无缝钢瓶国际标准解析

1、无缝钢瓶国际标准解析秋长摘要本文对国际标准化组织ISO/TC58气瓶技术委员会所制订的 四个无缝钢瓶标准或草案，即ISO4705、ISO/DIS9809-1、ISO/DIS9809-2及ISO/CD9809-3， 作了归纳，比较与分析；结合发达工业国家和中国的技术现状进行了评价。关键词钢质无缝气瓶ISO4705国际标准评价AbstractThe article gives asummary comparison and analysis to the follo wing 4 stands or drafts of seamless steel cylinder made by on：ISO4

2、705，ISODIS 98011，ISODIS98092 and ISOCD98093；an evaluation isISOTC58 Gas Cylinder Commission under International Organization of Stanadardizati made by reference to the technical condition of developed countries and China1前言全世界有1亿余个高压无缝气瓶在服役，其中约一半在美国。我国在役无缝气瓶总数约500多 万，数量与英国相当。无缝气瓶中90%以上是钢质无缝气瓶。移动式无缝钢

3、瓶经过大半个世纪的发展，水压试验压力最高60MPa，水容积最大接近3m 3，装运氧气最多约600m31。世界上使用的无缝钢瓶发展至今，大体上经过几个阶段。见表1。以最通用的4050L水 容积钢瓶为例，工作压力的增高，材料和制造工艺的改进，使装气量/瓶重之比约净提高了 三倍多。工业发达国家多用淬火加回火铬钼钢瓶，亚洲多用淬火加回火锰钢瓶。80年代始， 美国和欧洲批量制造中容量高强度钢瓶，安全服役无一事故。另一方面，低强度厚壁钢瓶仍 在各地使用，如氯、氨等气体运输，压力低，不要求用贵的合金钢；另外，以刚度设计为主 或装卸粗暴的地方仍可使用。表1发展阶段AB常用工作压力，MPa6156151520(

4、15)30代表性材料碳钢A类锰钢B类锰钢铬钼钢铬钼钒钢铬镍钼 钢(高强钢瓶)热处理正火正火淬火加回火淬火加回火淬火加回火装载率(装气量/瓶重)(m3kg)0.050.110.140.18 0.21适用国际标准草案ISO/CD9809-3ISO/CD9809-3ISO/DIS9809-1ISO/DIS9809-1ISO/DIS9809-22标准发展简介 国际标准化组织ISO/TC58气瓶技术委员会于1983年发布了国际标准ISO4705钢质无缝气瓶 2。至今仍有效。它起初是基于西欧国家无缝钢瓶标准的设计观念起草的。那时美国并不积极参与。标准的主要部分(不包括附录D)，仅仅是设计、制造和试验的规定

5、，而不涉及使用。标准对 服役条件没有涉及，例如，充装压力对试验压力的关系，充装对气体的关系。也就是说，它仅是普通的工业气瓶“制造”标准。各成员国对标准的条款存在不少的不同意见，如对爆破压力存在明显的反对意见，对冲击试 验值的认识也有不小分歧。美国要求限制应力水平和纳入水压容积膨胀试验。奥地利要求允 许水作为淬火介质等。最后专家组统一了爆破试验要求和冲击试验值，并制订了附录D，作 为气瓶在服役时能通过国界的一致条件。附录D也包含了对氢气等应力腐蚀气体钢瓶的特殊规定。水作为淬火介质则不予同意。容积膨胀试验也纳入作为水压验证试验的另一替代试验 。ISO4705尽管存在不少不同意见，但终究被多数成员国

6、同意，获得通过。有的专家认为这是 一个好标准，中国就是这样一个国家。在ISO4705发布后数年的一次调查中反映出，几乎全世界的钢瓶大国都不执行ISO4705，包括投赞同票的那些国家，而中国却是实实在在地将ISO 4705的准则纳入到国标GB5099-1985钢质无缝气瓶-中国第一个气瓶国家标准之中。80年代以来，全世界气瓶的制造和使用得到发展，其中可以高强度钢瓶和复合材料气瓶为代 表，气瓶国际标准的制订也加快了步伐。到1997年底，ISO/TC58已出版国际标准约23个，正 在编制约48个。其中，ISO/TC58在1997年和1998年，先后出台了无缝钢瓶3个国际标准草案 ，即：ISO/DIS

