大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶(大直徑鉻鉬鋼)

1、大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶介紹趙京茂(石家莊安瑞科氣體機械有限公司 河北石家莊 050061摘要:介紹了大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶的用途、規(guī)格、材料、設(shè)計、制造、檢驗和試驗等方面的要求。Abstract: The article introduce the requirements of usage、dimension、material、design、manufacture、inspection and test of large seamless steel cylinder.關(guān)鍵詞:大容積 鋼質(zhì)無縫氣瓶 介紹前言隨著工業(yè)和科學技術(shù)的發(fā)展,發(fā)達國家于20世紀60年代成功開發(fā)出單體容積在500升以上的大容積鋼

2、質(zhì)無縫氣瓶,打破了一直以來采用中、小容積氣瓶裝運氣體的傳統(tǒng)運輸方式。他們將幾個或十幾個大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶的頭部連通在一起并組裝在框架里,放在拖車上運送氧、氮、氫、氦、天然氣等永久氣體,作為儲罐用以給用戶供氣。我國自上世紀80年代開始,陸續(xù)從美國、日本或韓國進口上述大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶,用于天然氣、氦氣等壓縮氣體的中、短途運輸。這些進口的大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶均按照美國運輸部DOT-3AAX或3T規(guī)范設(shè)計、制造。隨著我國陜氣進京、西氣東輸?shù)软椖康膶嵤?人們對清潔燃料的需求日益增加,這正好為大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶帶來了發(fā)展良機。石家莊安瑞科氣體機械有限公司(原新奧集團石家莊化工機械股份有限公司抓住這一歷史機

3、遇,于2001年開始投入巨資進行研制,終于在2002年成功研制出中國第一只大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶。由于我國尚無大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶的國家標準,我們在參照美國DOT規(guī)范、ISO標準以及國家有關(guān)法規(guī)標準的基礎(chǔ)上,制定了氣瓶的企業(yè)標準,并經(jīng)全國氣瓶標準化技術(shù)委員會審查、備案。在研制中,根據(jù)國家質(zhì)檢總局的要求,結(jié)合中國特點,增加了氣瓶型式試驗的要求。下面重點介紹我公司研制的大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶的有關(guān)情況。1 氣瓶規(guī)格大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶的公稱工作壓力在基準溫度時可為15MPa或15MPa以上,最高可達27MPa。目前國內(nèi)常用的大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶的公稱工作壓力為16.6MPa、20MPa、25MPa 三種。單個氣

4、瓶的容積一般都在500L以上,最大可達2600L。氣瓶長度一般在5m以上,最長可達12.19m(40英尺。其直徑一般為406mm、559mm,以559mm為最常見。主要規(guī)格見表1。表1 大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶主要規(guī)格表公稱工作 壓力 外直徑計算壁厚公稱容積長度 重量MPa psi mm mm L mm kg 瓶體材質(zhì)盛運介質(zhì) 備注1080 5400 111016.6 2400 559 13.72300 10975 22552250 10975 27301700 8500 21201650 8235 2070559 16.51050 5400 135020 2900406 12.0 1200 109

5、75 1460406 15.0 1170 10975 180020.7 2000 10070 311525 362555920.7 920 4985 15504130X空氣氮氣氧氣氬氣氦氣天然氣氫氣相當于DOT-3AAX2300 10975 21401760 8500 16601710 8235 161020 2900 559 12.81080 5400 10604145不能用于盛儲運氫氣、天然氣相當于DOT-3T2 材料大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶采用大直徑鉻鉬鋼材料的無縫鋼管制造,國際上該種氣瓶也多采用鉻鉬鋼制造。鉻鉬鋼具有優(yōu)良的綜合機械性能,其最大優(yōu)點是在高強度水平上仍能保持良好的塑性和足夠的韌性

6、,甚至在-40條件下還具有出色的韌性。這種輕量化、安全經(jīng)濟的鉻鉬鋼氣瓶已在歐美各國廣泛使用。制造大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶材料的主要牌號為4130X 及4145,其化學成分見表2,熱處理后的機械性能見表3。Si 0.150.35 0.150.35 P 0.020 0.035 S 0.010 0.040 Cr 0.801.10 0.801.10 Mo0.150.250.150.25表3 熱處理后的機械性能-40 A KV J牌號R mMPa R P0.2 MPa R P0.2 / R m% A 50% 三個試樣平均值 單個試樣最小值 HB4130X 72086948574586 2040 32 1952

