大容积钢质无缝气瓶(大直径铬钼钢)

1、大容积钢质无缝气瓶介绍赵京茂(石家庄安瑞科气体机械有限公司 河北石家庄 050061摘要:介绍了大容积钢质无缝气瓶的用途、规格、材料、设计、制造、检验和试验等方面的要求。Abstract: The article introduce the requirements of usage、dimension、material、design、manufacture、inspection and test of large seamless steel cylinder.关键词:大容积 钢质无缝气瓶 介绍前言随着工业和科学技术的发展,发达国家于20世纪60年代成功开发出单体容积在500升以上的大容积钢

2、质无缝气瓶,打破了一直以来采用中、小容积气瓶装运气体的传统运输方式。他们将几个或十几个大容积钢质无缝气瓶的头部连通在一起并组装在框架里,放在拖车上运送氧、氮、氢、氦、天然气等永久气体,作为储罐用以给用户供气。我国自上世纪80年代开始,陆续从美国、日本或韩国进口上述大容积钢质无缝气瓶,用于天然气、氦气等压缩气体的中、短途运输。这些进口的大容积钢质无缝气瓶均按照美国运输部DOT-3AAX或3T规范设计、制造。随着我国陕气进京、西气东输等项目的实施,人们对清洁燃料的需求日益增加,这正好为大容积钢质无缝气瓶带来了发展良机。石家庄安瑞科气体机械有限公司(原新奥集团石家庄化工机械股份有限公司抓住这一历史机

3、遇,于2001年开始投入巨资进行研制,终于在2002年成功研制出中国第一只大容积钢质无缝气瓶。由于我国尚无大容积钢质无缝气瓶的国家标准,我们在参照美国DOT规范、ISO标准以及国家有关法规标准的基础上,制定了气瓶的企业标准,并经全国气瓶标准化技术委员会审查、备案。在研制中,根据国家质检总局的要求,结合中国特点,增加了气瓶型式试验的要求。下面重点介绍我公司研制的大容积钢质无缝气瓶的有关情况。1 气瓶规格大容积钢质无缝气瓶的公称工作压力在基准温度时可为15MPa或15MPa以上,最高可达27MPa。目前国内常用的大容积钢质无缝气瓶的公称工作压力为16.6MPa、20MPa、25MPa 三种。单个气

4、瓶的容积一般都在500L以上,最大可达2600L。气瓶长度一般在5m以上,最长可达12.19m(40英尺。其直径一般为406mm、559mm,以559mm为最常见。主要规格见表1。表1 大容积钢质无缝气瓶主要规格表公称工作 压力 外直径计算壁厚公称容积长度 重量MPa psi mm mm L mm kg 瓶体材质盛运介质 备注1080 5400 11102300 10975 22552250 10975 27301700 8500 21201650 8235 20701050 5400 135020 2900406 12.0 1200 10975 1460406 15.0 1170 10975

5、 180020.7 2000 10070 311525 362555920.7 920 4985 15504130X空气氮气氧气氩气氦气天然气氢气相当于DOT-3AAX2300 10975 21401760 8500 16601710 8235 16101080 5400 10604145不能用于盛储运氢气、天然气相当于DOT-3T2 材料大容积钢质无缝气瓶采用大直径铬钼钢材料的无缝钢管制造,国际上该种气瓶也多采用铬钼钢制造。铬钼钢具有优良的综合机械性能,其最大优点是在高强度水平上仍能保持良好的塑性和足够的韧性,甚至在-40条件下还具有出色的韧性。这种轻量化、安全经济的铬钼钢气瓶已在欧美各国广

6、泛使用。制造大容积钢质无缝气瓶材料的主要牌号为4130X 及4145,其化学成分见表2,热处理后的机械性能见表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 Mo表3 热处理后的机械性能-40 A KV J牌号R mMPa R P0.2 MPa R P0.2 / R m% A 50% 三个试样平均值 单个试样最小值 HB4130X 72086948574586 2040 32 19526941459301060 760910163226277330注:4145材料不得用于盛运氢气和天然气。3 气瓶设

