钢制无缝压力容器的制造与应用

1、钢制无缝压力容器的制造与应用胡鸿宾 ,倪庆尧 (新奥集团石家庄化工机械股份有限公司,河北石家庄 050061)中图分类号 :TQ05113 ;TQ05016 文献标识码 :B 文章编号 :1001 - 4837(2004) 03 - 0041 - 04 1 引言钢制无缝压力容器是由无缝钢管或中空锻件经热旋压或锻造,将两端收口成球型封头状的无焊缝压力容器。目前用于制造无缝压力容器的无缝钢管的直径由 200 mm 扩展到 610 mm, 其容积也从 30 L 扩大到 3000 L ,无缝压力容器的材质已从碳锰钢发展到铬钼合金钢, 热处理也随之由正火发展到调质 , 结果综合力学性能得到了很大的提高

2、,其抗拉强度可以达到 1100 MPa ,屈服限可达到 930 MPa ,同时具有良好的韧性 ,所以无缝压力 容器能承受较高的压力 ,且壁厚较薄 ,重量轻。无缝压力容器由于没有焊接接头,整体结构连续 ,不仅耐疲劳性能特别优于焊接压力容器,而且定期检验内容简单 ,花费较小 ,因此钢制无缝压力容器特别适合于组装成高压气体长管拖车或高压气体储气瓶组,用于运输和储存难于液化的气体如氢气、氦气、天然气、氧气、氮气、氩气。本文介绍的是大容量钢制无缝结构压力容器和大容量钢质无缝气瓶 , 两者在结构和制造方法上有一致 之处 ,但在设计、检验、使用、维护管理上是有区别的,作为固定使用的站用容器属于“压力容器”范

3、畴,而作为移动使用的长管拖车上的容器则属于“气瓶”范畴,即属于两个不同的标准范围和体系。2 钢制无缝压力容器的应用 工业气体应用最多的是氧气、氮气,随着工业的发展越来越多工业气体得到应用, 如氩气、氢气、氦气、天然气等。由于这些气体的临界温度很低，一般在-162-268 C，液化后储存和运输的难度很大，被称为永久气体。这些永久气体长期以来是被压缩到1520MPa充装到气瓶中储存和运输的。我国的气瓶制造业兴起较晚 ，早期曾使用过德国、法国、美国等 14 个国家的气瓶 ， 直到 1957 年国营东北机器制造厂设计、制造 出我国第一批容积 40L 、工作压力 150 大气压的钢制无缝气瓶 ， 才结束

4、了气瓶完全依赖进口的历史。 2000 年以前我国在上海、 北京等地建成了十几个钢制无缝气瓶生产厂，但生产气瓶的规格为容积在80 L 以下，压力在 20 MPa 以下。工业气体是钢铁、化工、电子、医疗、金属加工等工业的基础之一，随着经济的快速增长 ，促进了我国工业气体行业的发展 ，尤其是外国气体公司的进入 ，使我国工业气体迅速走上大型化的道路。工业气体行业的大 型化伴随着高压气体的运输在我国迅速的发展起来。我国生产的气瓶已不能满足大型化运输的需要，因此都使用从国外(如英国的BOC法国的法液空、德国的MESSER)进口的高压气体长管拖车运输高压工业气体。早期进口的长管拖车上装载的气瓶直径只有14

5、” ( a355 mm)。到20世纪90年代进口的长管拖车上装载的气瓶直径达到 22 ( a559mm)，气瓶的长度达到11 m ,单只气瓶的容积达 2250L。长管拖车上8只气瓶的 总水容积达到 18000 L ，大大提高了运载能力和经济效益。20 世纪 90 年代初随着我国环境治理和清洁能源政策的推行 ，天然气的使用得到极大的重视 ，经济发达 的地区和城市开始争先使用天然气燃料。 由于我国的天然气资源在经济落后的西部地区 ， 而经济发达的地区 在东南沿海 ， 这些地区多数没有天然气管道，使用高压气体长管拖车运输压缩天然气成为必然的供应渠道，如新奥燃气集团就有 60 辆自备的天然气长管拖车。

6、随着天然气清洁燃料汽车行动在我国北京、西安、乌鲁木齐等大城市的积极推行，天然气汽车加气站逐渐增多 ，但加气站一般建设在城市内 ，不可能建在天然气管网上 ， 必须使用高压气体长管拖车运输压缩天然 气，用站用高压储气瓶组储存压缩天然气。这两种快速的市场需求，导致了我国从 20 世纪 90 年代初开始逐年递增地从国外进口高压气体长管拖车和高压储气瓶组。目前国际上生产大容积无缝压力容器的工厂也只有四家：德国曼内斯曼、美国CPI意大利Dalmine和韩国NK,其中CP、Dalmine、NK公司已取得了进入中国的许可证。无缝压力容器的设计、制造依据我国进口 的大容积无缝压力容器按使用条件分为两种 ： 一种