7、6941459301060 760910163226277330注:4145材料不得用于盛運氫氣和天然氣。3 氣瓶設(shè)計根據(jù)氣瓶安全監(jiān)察規(guī)定的要求,氣瓶設(shè)計實行設(shè)計文件鑒定制度。氣瓶設(shè)計文件應當經(jīng)國家質(zhì)檢總局特種設(shè)備安全監(jiān)察機構(gòu)核準的檢驗檢測機構(gòu)鑒定,方可用于制造。本文僅對氣瓶瓶體壁厚計算和附加應力校核作一介紹。 3.1 壁厚計算國產(chǎn)大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶壁厚計算公式與美國氣瓶標準的DOT-3AAX 和DOT-3T 的壁厚計算公式一致,即為巴赫公式。見下式:hh P P D t 4.03.11(2+=式中:瓶壁應力的許用值, MPa;P h 規(guī)定的最小試驗壓力(5/3倍工作壓力,MPa; D 0瓶體

8、外徑,mm。在設(shè)計中,當選用4130X 材料時,瓶壁應力的許用值不得大于材料最小抗拉強度的67%,且不得大于482MPa(70000PSI。當選用4145材料時,瓶壁應力的許用值不得大于材料最小抗拉強度的67%,且不得大于624MPa(90500PSI。3.2 附加應力校核由于大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶較長,使用時僅靠兩端水平支承,氣瓶自身重量造成的彎曲會在氣瓶軸向形成拉應力。此外,在進行水壓試驗時,由于氣瓶自重及內(nèi)部水的重量,還會在軸向形成拉應力。因此,在大容積氣瓶設(shè)計時,除需進行常規(guī)的壁厚計算外,還應進行附加應力校核。附加應力校核的原則是,由于彎曲形成底部金屬的最大拉應力的兩倍,加上在同一部位由于

9、水壓試驗形成軸向拉應力的和,應不超過所用鋼的最小屈服強度的80%,即:s h K P I MD %8018.922021+=+ 式中: s 瓶體材料屈服強度下限值,MPa;1由于彎曲產(chǎn)生的拉應力,MPa; 由于水壓試驗產(chǎn)生的拉應力,MPa; 彎矩 WL 2/8, Kg·mm;K 系數(shù),K =D 0 /D i ;(D i 瓶體內(nèi)直徑,mm; P h 規(guī)定的最小試驗壓力(5/3倍工作壓力,MPa; D 0瓶體外徑,mm。4 制造大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶按批組織生產(chǎn),為保證氣瓶質(zhì)量,確保可追溯性,每只氣瓶都有獨立且不重復的編碼,并帶有“工序檢查單”,自鋼管進廠檢驗到完工入庫全過程進行控制。當工序

10、工作完成后,操作者自檢合格后簽字提交檢查員檢查,未經(jīng)檢驗合格,不得轉(zhuǎn)入下道工序。大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶主要制造工藝如下:鋼管檢查:由于無縫鋼管是軋制或鍛制產(chǎn)品,制造過程中鋼管內(nèi)、外表面難免會存在缺陷。氣瓶質(zhì)量取決于鋼管質(zhì)量,因此在鋼管下料之前,先沿鋼管長度進行100%的超聲檢測,以檢查軸向和環(huán)向缺陷,其合格標準是缺陷深度不得超過壁厚的5%。與此同時還對鋼管進行100%超聲測厚,以確保鋼管最小壁厚滿足圖樣和工藝要求。鋼管內(nèi)壁磨光:鋼管扎制或鍛制過程中,內(nèi)表面會存在氧化皮及表面缺陷(如夾層、裂紋、折皺等,采用砂輪磨削清除內(nèi)壁缺陷,使內(nèi)壁露出金屬光澤。鋼管下料:采用機械方法或火焰切割將鋼管切割成所要求的

11、尺寸。 管端加熱:采用火焰或電將管端加熱,以便將管端加工成形。端部成型:采用滾輪或刮板式旋壓機或模鍛設(shè)備,將加熱好的管端旋壓或鍛壓成所需要的形狀和尺寸。熱處理:將成形后的氣瓶進行熱處理,以獲得所需的機械性能。熱處理方法為“淬火十回火”(即調(diào)質(zhì)。為檢驗氣瓶熱處理后的機械性能是否滿足標準或圖樣的要求,應將試驗環(huán)與氣瓶同爐進行熱處理。同一批氣瓶應帶一個試驗環(huán),試驗環(huán)的長度至少為610mm。試驗環(huán)應與其所代表的同批鋼瓶具有相同的公稱直徑和設(shè)計壁厚、采用同一爐罐號鋼、同爐熱處理,試驗環(huán)兩端應封閉以與氣瓶熱處理狀態(tài)一致。硬度檢測:采用便攜式布氏硬度儀對熱處理后的氣瓶進行硬度檢測。沿氣瓶長度方向的兩端和中間