7、计根据气瓶安全监察规定的要求,气瓶设计实行设计文件鉴定制度。气瓶设计文件应当经国家质检总局特种设备安全监察机构核准的检验检测机构鉴定,方可用于制造。本文仅对气瓶瓶体壁厚计算和附加应力校核作一介绍。 3.1 壁厚计算国产大容积钢质无缝气瓶壁厚计算公式与美国气瓶标准的DOT-3AAX 和DOT-3T 的壁厚计算公式一致,即为巴赫公式。见下式:hh P P D t 4.03.11(2+=式中:瓶壁应力的许用值, MPa;P h 规定的最小试验压力(5/3倍工作压力,MPa; D 0瓶体外径,mm。在设计中,当选用4130X 材料时,瓶壁应力的许用值不得大于材料最小抗拉强度的67%,且不得大于482M

8、Pa(70000PSI。当选用4145材料时,瓶壁应力的许用值不得大于材料最小抗拉强度的67%,且不得大于624MPa(90500PSI。3.2 附加应力校核由于大容积钢质无缝气瓶较长,使用时仅靠两端水平支承,气瓶自身重量造成的弯曲会在气瓶轴向形成拉应力。此外,在进行水压试验时,由于气瓶自重及内部水的重量,还会在轴向形成拉应力。因此,在大容积气瓶设计时,除需进行常规的壁厚计算外,还应进行附加应力校核。附加应力校核的原则是,由于弯曲形成底部金属的最大拉应力的两倍,加上在同一部位由于水压试验形成轴向拉应力的和,应不超过所用钢的最小屈服强度的80%,即:s h K P I MD %80121+=+

9、式中: s 瓶体材料屈服强度下限值,MPa;1由于弯曲产生的拉应力,MPa; 由于水压试验产生的拉应力,MPa; 弯矩 WL 2/8, Kg·mm;K 系数,K =D 0 /D i ;(D i 瓶体内直径,mm; P h 规定的最小试验压力(5/3倍工作压力,MPa; D 0瓶体外径,mm。4 制造大容积钢质无缝气瓶按批组织生产,为保证气瓶质量,确保可追溯性,每只气瓶都有独立且不重复的编码,并带有“工序检查单”,自钢管进厂检验到完工入库全过程进行控制。当工序工作完成后,操作者自检合格后签字提交检查员检查,未经检验合格,不得转入下道工序。大容积钢质无缝气瓶主要制造工艺如下:钢管检查:由

10、于无缝钢管是轧制或锻制产品,制造过程中钢管内、外表面难免会存在缺陷。气瓶质量取决于钢管质量,因此在钢管下料之前,先沿钢管长度进行100%的超声检测,以检查轴向和环向缺陷,其合格标准是缺陷深度不得超过壁厚的5%。与此同时还对钢管进行100%超声测厚,以确保钢管最小壁厚满足图样和工艺要求。钢管内壁磨光:钢管扎制或锻制过程中,内表面会存在氧化皮及表面缺陷(如夹层、裂纹、折皱等,采用砂轮磨削清除内壁缺陷,使内壁露出金属光泽。钢管下料:采用机械方法或火焰切割将钢管切割成所要求的尺寸。 管端加热:采用火焰或电将管端加热,以便将管端加工成形。端部成型:采用滚轮或刮板式旋压机或模锻设备,将加热好的管端旋压或锻

11、压成所需要的形状和尺寸。热处理:将成形后的气瓶进行热处理,以获得所需的机械性能。热处理方法为“淬火十回火”(即调质。为检验气瓶热处理后的机械性能是否满足标准或图样的要求,应将试验环与气瓶同炉进行热处理。同一批气瓶应带一个试验环,试验环的长度至少为610mm。试验环应与其所代表的同批钢瓶具有相同的公称直径和设计壁厚、采用同一炉罐号钢、同炉热处理,试验环两端应封闭以与气瓶热处理状态一致。硬度检测:采用便携式布氏硬度仪对热处理后的气瓶进行硬度检测。沿气瓶长度方向的两端和中间部位至少选取3个截面,截面间距不超过3m,每个截面沿圆周每隔90o测一点,其硬度值应符合设计图样的规定,同一环向截面外表面的硬度

