位的壁厚或略有增加；二是使瓶口部位的壁厚滿足內(nèi)外螺紋的加工有足夠的裕量。端部削薄工藝和削薄尺寸應(yīng)經(jīng)工藝評定合格后方可在瓶式容器生產(chǎn)時加以推廣。理論上經(jīng)削薄后成形的大容積瓶式容器端部的表面質(zhì)量應(yīng)會得到一定程度的改善。對瓶式容器生產(chǎn)企業(yè)來說，以機加工的方式對無縫鋼管端部進(jìn)行削薄也許并不容易，為此建議無縫鋼管的生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)無縫鋼管的同時，可將其端部形狀一并軋制出來。

2.2 型式試驗

瓶式容器端部在收口時肩部壁厚有較大的增厚，由于端部呈半球形，應(yīng)力水平往往較低，通過水壓試驗等常規(guī)檢驗難以暴露缺陷的存在，但在長期的使用過程中，尤其在循環(huán)載荷的作用下，有可能發(fā)生疲勞破壞[3]。瓶式容器端部成形是一個大變形的過程，應(yīng)是瓶式容器試驗、檢驗的重點，目前國內(nèi)經(jīng)批準(zhǔn)的企標(biāo)均缺少這部分的要求，筆者認(rèn)為是不夠完善的，難以保證瓶式容器的安全性能。此外，瓶式容器既屬于固定式壓力容器的范圍，應(yīng)當(dāng)遵循《固容規(guī)》的要求。當(dāng)企業(yè)首次制造瓶式容器時，必須按照《固容規(guī)》第1.9條的規(guī)定開展瓶式容器的試制與試用，試制階段應(yīng)充分借鑒氣瓶相關(guān)規(guī)范的要求，進(jìn)行所生產(chǎn)規(guī)格瓶式容器的型式試驗，其內(nèi)容包括且不僅限于瓶體測厚、拉伸試驗、沖擊試驗、冷彎試驗、壓扁試驗、硬度測試、金相組織、無損探傷、水壓試驗、氣密性試驗、爆破試驗以及疲勞試驗等。目前國內(nèi)大容積瓶式容器相關(guān)的企標(biāo)中缺少型式試驗這部分內(nèi)容，即缺少了瓶式容器試制與試用的過程，筆者認(rèn)為不妥。瓶式容器企標(biāo)中缺少試制與試用(或型式試驗)將使其要求顯著低于大容積氣瓶的相關(guān)要求，因為型式試驗是大容積氣瓶定型時的強制性要求，在大容積氣瓶企標(biāo)中是必不可少的。

3 瓶式容器設(shè)計案例

選取的瓶式容器設(shè)計壓力35MPa，容積1 000L，充裝介質(zhì)為壓縮氦氣，在室溫和大氣壓力下，氦是無色、無味的氣體，無毒、非易爆，是單原子氣體，化學(xué)性質(zhì)不活潑，為確保其在儲存過程中不結(jié)露，要求氦氣中的水露點在操作壓力下比最低氣溫至少低5℃，常規(guī)要求為-50℃(35MPa)。

該瓶式容器瓶體為4130X材料，經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理，4130X無縫鋼管的制造單位應(yīng)為全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會發(fā)布的鍋爐壓力容器用材料技術(shù)評審?fù)ㄟ^名錄中的單位。

壓縮氦氣固定式瓶式容器由瓶體、前后端塞、鎖緊法蘭及框架等組成，設(shè)備簡圖如圖2所示。

圖2 瓶式容器結(jié)構(gòu)簡圖

壓縮氦氣固定式瓶式容器設(shè)計參數(shù)為：

容器類別 Ⅲ

設(shè)計壓力 35MPa

工作壓力 0.0～33.5MPa

設(shè)計溫度 -40～60℃

工作溫度 -40～60℃

物料名稱 壓縮氦氣

物料特性 無毒，非易爆

材料 4130X(瓶體)/16MnDⅢ(端塞)