7、是装在高压气体长管拖车上用于运输高压氢气、氦气、天 然气和其他工业气体 ;另一种是组装在框架内 ,安装在地面上用于储存多种高压气体。安装在长管拖车上的钢制无缝压力容器属于移动式压力容器,采用的设计、制造依据是美国运输部的标准:49CFR 1781373AA/3AAX无缝钢瓶规范或 49CFR 1781453T无缝钢瓶规范,一般称作 DOT标 准,它属于国外先进标准 ,已有长期的使用经验。针对充装压缩甲烷或压缩天然气的无缝压力容器美国运输部 又作出了 DOT E8009 免除令的规定 ,使运输这种具有腐蚀性的气体更加安全。 我国从 FIBA、 CPI、 NK、 Dalmine 进口的长管拖车或集

8、装管束上的无缝压力容器都属于这种容器, 也都是按上述标准设计制造和检验验收的。上述无缝压力容器的国际标准是1999年3月15日国际标准化组织颁布的IS011120水容积150 3000 升可重复使用的无缝钢瓶的设计、制造和试验标准。它包括两个规定性附录（A、 B） 和三个推荐性附录（C、D、E）。标准适用于温度-50+ 65 C、水容积1503000 L ,充装压缩气体或液化气体可重复使用 的淬火 + 回火的无缝钢瓶 , 并对钢瓶材料、设计、结构与制造工艺、每只钢瓶的检验与试验、批量试验、充 装易燃气体钢瓶的特殊要求及钢瓶的标记作出了明确的规定。在附录A 中规定了钢瓶的化学成分 ;在附录 B中

9、规定了钢瓶的超声检测方法和判废的准则 ;推荐性附录 C 描述了目视检验无缝钢瓶时制造缺陷的评定和 判废的规定 ;附录 D 推荐无缝钢瓶质量证明书的格式和内容;附录 E 列出检验师对无缝钢瓶的检验内容ISO11120 标准提出了在全球范围内使用的无缝钢瓶设计、 制造、 检验和试验方面的规定 ,是国际性的一般限 制,为各国或各地区制订高压气体无缝压力容器标准提供了国际性的准则。组装成储气瓶组的属于固定式压力容器,我国从 CPI 进口的天然气汽车加气站用储气瓶组属于这种容器。前几年该容器采用的设计、制造规范是ASME 忸一I及附录 22 ,近年来开始采用 ASME 忸一H进行疲劳分析计算。ASME

10、W H （2001版及2002增补）F 7章锻造容器的特殊要求中对无缝压力容器的设计、 制造与检验提出了更加明确的要求,并把 SA 372GrJ CL110 和 SA 723Gr1、 2 CL1、 2、 3 的材料列入锻造容器的使用范围，为锻造容器使用高强度钢创造了条件。采用ASME w n设计、制造的无缝压力容器，由于可以使用更高强度的钢材,使用了分析设计的方法 ,使产品更加安全、可靠和经济。由于我国工业气体行业的发展和压缩天然气的广泛使用,从国外进口的大容积高压气体长管拖车、高压气体集装管束在我国已有相当数量 , 它的安全使用必须纳入国家的管辖范围 , 因此原国家质量技术监督局 2000

11、年 12 月 31 日颁发 ,2001 年 7 月 1 日起开始生效的气瓶安全监察规程 , 第一次将气瓶容积的管 辖范围扩大到 3000L。由于市场的需要 ,2000 年末新奥集团石家庄化工机械股份有限公司开始大容积高压气体无缝压力容器 的研制工作 ,并于 2002 年 4 月通过了国家质量监督检验检疫总局组织的制造许可证的预检和复检,取得了无缝高压容器的制造许可证 ,开始批量生产大容积无缝压力容器和长管拖车。2003 年国家经贸委和全国气瓶标准化技术委员会将站用储气瓶组（属固定式压力容器 ） 和高压气体无缝钢瓶 （属移动式压力容器 ） 纳入行业标准和国家标准的编制计划。2004 年我国大容积