7、 9809-1抗拉强度小于1100MPa的淬火回火无缝钢瓶3，ISO/DIS 9809-2抗拉强度大于1100MPa的淬火回火无缝钢瓶4，ISO/CD 9809-3正火无缝钢瓶5。如果上述3个标准草案得到通过，则ISO4705就会被替代和淘汰，这将开创一个无缝钢瓶国际 标准的新阶段，以新面貌走向21世纪。关于上述3个国际标准草案的主要内容，以及对它们的评议，简介如下。3适用范围表2列出了3个国际标准草案的适用范围，相当的工业国家标准举例和相当的中国国家标准。由于装运气体量需求越来越高，使钢瓶的工作压力不断提高，而对中容量移动式钢瓶来说， 质量不允许随工作压力的大幅提高而大幅度增加，例如4050

8、升水容积的钢瓶，无论工作压力是15，20或30MPa，重量基本在人们能搬运得动的4565kg之间，所以，只有通过材 料本身和热处理性能的不断改进来实现的。三个国际标准草案适用不同的无缝钢瓶抗拉强度范围，以适应愈来愈增大的工作压力，使保 证安全的前提下，达到经济的平衡。表2国际标准草案适用范围相当的工业国 家标准举例相当的中国标准抗拉强度MPa常用工作压力MPaISO/CD 9809-3(1998)800以下max15JIS B 8241-1889(日本)6 GB5099-199410ISO/DIS 9809-1(1997)1100以下m ax20TRG 801(德)784/525/EEC8(欧

9、共体)GB5099- 1994ISO/DIS 9809-2(1997)1100以上max30DOT E 94219 -1985(美)-中国国内使用的中容量无缝钢瓶，大部分处在A的阶段，即对应于ISO/CD 9809-3，目前， 第B和第阶段的钢瓶正在逐步发展，即对应于ISO/DIS 9809-1。国家标准GB-5099包容IS O/CD9809-3和ISO/DIS9809-1，但还没有一个国家标准来规范正在出现的第阶段钢瓶。美国政府的豁免令DOT-E9421可作为参考，美国按该豁免令制造的中容量无缝钢瓶已达数10万只，运行至今无一发生事故。 4材料在ISO/DIS9809-1和ISO/CD98

10、09-3两个国际标准草案中，对所认可的钢种和热处理性能作了 详细的规定，见表3。表3化学成分%元素ISO/CD9809-3ISO/DIS 9809-1ISO/DIS9809-2锰 钢铬钼钢C0.450.38最大-最小0.04Mn1.70最大-最小0.20Si-最大-最小0.15Cr0.20-最大-最小0.30Ni0.20-最大-最小0.30Mo-最大-最小0.15V-Al0.015-Cu0.020-S0.0200.0200.0100.010P0.0200.0200.0200.015SP0.0300.0300.0250.020机械性能热处理正火淬火加回火淬火加回火抗拉强度，MPa800以下103

11、0以下1100 以下外径140以上外径140以下1100-13001100-1400设计屈强比0.750.900.90伸长率%扁试样201412圆试样221614这些规定的钢种基本符合美国、欧洲、日本等工业国家的实践，显示了各成员国对国际上已 成熟的钢种表现出充分的信心，与ISO4705对钢材化学成分未作详细规定相比较，ISO/DIS98 09-1与ISO/CD9809-3要严格得多。但在具体成分上，ISO/CD9809-3所允许的含碳量上限(0. 45%)，与ISO/DIS9809-1Mn钢允许的含锰上限(1.75%)略高了些，宜各降低0.05%。与此关联的ISO/DIS9809-1的Mn钢

12、抗拉强度，宜相应降低。ISO/DIS9809-2中，未对化学成分作出具体规定，可能是国际上对高强钢经验不多，有待于进一步实践来充实。但对高强度钢瓶而言，伴 随着强度的提高，必定引起塑性和韧性的降低，高强钢材的选择，首先要确保足够的塑性和 韧性，其次，应有足够的能力来抵抗裂纹扩展、疲劳和应力裂纹等。为达到此目的，ISO/DIS9809-2中具体化学成分的选择，除应提高淬透性，确保整个壁厚从 外到里彻底完成马氏体的转变，以确保淬火性能外，同时还要消除淬火裂纹的可能性，和改 进钢的回火性能。另外，还要规定较窄的化学成分范围。实际上，ISO/DIS9809-2所允许的高低限范围，比ISO /DIS98

