大容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶(大直徑鉻鉬鋼)

1、大容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶介紹趙京茂(石家莊安瑞科氣體機(jī)械有限公司 河北石家莊 050061摘要:介紹了大容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶的用途、規(guī)格、材料、設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和試驗(yàn)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(wú)縫氣瓶 介紹前言隨著工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,發(fā)達(dá)國(guó)家于20世紀(jì)60年代成功開(kāi)發(fā)出單體容積在500升以上的大容積鋼

2、質(zhì)無(wú)縫氣瓶,打破了一直以來(lái)采用中、小容積氣瓶裝運(yùn)氣體的傳統(tǒng)運(yùn)輸方式。他們將幾個(gè)或十幾個(gè)大容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶的頭部連通在一起并組裝在框架里,放在拖車(chē)上運(yùn)送氧、氮、氫、氦、天然氣等永久氣體,作為儲(chǔ)罐用以給用戶(hù)供氣。我國(guó)自上世紀(jì)80年代開(kāi)始,陸續(xù)從美國(guó)、日本或韓國(guó)進(jìn)口上述大容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶,用于天然氣、氦氣等壓縮氣體的中、短途運(yùn)輸。這些進(jìn)口的大容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶均按照美國(guó)運(yùn)輸部DOT-3AAX或3T規(guī)范設(shè)計(jì)、制造。隨著我國(guó)陜氣進(jìn)京、西氣東輸?shù)软?xiàng)目的實(shí)施,人們對(duì)清潔燃料的需求日益增加,這正好為大容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶帶來(lái)了發(fā)展良機(jī)。石家莊安瑞科氣體機(jī)械有限公司(原新奧集團(tuán)石家莊化工機(jī)械股份有限公司抓住這一歷史機(jī)

3、遇,于2001年開(kāi)始投入巨資進(jìn)行研制,終于在2002年成功研制出中國(guó)第一只大容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶。由于我國(guó)尚無(wú)大容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),我們?cè)趨⒄彰绹?guó)DOT規(guī)范、ISO標(biāo)準(zhǔn)以及國(guó)家有關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,制定了氣瓶的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),并經(jīng)全國(guó)氣瓶標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)審查、備案。在研制中,根據(jù)國(guó)家質(zhì)檢總局的要求,結(jié)合中國(guó)特點(diǎn),增加了氣瓶型式試驗(yàn)的要求。下面重點(diǎn)介紹我公司研制的大容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶的有關(guān)情況。1 氣瓶規(guī)格大容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶的公稱(chēng)工作壓力在基準(zhǔn)溫度時(shí)可為15MPa或15MPa以上,最高可達(dá)27MPa。目前國(guó)內(nèi)常用的大容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶的公稱(chēng)工作壓力為16.6MPa、20MPa、25MPa 三種。單個(gè)氣

4、瓶的容積一般都在500L以上,最大可達(dá)2600L。氣瓶長(zhǎng)度一般在5m以上,最長(zhǎng)可達(dá)12.19m(40英尺。其直徑一般為406mm、559mm,以559mm為最常見(jiàn)。主要規(guī)格見(jiàn)表1。表1 大容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶主要規(guī)格表公稱(chēng)工作 壓力 外直徑計(jì)算壁厚公稱(chēng)容積長(zhǎng)度 重量MPa psi mm mm L mm kg 瓶體材質(zhì)盛運(yùn)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?dú)庋鯕鈿鍤夂馓烊粴鈿錃庀喈?dāng)于DOT-3AAX2300 10975 21401760 8500 16601710 8235 161020 2900 559 12.81080 5400 10604145不能用于盛儲(chǔ)運(yùn)氫氣、天然氣相當(dāng)于DOT-3T2 材料大容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶采用大直徑鉻鉬鋼材料的無(wú)縫鋼管制造,國(guó)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(jī)械性能,其最大優(yōu)點(diǎn)是在高強(qiáng)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(jì)的鉻鉬鋼氣瓶已在歐美各國(guó)廣泛使用。制造大容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶材料的主要牌號(hào)為4130X 及4145,其化學(xué)成分見(jiàn)表2,熱處理后的機(jī)械性能見(jiàn)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(jī)械性能-40 A KV J牌號(hào)R mMPa R P0.2 MPa R P0.2 / R m% A 50% 三個(gè)試樣平均值 單個(gè)試樣最小值 HB4130X 72086948574586 2040 32 1952