12、钢制无缝压力容器将在规程和相应标准的管辖和指导下进行设计、制造、检验、验收、使用和管理。国家标准高压气体无缝钢瓶的编制将参照国际标准ISO11120水容积150 3000升可重复使用的无缝钢瓶的设计、制造和试验和国外先进标准美国联邦规程49CFR 1781373AA/ 3AAX无缝钢瓶规范、 49CFR 1781453T 无缝钢瓶规范以及 DOT 8009 特许免除令 ,结合我国材料、制造技术和管 理水平的实际情况制订符合我国实际情况的标准 , 以保证产品质量和使用的安全性、可靠性。压力容器行业标准站用储气瓶组将依据我国行业标准JB473295 钢制压力容器分析设计标准，参照美国asme w

13、n进行编制。鉴于我国材料生产的实际情况 ，站用储气瓶组的材料目前只 能选用美国asme w n篇中规定的材料。 在设计计算时必须考虑压力循环变化 ,采用疲劳分析的设计方 法。采用有限元分析设计时 , 其分析设计人员和有限元计算程序应符合 JB4732 中的有关规定。4 钢制无缝压力容器的制造与检验 钢制无缝压力容器目前国内外普遍采用的是在大口径无缝钢管两端经锻造或旋压收口的成型工艺,收口形式是带颈球型封头。 根据材质的需要采用整体正火或淬火 + 回火(调质 ) 热处理工艺 , 提高材料的综合力学 性能 , 满足设计和使用的需要。热处理合格后经机械加工出两端颈部的螺纹 , 用螺塞封闭以承受压力。

14、容器 的内外表面需进行喷丸处理后喷漆、烘干。钢制无缝压力容器的制造工艺并不复杂 , 但钢制无缝压力容器的制造自始至终都是整体加工 , 因此从第 一道工序起每一工序都需要专用设备进行加工制造,所需设备不仅是大型化的 ,而且每台设备都需要按照工艺的要求进行专门的设计和制造。钢制无缝压力容器的制造的大部分设备采用程序控制 ,因此设备的调试和 工艺参数的确定非常重要。关键工序在投产前都必须进行严格的工艺评定,如成形、热处理工序等。钢制无缝压力容器的检验与焊接容器也有极大的不同。焊接压力容器的检验一般是靠通用的检测设备 与检查人员的技术水平、判断能力、经验和责任心结合起来实现的,如 RT、UT、MT、P

15、T ,水压试验、气密性试验等。钢制无缝压力容器的检测则大部分是靠专用的检测设备与计算机采集数据和判断来实现的,避免了人为因素的影响。检测设备在每次使用前都要用标准器进行鉴定后才能使用。钢制无缝压力容器的检测包括以下内容 :(1) 无缝钢管进厂后的复验 ,除压力容器安全监察规程规定的内容外, 还需要对无缝钢管进行 100 %超声检测、 100 %超声测厚。(2) 在锻造或旋压时应采用远红外测温装置,控制始锻 (旋) 温度和终锻 (旋) 温度 , 并应有详细的记录。(3) 钢制无缝压力容器整体热处理时应严格控制工件的温度和热处理炉的温度 , 并应有温度自动记录 ,检查 人员应在温度自动记录和热处理

16、报告上签字确认。(4) 螺纹的加工应采用专用的数控机床 ,螺纹加工后应使用螺纹环规、塞规进行检测。(5) 移动式无缝压力容器应进行外测法水压试验,试验时容器垂直放入充满水的封闭容器中,在无缝压力容器内充水加压到试验压力 ,并按规定的时间保压 ,待无缝压力容器充分变形后 ,记录下变形体积 ,卸压后再记录下 无缝压力容器的永久变形体积 ,同时在试验中记录下无缝压力容器的实际水容积和实际重量。整个试验过程、试验数据的采集和记录、 数据处理和试验结果的判断都由计算机控制 , 而且每次试验前必须用标准瓶对外测 法水压试验装置进行鉴定 ,试验系统经鉴定符合标准要求后才可以进行试验。(6) 无缝钢管、 钢制无缝压力容器的超声检测和超声测厚都需使用专用设备,其检测数据的采集、 统计、 处理都由计算机控制 , 由计算机出具检测报告 ,并在计算机内储存备查。超声检测和超声测厚前同样需要用标准 样管对检测设备进行鉴定。(7) 调质处理后的钢制无缝压力容器还应进行 100 %磁粉检测 ,检测部位包括钢制无缝压力容器的直筒体部 分、封头部分和颈部的螺纹 ,磁粉检测也需要使用专用设备对钢制无缝压力容器进行磁化 , 用灵敏度试片对 磁场强度进行检测。(8) 钢制无缝压力容器的气密性试验是在水下进行的,以