12、部位至少選取3個截面,截面間距不超過3m,每個截面沿圓周每隔90o測一點,其硬度值應符合設(shè)計圖樣的規(guī)定,同一環(huán)向截面外表面的硬度值偏差不大于30HB。機械性能試驗及金相檢測:自試驗環(huán)上切取試樣,進行拉伸試驗、沖擊試驗、壓扁試驗(適用于4130X材料氣瓶及金相檢測。外表面拋丸除銹:對檢測合格的氣瓶外表面進行拋丸除銹,以便進行磁粉探傷。磁粉檢測:檢查氣瓶有無因淬火不當而產(chǎn)生的表面裂紋。瓶口螺紋:采用數(shù)控螺紋加工機床加工瓶端螺紋,以裝配連接時所需的附件。采用螺紋規(guī)檢測螺紋加工質(zhì)量。外測法水壓試驗:采用水套法測定氣瓶的重量、容積和容積殘余變形率。氣瓶試驗壓力為5/3倍的公稱工作壓力,在試驗壓力下至少保

13、壓30秒,以保證氣瓶充分膨脹。保壓期間不產(chǎn)生泄漏,并且容積殘余變形率不超過10%為合格。超聲檢測及測厚:對氣瓶進行100%超聲檢測,以無超過氣瓶最小壁厚5%的缺陷存在為合格。同時對氣瓶直段進行100%超聲測厚,所測得的最小壁厚值不得小于圖樣規(guī)定的最小設(shè)計厚度。內(nèi)表面噴砂及清理:先進行內(nèi)表面噴砂,之后用高壓水清洗,再熱風吹干,以獲得清潔、干燥、光滑的內(nèi)表面。內(nèi)壁檢測:采用內(nèi)窺攝像系統(tǒng)及反光鏡對氣瓶及瓶肩內(nèi)壁進行檢測,確保內(nèi)壁清潔、干燥、光滑。氣密性試驗:對氣瓶進行氣密性試驗,試驗壓力為氣瓶的公稱工作壓力。外表面噴砂、打鋼印、噴漆。充氮保護:氣瓶出廠時,內(nèi)部充以0.2MPa 0.3MPa的氮氣。5

14、 檢驗與試驗大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶的檢驗分為出廠檢驗和型式試驗,出廠檢驗又分為逐只檢驗和批量檢驗。關(guān)于大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶的型式試驗,美國規(guī)范和ISO標準未做要求,該要求是根據(jù)氣瓶安全監(jiān)察規(guī)程并參照國內(nèi)無縫氣瓶標準的有關(guān)規(guī)定而確定的。當遇有下列情況之一時,應對氣瓶進行型式試驗:a新設(shè)計的氣瓶;b改變氣瓶瓶體材料;c改變氣瓶瓶體的直徑、壁厚或結(jié)構(gòu)形狀;d改變氣瓶瓶體冷熱加工成形或熱處理規(guī)范等主要制造工藝。按照國家有關(guān)規(guī)定，氣瓶的型式試驗應當由國家質(zhì)檢總局核準的具有氣瓶型式試驗資 格的檢驗機構(gòu)進行。 大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶的主要檢驗和試驗項目見表 4： 表4 序號 檢驗項目 逐只檢驗 1 2 3 4 5 6

15、 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 原材料檢驗 瓶體壁厚檢測 瓶體制造公差檢測 瓶體內(nèi)、外觀檢驗 拉伸試驗 沖擊試驗 壓扁試驗 硬度檢測 金相檢測 超聲檢測 磁粉檢測 瓶端螺紋檢測 外測法水壓試驗 氣密性試驗 瓶體端部解剖檢驗 疲勞試驗 爆破試驗 注： （1）氣瓶疲勞試驗的次數(shù)為 1.5 萬次。循環(huán)壓力上限為氣瓶水壓試驗壓力，循環(huán)壓力 下限應不超過氣瓶循環(huán)壓力上限的 10%， 疲勞循環(huán)次數(shù)達到 1.5 萬次鋼瓶瓶體無泄漏和損壞 為合格。 （2）氣瓶實際爆破壓力不得低于氣瓶公稱工作壓力的 2.5 倍，瓶體爆破后破口必須在 瓶體的筒體部分，且無碎片產(chǎn)生。 （1） 氣瓶主要

16、檢驗和試驗項目 出廠檢驗 批量檢驗 型式 備注 試驗 適用于4130X材料 氣瓶 重點是內(nèi)表面 （2） 7 結(jié)語 從以上介紹可知，石家莊安瑞科氣體機械有限公司制造的大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶具有以 下特點： （1）設(shè)計時充分考慮到了實際使用情況，對氣瓶進行了附加應力校核。 （2）嚴格控制原材料鋼管（4130X）中硫、磷含量，滿足氫氣、天然氣等有應力腐蝕 傾向介質(zhì)對材料的要求。 （3） 設(shè)計瓶壁厚度時， 兩種材料分別取不同的瓶壁應力許用值， 以充分發(fā)揮材料優(yōu)勢， 做到輕量化。 （4）原材料鋼管進廠后進行 100%無損檢測和超聲測厚，確保投料鋼管合格。 （5）熱處理后檢測項目齊全，確保材料在熱處理后能夠得到優(yōu)良的綜合機械性