7、6941459301060 760910163226277330注:4145材料不得用于盛運(yùn)氫氣和天然氣。3 氣瓶設(shè)計(jì)根據(jù)氣瓶安全監(jiān)察規(guī)定的要求,氣瓶設(shè)計(jì)實(shí)行設(shè)計(jì)文件鑒定制度。氣瓶設(shè)計(jì)文件應(yīng)當(dāng)經(jīng)國(guó)家質(zhì)檢總局特種設(shè)備安全監(jiān)察機(jī)構(gòu)核準(zhǔn)的檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)鑒定,方可用于制造。本文僅對(duì)氣瓶瓶體壁厚計(jì)算和附加應(yīng)力校核作一介紹。 3.1 壁厚計(jì)算國(guó)產(chǎn)大容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶壁厚計(jì)算公式與美國(guó)氣瓶標(biāo)準(zhǔn)的DOT-3AAX 和DOT-3T 的壁厚計(jì)算公式一致,即為巴赫公式。見(jiàn)下式:hh P P D t 4.03.11(2+=式中:瓶壁應(yīng)力的許用值, MPa;P h 規(guī)定的最小試驗(yàn)壓力(5/3倍工作壓力,MPa; D 0瓶體

8、外徑,mm。在設(shè)計(jì)中,當(dāng)選用4130X 材料時(shí),瓶壁應(yīng)力的許用值不得大于材料最小抗拉強(qiáng)度的67%,且不得大于482MPa(70000PSI。當(dāng)選用4145材料時(shí),瓶壁應(yīng)力的許用值不得大于材料最小抗拉強(qiáng)度的67%,且不得大于624MPa(90500PSI。3.2 附加應(yīng)力校核由于大容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶較長(zhǎng),使用時(shí)僅靠?jī)啥怂街С?氣瓶自身重量造成的彎曲會(huì)在氣瓶軸向形成拉應(yīng)力。此外,在進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí),由于氣瓶自重及內(nèi)部水的重量,還會(huì)在軸向形成拉應(yīng)力。因此,在大容積氣瓶設(shè)計(jì)時(shí),除需進(jìn)行常規(guī)的壁厚計(jì)算外,還應(yīng)進(jìn)行附加應(yīng)力校核。附加應(yīng)力校核的原則是,由于彎曲形成底部金屬的最大拉應(yīng)力的兩倍,加上在同一部位由于