13、09-1要窄得多，这样的规定应是合理的。从制造方面，热挤压和冲击工艺易使钢瓶产生各向异性倾向，即在高强度同时存在横向韧性 降低。为提高横向韧性，夹杂物的含量应减少，尤其要限制硫含量少于0.01%，并用铝脱氧 。对夹杂物的形态也要加以限制。待条件成熟，ISO/DIS9809-2应规定具体的化学成分，从I SO/DIS9809-1的化学成分适当延伸是好办法。 5强度与塑性上述3个国际标准草案，对抗拉强度作了限制，同时对设计屈强比作了规定，这意味着对屈 服强度也作了限制。对强度由低到高作了分类，以使无缝钢瓶能适合高低不同的工作压力( 见表1)。这种观点和做法，基本来自欧洲的钢瓶实践，使大量使用的中容

14、量钢瓶(水容积自4 050L)的高度和重量，基本上适合人体工程学的需求(4565kg)。3个国际标准草案 对钢材伸长率的规定，是随着强度的增高而降低的。对当前大量使用的第B和第阶段的 钢瓶而言，伸长率14%(扁试样)已使用有20年。但对高强度钢瓶，12%(扁试样)的伸长率规定 ，已经是可能的最下限值。国内有的钢瓶制造厂对此未给予充分重视，在钢瓶试制中将伸长 率规定到可达10%以下，于是发生了型式试验通不过的情况。上述情况正是说明ISO/DIS9809-2国际标准草案实际上并不认为高强度钢瓶制造时可以自由 选择钢种和热处理，而是由试制时要求的型式试验的实际要求来确定钢种和热处理。这些指 标值不是

15、孤立的，而是相关的，是首先由使用要求来决定的。6韧性3个国际标准草案对冲击韧性值的规定，见表4。表4钢瓶外径，mm140140冲击试验方向横向纵向试样宽度，mm3557 .57.51035试验温度，-50(ISO/CD9809-3也可-20 )冲击试验值Jcm2三个试样平均值/单个试样值ISO/CD9809-335/2840/32ISO/DIS9809-130/2435/2840/3260 /48ISO/DIS9809-240/2850/3560/4240/42表5国际标准草案ISO/CD 9809-3ISO/DIS 9809-1ISO/DIS 9809-2逐个试验超声波检验指标：5%壁厚&#

16、215;50mm长度仅对水压试验压力在6MPa以上做指标：5%壁厚×50mm长度指标：5%壁厚×50mm长度水压容积变形试验容积残余变形率10%容积残余变形率10%容积残余 变形率5%硬度试验仅对水压试验压力在6MPa以上做硬度应与规定强度在对应 范围之内硬度应与规定强度在对应范围之内硬度应与规定强度在对应范围之内，且各点HB差55(每批)HB差25(每瓶)批量试验机械性能试验与冲击试验见表3与表4见表3与表4见表3与表4弯曲试验与压扁试验实际抗拉强度Rm，MPa实际抗拉强度Rm，MPa弯芯直径壁厚压头间距壁厚5002480046810>500-67035>80

17、0-88066>670-80046>880-95068>800-95068950-110079>95079爆破试验允许鱼尾、鱼腹状破口允许鱼腹状破口允许鱼腹状破口型式试验疲劳试验水压试验压力12000次或工作压力80000次水压试验压力1.2万次或工 作压力8万次水压试验压力1.2万次或工作压力8万次预制裂纹疲劳试验-水压试验压力循环3500 次(二个瓶平均值)3000次(其中一个最小值)预制裂纹爆破试验-a)打水压爆破：裂纹长度1.1×裂纹长度失效模式：泄漏b)打循环压力破裂失效模式：泄漏冲击试验，尤其是横向冲击试验，主要是欧洲的观点。而实际上钢瓶的失效，常

18、常是经过： 起始缺陷-疲劳-缺陷扩展-突然受到冲击-爆破这个途径。爆破的方向，常常是 横向冲击试验的方向，是符合实际失效状况的。欧洲主要对钢瓶进行：1)耐压试验；2)冲击试验，尤其是横向冲击试验；3)硬度试验；4)爆 破试验及破裂口形状限制等来控制钢瓶安全性能；而美国则主要对钢瓶进行：1)限定钢种化 学成分；2)限制水压 试验时瓶壁应力；3)限定拉伸试验的伸长率(塑性)；4)压扁试验的高指标要求(横向塑 性)；5)水压 试验及容积残余变形率等来控制钢瓶材料的安全性能，尤其是塑性；反映了欧 洲以强度及轻量化为主及美国以塑性为主两种不同的安全观点。对高强度钢瓶，美国也要求做横向冲击试验，试验温度为