腐蝕裕度 1.0mm

設(shè)計使用年限 20a

全壽命壓力循環(huán)次數(shù) 10 000次

外形尺寸φ559mm×5580mm

瓶體設(shè)計厚度 29.8mm

公稱容積 1 000L

介質(zhì)充裝要求 不高于291.8Nm3(20℃)或小于48.0kg

熱處理 調(diào)質(zhì)(淬火+回火)

無損檢測 超聲波、磁粉

水壓試驗壓力 43.8MPa

氣密性試驗壓力 35MPa

安全閥型式 全啟式彈簧安全閥

安全閥整定壓力 35MPa

壓力表測量范圍 0～60MPa

壓力表測量精度等級 1.6

根據(jù)對瓶式容器工作壓力的限制，要求60℃時該瓶式容器內(nèi)的氦氣壓力上限值不得超過33.5MPa，通過借鑒并參照氣瓶充裝標(biāo)準(zhǔn)GB 14194-2006《永久氣體氣瓶充裝規(guī)定》可制定該瓶式容器在不同充裝溫度下的最高充裝壓力表，用以限制該瓶式容器的充裝壓力，避免由于過充裝導(dǎo)致的超壓事故。

該瓶式容器端塞與瓶體采用直管螺紋連接形式，螺紋應(yīng)具有足夠的機械強度，在校核螺紋應(yīng)力時應(yīng)考慮端塞密封預(yù)緊力的影響。端塞密封采用徑向密封和軸向密封相結(jié)合的形式(圖3)，徑向密封采用兩圈氟橡膠(FKM)O形圈，軸向密封采用帶環(huán)形波紋的紫銅墊。

圖3 瓶式容器密封形式簡圖

采用Batch公式(氣瓶)和JB 4732(瓶式容器)兩種計算方法并代入各自的許用應(yīng)力或設(shè)計應(yīng)力強度后得到的計算壁厚(均不包括腐蝕裕度)分別為27.8mm和28.8mm(工作壓力33.5MPa，外徑559mm)。

可以看出，按瓶式容器計算的壁厚比按氣瓶計算的壁厚更為保守，按瓶式容器設(shè)計時又考慮了1.0mm的腐蝕裕度，設(shè)計壁厚達(dá)29.8mm，因此，同規(guī)格瓶式容器比同規(guī)格的大容積氣瓶有更大的安全裕度。

4 結(jié)束語

企業(yè)首次生產(chǎn)瓶式容器時，必須開展瓶式容器的試制與試用，試制階段應(yīng)進(jìn)行所生產(chǎn)規(guī)格瓶式容器的型式試驗。瓶式容器端部在成形過程中，表面可能產(chǎn)生褶皺等缺陷，建議對端部成形部位進(jìn)行削薄處理，減小瓶肩增厚程度，降低形成褶皺等缺陷的可能性。指出了瓶式容器設(shè)計與氣瓶設(shè)計在設(shè)計參數(shù)、端塞材料、壁厚計算公式上的不同之處，以及在制定瓶式容器最高充裝壓力表時對氣瓶規(guī)范的借鑒。建議盡快制定大容積瓶式容器的國家標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范其結(jié)構(gòu)設(shè)計、選材、制造、檢驗(試驗)以及使用規(guī)則等，以便讓企業(yè)按標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)制造出質(zhì)量可靠、使用安全的產(chǎn)品，滿足廣大工業(yè)需求。

[1] GB 28884-2012，大容積氣瓶用無縫鋼管[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013．

[2] 張紅星．制造缺陷對車用氣瓶安全性能的影響[J]．化工機械，2015,42(1)：144～145．

[3] 范俊明，李世楷．40MPa高壓空氣瓶疲勞試驗失效分析[J]．壓力容器，2015，32(3)：45～49．

*張新建，男，1985年3月生，工程師。安徽省合肥市，230031。

TQ053.2

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0254-6094(2016)04-0531-04

2015-10-22)