9、水壓試驗(yàn)形成軸向拉應(yīng)力的和,應(yīng)不超過(guò)所用鋼的最小屈服強(qiáng)度的80%,即:s h K P I MD %8018.922021+=+ 式中: s 瓶體材料屈服強(qiáng)度下限值,MPa;1由于彎曲產(chǎn)生的拉應(yīng)力,MPa; 由于水壓試驗(yàn)產(chǎn)生的拉應(yīng)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(yàn)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(wú)縫氣瓶按批組織生產(chǎn),為保證氣瓶質(zhì)量,確?？勺匪菪?每只氣瓶都有獨(dú)立且不重復(fù)的編碼,并帶有“工序檢查單”,自鋼管進(jìn)廠(chǎng)檢驗(yàn)到完工入庫(kù)全過(guò)程進(jìn)行控制。當(dāng)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(yàn)合格,不得轉(zhuǎn)入下道工序。大容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶主要制造工藝如下:鋼管檢查:由于無(wú)縫鋼管是軋制或鍛制產(chǎn)品,制造過(guò)程中鋼管內(nèi)、外表面難免會(huì)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(zhǎng)度進(jìn)行100%的超聲檢測(cè),以檢查軸向和環(huán)向缺陷,其合格標(biāo)準(zhǔn)是缺陷深度不得超過(guò)壁厚的5%。與此同時(shí)還對(duì)鋼管進(jìn)行100%超聲測(cè)厚,以確保鋼管最小壁厚滿(mǎn)足圖樣和工藝要求。鋼管內(nèi)壁磨光:鋼管扎制或鍛制過(guò)程中,內(nèi)表面會(huì)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(jī)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(jī)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(jìn)行熱處理,以獲得所需的機(jī)械性能。熱處理方法為“淬火十回火”(即調(diào)質(zhì)。為檢驗(yàn)氣瓶熱處理后的機(jī)械性能是否滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)或圖樣的要求,應(yīng)將試驗(yàn)環(huán)與氣瓶同爐進(jìn)行熱處理。同一批氣瓶應(yīng)帶一個(gè)試驗(yàn)環(huán),試驗(yàn)環(huán)的長(zhǎng)度至少為610mm。試驗(yàn)環(huán)應(yīng)與其所代表的同批鋼瓶具有相同的公稱(chēng)直徑和設(shè)計(jì)壁厚、采用同一爐罐號(hào)鋼、同爐熱處理,試驗(yàn)環(huán)兩端應(yīng)封閉以與氣瓶熱處理狀態(tài)一致。硬度檢測(cè):采用便攜式布氏硬度儀對(duì)熱處理后的氣瓶進(jìn)行硬度檢測(cè)。沿氣瓶長(zhǎng)度方向的兩端和中間

12、部位至少選取3個(gè)截面,截面間距不超過(guò)3m,每個(gè)截面沿圓周每隔90o測(cè)一點(diǎn),其硬度值應(yīng)符合設(shè)計(jì)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(jī)械性能試驗(yàn)及金相檢測(cè):自試驗(yàn)環(huán)上切取試樣,進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、壓扁試驗(yàn)(適用于4130X材料氣瓶及金相檢測(cè)。外表面拋丸除銹:對(duì)檢測(cè)合格的氣瓶外表面進(jìn)行拋丸除銹,以便進(jìn)行磁粉探傷。磁粉檢測(cè):檢查氣瓶有無(wú)因淬火不當(dāng)而產(chǎn)生的表面裂紋。瓶口螺紋:采用數(shù)控螺紋加工機(jī)床加工瓶端螺紋,以裝配連接時(shí)所需的附件。采用螺紋規(guī)檢測(cè)螺紋加工質(zhì)量。外測(cè)法水壓試驗(yàn):采用水套法測(cè)定氣瓶的重量、容積和容積殘余變形率。氣瓶試驗(yàn)壓力為5/3倍的公稱(chēng)工作壓力,在試驗(yàn)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(guò)10%為合格。超聲檢測(cè)及測(cè)厚:對(duì)氣瓶進(jìn)行100%超聲檢測(cè),以無(wú)超過(guò)氣瓶最小壁厚5%的缺陷存在為合格。同時(shí)對(duì)氣瓶直段進(jìn)行100%超聲測(cè)厚,所測(cè)得的最小壁厚值不得小于圖樣規(guī)定的最小設(shè)計(jì)厚度。內(nèi)表面噴砂及清理:先進(jìn)行內(nèi)表面噴砂,之后用高壓水清洗,再熱風(fēng)吹干,以獲得清潔、干燥、光滑的內(nèi)表面。內(nèi)壁檢測(cè):采用內(nèi)窺攝像系統(tǒng)及反光鏡對(duì)氣瓶及瓶肩內(nèi)壁進(jìn)行檢測(cè),確保內(nèi)壁清潔、干燥、光滑。氣密性試驗(yàn):對(duì)氣瓶進(jìn)行氣密性試驗(yàn),試驗(yàn)壓力為氣瓶的公稱(chēng)工作壓力。外表面噴砂、打鋼印、噴漆。充氮保護(hù):氣瓶出廠(chǎng)時(shí),內(nèi)部充以0.2MPa 0.3MPa的氮?dú)狻?