19、0(-17.8)；指标为17.6J(平 均值)和10J(最小值)。除指标要求与欧洲不一致外，要求做横向冲击试验，观点是一致的。 3个国际标准草案规定横向冲击试验温度为-50，反映了标准草案的技术壁垒的性质。但也 允许依据钢瓶制造厂所提出的冲击试验温度进行试验，对其应用地区有所限制。ISO/CD9809-3对正火钢瓶要求进行横向冲击试验，而横向冲击试验不是ISO4705正文的要求 ，仅是ISO4705附录D(全世界通用)的要求，说明ISO/CD9809-3是和ISO4705附录D划了个等号 。 7制造时表面缺陷的评定ISO 3个国际标准草案规定了对制造缺陷的评定，其要求是一致的。缺陷分为不合格的

20、缺陷 和允许修复后再进行评定的缺陷。不合格的缺陷包括：鼓包，较深凹坑，抛丸后仍可见的锈蚀，电气焊灼伤，瓶口端面裂纹， 及各种内表面缺陷等。其他外表面的轻微缺陷允许修复后再加以评定。一般以缺陷深度小于壁厚的5%，长度小于50 mm(美国25mm)作为界限。在评定，修复，再评定时，应遵守以下原则：1)缺陷及评定应由合格检验员进行；2)修复时 应采用合理的方法；3)修复后都需进行再次评定，评定时可用超声波检查与测壁厚；4)设计 壁厚必须保证。3个国际标准草案对表面缺陷评定规定，为中国标准GB5099-1994再修订时提供了较好的参考。8试验与检验(1)ISO/DIS9809-2是对高强度钢瓶的国际标

21、准草案，型式试验要求进行“预制裂纹疲劳试验 ”。方法是在钢瓶上开出长度为，深度不小于10%壁厚， 尖端半径为0.25mm的人工预制裂纹。循环压力的上限为水压试验压力进行疲劳试验。合 格标准为二个试验平均值不小于3500次，其中一个最小不低于3000次。本试验校核高强钢瓶 存在超标准裂纹时的使用寿命。经过欧洲和美国许多制造厂上百次试验验证，本项试验对现 役的欧洲和美国高强度钢瓶都是合格的。(2)ISO/DIS9809-2型式试验要求进行“预制裂纹破裂试验”。方法是在钢瓶上开出长度为1 .6×外径×壁厚，深度不定，尖端半径为0.25mm的人工预制裂纹。试验 进行采用两种并行的步

22、骤：a)打水压爆破，则要求：i)爆破压力/工作压力实际壁厚/设计壁厚；ii)破裂口总长不超过预制 裂纹长度的110%；iii)破坏模式是“泄漏”；b）打循环压力(工作压力)直至爆破，此试验预制裂纹深度至少为，试验合 格标准为：破坏模式是“泄漏”。本试验考核高强度钢瓶存在裂纹并扩展时，破坏模式为“ 泄漏”。同样，本项试验由ISO/TC58/SC3/WG14做了大量试验验证工作，并得到满意的结果 。美国认为，高强度钢瓶的强度比传统的DOT3AA高出48%，但安全水平应与DOT3AA相当。措施 是化学成分改进后，再用断裂力学对设计和性能进行评定，一旦钢瓶存在缺陷时，未破先漏 (LeakBeforeB

23、reak)简称LBB，是所要求的断裂性能。LBB的概念是钢瓶 上尖锐的缺陷能向厚度方向扩展，并使所充气体在钢瓶破裂前泄漏。美国DOT-E9421规定， 高强钢的KIC（J）值不得小于(93.5)，比分析值和实验值更加保守与安全。美国要求类似的预制裂纹 压力爆破试验。(3)在逐个试验项目方面，所有国家要求进行水压试验，但欧洲通常要求简单的耐压试验， 不测容积变形，加上硬度试验，用来检测钢瓶性能的一致性。由于钢瓶是空心件，硬度试验 要求较高的设备和经验，且硬度指标值较高也颇为严格，所以欧洲对硬度试验作为逐个钢瓶 试验的主要手段。而美国除对高强度钢瓶规定硬度试验(控制上限)外，强度低于1100MPa 的钢瓶不要求硬度试验。美国、加拿大、日本以水压试验加容积变形测定作为钢瓶逐个试验 的主要手段，而且水压容积变形试验还是在役钢瓶定期检验的主要手段。在三个国际标准草 案中同时列出水压容积变形试验和硬度试验，可以认为是两种意见的兼容和协调。(4)在批量试验项目方面，美国除高强钢瓶外不要求做爆破试验。压扁试验是美国检查钢瓶 塑性的主要手段之一。而欧洲采用弯曲试验。3个国际标准草案中也同时并列了。(5)ISO/TC58的3个分技术委员会分别由法国、英国和美国任主席，SC2设计