12、值偏差不大于30HB。机械性能试验及金相检测:自试验环上切取试样,进行拉伸试验、冲击试验、压扁试验(适用于4130X材料气瓶及金相检测。外表面抛丸除锈:对检测合格的气瓶外表面进行抛丸除锈,以便进行磁粉探伤。磁粉检测:检查气瓶有无因淬火不当而产生的表面裂纹。瓶口螺纹:采用数控螺纹加工机床加工瓶端螺纹,以装配连接时所需的附件。采用螺纹规检测螺纹加工质量。外测法水压试验:采用水套法测定气瓶的重量、容积和容积残余变形率。气瓶试验压力为5/3倍的公称工作压力,在试验压力下至少保压30秒,以保证气瓶充分膨胀。保压期间不产生泄漏,并且容积残余变形率不超过10%为合格。超声检测及测厚:对气瓶进行100%超声检

13、测,以无超过气瓶最小壁厚5%的缺陷存在为合格。同时对气瓶直段进行100%超声测厚,所测得的最小壁厚值不得小于图样规定的最小设计厚度。内表面喷砂及清理:先进行内表面喷砂,之后用高压水清洗,再热风吹干,以获得清洁、干燥、光滑的内表面。内壁检测:采用内窥摄像系统及反光镜对气瓶及瓶肩内壁进行检测,确保内壁清洁、干燥、光滑。气密性试验:对气瓶进行气密性试验,试验压力为气瓶的公称工作压力。外表面喷砂、打钢印、喷漆。充氮保护:气瓶出厂时,内部充以0.2MPa 0.3MPa的氮气。5 检验与试验大容积钢质无缝气瓶的检验分为出厂检验和型式试验,出厂检验又分为逐只检验和批量检验。关于大容积钢质无缝气瓶的型式试验,

14、美国规范和ISO标准未做要求,该要求是根据气瓶安全监察规程并参照国内无缝气瓶标准的有关规定而确定的。当遇有下列情况之一时,应对气瓶进行型式试验:a新设计的气瓶;b改变气瓶瓶体材料;c改变气瓶瓶体的直径、壁厚或结构形状;d改变气瓶瓶体冷热加工成形或热处理规范等主要制造工艺。按照国家有关规定，气瓶的型式试验应当由国家质检总局核准的具有气瓶型式试验资 格的检验机构进行。 大容积钢质无缝气瓶的主要检验和试验项目见表 4： 表4 序号 检验项目 逐只检验 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 原材料检验 瓶体壁厚检测 瓶体制造公差检测 瓶体内、外观检验 拉伸

15、试验 冲击试验 压扁试验 硬度检测 金相检测 超声检测 磁粉检测 瓶端螺纹检测 外测法水压试验 气密性试验 瓶体端部解剖检验 疲劳试验 爆破试验 注： （1）气瓶疲劳试验的次数为 1.5 万次。循环压力上限为气瓶水压试验压力，循环压力 下限应不超过气瓶循环压力上限的 10%， 疲劳循环次数达到 1.5 万次钢瓶瓶体无泄漏和损坏 为合格。 （2）气瓶实际爆破压力不得低于气瓶公称工作压力的 2.5 倍，瓶体爆破后破口必须在 瓶体的筒体部分，且无碎片产生。 （1） 气瓶主要检验和试验项目 出厂检验 批量检验 型式 备注 试验 适用于4130X材料 气瓶 重点是内表面 （2） 7 结语 从以上介绍可知，石家庄安瑞科气体机械有限公司制造的大容积钢质无缝气瓶具有以 下特点： （1）设计时充分考虑到了实际使用情况，对气瓶进行了附加应力校核。 （2）严格控制原材料钢管（4130X）中硫、磷含量，满足氢气、天然气等有应力腐蚀 倾向介质对材料的要求。 （3） 设计瓶壁厚度时， 两种材料分别取不同的瓶壁应力许用值， 以充分发挥材料优势， 做到轻量化。 （4）原材料钢管进厂后进行 100%无损检测和超声测厚，确保投料钢管合格。 （5）热处理后检测项目齐全，确保材料在热处理后能够得到优良的综合机械性能。规