14、 檢驗(yàn)與試驗(yàn)大容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶的檢驗(yàn)分為出廠(chǎng)檢驗(yàn)和型式試驗(yàn),出廠(chǎng)檢驗(yàn)又分為逐只檢驗(yàn)和批量檢驗(yàn)。關(guān)于大容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶的型式試驗(yàn),美國(guó)規(guī)范和ISO標(biāo)準(zhǔn)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(guó)內(nèi)無(wú)縫氣瓶標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定而確定的。當(dāng)遇有下列情況之一時(shí),應(yīng)對(duì)氣瓶進(jìn)行型式試驗(yàn):a新設(shè)計(jì)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(guó)家有關(guān)規(guī)定，氣瓶的型式試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)由國(guó)家質(zhì)檢總局核準(zhǔn)的具有氣瓶型式試驗(yàn)資 格的檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行。 大容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶的主要檢驗(yàn)和試驗(yàn)項(xiàng)目見(jiàn)表 4： 表4 序號(hào) 檢驗(yàn)項(xiàng)目 逐只檢驗(yàn) 1 2 3 4 5 6

15、 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 原材料檢驗(yàn) 瓶體壁厚檢測(cè) 瓶體制造公差檢測(cè) 瓶體內(nèi)、外觀檢驗(yàn) 拉伸試驗(yàn) 沖擊試驗(yàn) 壓扁試驗(yàn) 硬度檢測(cè) 金相檢測(cè) 超聲檢測(cè) 磁粉檢測(cè) 瓶端螺紋檢測(cè) 外測(cè)法水壓試驗(yàn) 氣密性試驗(yàn) 瓶體端部解剖檢驗(yàn) 疲勞試驗(yàn) 爆破試驗(yàn) 注： （1）氣瓶疲勞試驗(yàn)的次數(shù)為 1.5 萬(wàn)次。循環(huán)壓力上限為氣瓶水壓試驗(yàn)壓力，循環(huán)壓力 下限應(yīng)不超過(guò)氣瓶循環(huán)壓力上限的 10%， 疲勞循環(huán)次數(shù)達(dá)到 1.5 萬(wàn)次鋼瓶瓶體無(wú)泄漏和損壞 為合格。 （2）氣瓶實(shí)際爆破壓力不得低于氣瓶公稱(chēng)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(wú)碎片產(chǎn)生。 （1） 氣瓶主要

16、檢驗(yàn)和試驗(yàn)項(xiàng)目 出廠(chǎng)檢驗(yàn) 批量檢驗(yàn) 型式 備注 試驗(yàn) 適用于4130X材料 氣瓶 重點(diǎn)是內(nèi)表面 （2） 7 結(jié)語(yǔ) 從以上介紹可知，石家莊安瑞科氣體機(jī)械有限公司制造的大容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶具有以 下特點(diǎn)： （1）設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到了實(shí)際使用情況，對(duì)氣瓶進(jìn)行了附加應(yīng)力校核。 （2）嚴(yán)格控制原材料鋼管（4130X）中硫、磷含量，滿(mǎn)足氫氣、天然氣等有應(yīng)力腐蝕 傾向介質(zhì)對(duì)材料的要求。 （3） 設(shè)計(jì)瓶壁厚度時(shí)， 兩種材料分別取不同的瓶壁應(yīng)力許用值， 以充分發(fā)揮材料優(yōu)勢(shì)， 做到輕量化。 （4）原材料鋼管進(jìn)廠(chǎng)后進(jìn)行 100%無(wú)損檢測(cè)和超聲測(cè)厚，確保投料鋼管合格。 （5）熱處理后檢測(cè)項(xiàng)目齊全，確保材料在熱處理后能夠得到優(yōu)良的綜合機(jī)械性