氣瓶設(shè)計(jì)常見問(wèn)題分析

陳祖志 薄 柯 續(xù)宏毅

（中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

氣瓶設(shè)計(jì)常見問(wèn)題分析

陳祖志 薄 柯 續(xù)宏毅

（中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

本文對(duì)目前氣瓶設(shè)計(jì)存在的常見問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)歸納，歸納出的問(wèn)題主要有設(shè)計(jì)文件內(nèi)容不完善、設(shè)計(jì)屬性和鑒定屬性定義不明確、“同一設(shè)計(jì)、系列參數(shù)”設(shè)計(jì)不規(guī)范以及材料強(qiáng)度保證值取值、最小爆破壓力計(jì)算、低溫絕熱氣瓶最大充裝量計(jì)算、閥門設(shè)計(jì)、纖維纏繞氣瓶纏繞層選材幾個(gè)方面，對(duì)每個(gè)方面的問(wèn)題均作了剖析，并提出了解決問(wèn)題的建議，可以為氣瓶設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)文件鑒定工作提供參考。

氣瓶設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)文件鑒定 常見問(wèn)題 爆破壓力 最大充裝量

按照氣瓶相關(guān)安全技術(shù)規(guī)范的要求［1，2］，，氣瓶設(shè)計(jì)文件應(yīng)當(dāng)經(jīng)過(guò)鑒定，設(shè)計(jì)文件鑒定工作由國(guó)家質(zhì)檢總局核準(zhǔn)的檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)承擔(dān)。本文筆者從事了多年的氣瓶設(shè)計(jì)文件鑒定工作，發(fā)現(xiàn)氣瓶設(shè)計(jì)文件存在很多共性問(wèn)題，本文擬對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行逐一探討，并提出解決問(wèn)題的建議，為氣瓶設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)文件鑒定工作提供參考。

1 設(shè)計(jì)文件內(nèi)容不完善

氣瓶設(shè)計(jì)文件應(yīng)至少包括設(shè)計(jì)任務(wù)書、設(shè)計(jì)計(jì)算書、設(shè)計(jì)說(shuō)明書、使用說(shuō)明書、標(biāo)準(zhǔn)化審查報(bào)告，根據(jù)具體標(biāo)準(zhǔn)的要求還可能包括有限元應(yīng)力分析報(bào)告等［2］，筆者發(fā)現(xiàn)很多設(shè)計(jì)文件的內(nèi)容不完善，其中又以設(shè)計(jì)任務(wù)書、設(shè)計(jì)計(jì)算書以及設(shè)計(jì)圖樣內(nèi)容不完善的情況居多，下面分別加以說(shuō)明。

1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)書

設(shè)計(jì)任務(wù)書是設(shè)計(jì)工作的指令性文件，是編制其他設(shè)計(jì)文件的主要依據(jù)。設(shè)計(jì)任務(wù)書的主要功能是向設(shè)計(jì)人員提出設(shè)計(jì)條件，目前設(shè)計(jì)任務(wù)書的問(wèn)題主要是提出的設(shè)計(jì)條件不充分，常見的有不給定充裝介質(zhì)、不給定結(jié)構(gòu)型式等；另外，有些設(shè)計(jì)任務(wù)里直接給出設(shè)計(jì)壁厚、最大充裝量等，而這些參數(shù)需要通過(guò)計(jì)算確定，應(yīng)在設(shè)計(jì)計(jì)算書里給出。

按照TSG R1003—2006《氣瓶設(shè)計(jì)文件鑒定規(guī)則》［2］，設(shè)計(jì)任務(wù)書的內(nèi)容應(yīng)包括任務(wù)來(lái)源、任務(wù)要求、設(shè)計(jì)依據(jù)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和用戶提供的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)參數(shù)、產(chǎn)品用途及使用范圍、主要技術(shù)參數(shù)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)型式的概述、設(shè)計(jì)文件的種類、承擔(dān)單位、完成時(shí)間等，其中有管理方面的內(nèi)容，也有技術(shù)方面的內(nèi)容，技術(shù)方面的要求應(yīng)是設(shè)計(jì)文件鑒定工作的重點(diǎn)對(duì)象，至少應(yīng)該包括以下內(nèi)容。

1）充裝介質(zhì)。應(yīng)給出充裝介質(zhì)的分子式和標(biāo)準(zhǔn)，并說(shuō)明介質(zhì)的腐蝕性、毒性、爆炸危害程度；對(duì)于混合氣體，應(yīng)給出各組分的含量。

2）使用環(huán)境溫度。根據(jù)使用地的實(shí)際情況確定，在中國(guó)使用的氣瓶，環(huán)境溫度在-40℃～60℃范圍內(nèi)，因此氣瓶使用環(huán)境溫度一般確定在該范圍內(nèi)；

3）公稱工作壓力。根據(jù)儲(chǔ)存介質(zhì)種類及使用環(huán)境溫度提出；

4）公稱容積。根據(jù)實(shí)際儲(chǔ)運(yùn)需要提出；

5）基本幾何尺寸，如對(duì)高度或直徑的要求。根據(jù)使用條件限制確定；

6）基本結(jié)構(gòu)型式，如立式還是臥式的要求、主要組成部分的要求。根據(jù)實(shí)際使用需要提出，應(yīng)通過(guò)結(jié)構(gòu)示意圖進(jìn)行輔助說(shuō)明；

7）管口方位。根據(jù)實(shí)際使用需要確定，汽車用液化天然氣氣瓶的管口方位的確定應(yīng)考慮在汽車上的實(shí)際安裝方向。

8）材料。材料可以由任務(wù)下達(dá)者在設(shè)計(jì)任務(wù)書里直接提出，也可以由設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)計(jì)算書里根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求選用；

9）充裝系數(shù)。充裝系數(shù)應(yīng)根據(jù)充裝介質(zhì)種類及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求確定，可以在設(shè)計(jì)任務(wù)書里提出，也可以在設(shè)計(jì)計(jì)算書里確定；

10）依據(jù)的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)；

11）由用戶提供的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)參數(shù)；

12）設(shè)計(jì)所需要其它的必要條件。

設(shè)計(jì)任務(wù)書的內(nèi)容應(yīng)滿足相關(guān)法規(guī)、安全技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的要求。對(duì)于設(shè)計(jì)任務(wù)書中的任務(wù)來(lái)源、承擔(dān)單位及完成時(shí)間等內(nèi)容，筆者認(rèn)為屬于企業(yè)內(nèi)部管理問(wèn)題，設(shè)計(jì)文件鑒定時(shí)只審查有無(wú)規(guī)定即可。

1.2 設(shè)計(jì)計(jì)算書

在設(shè)計(jì)計(jì)算書中，首先應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書提出的設(shè)計(jì)條件，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、選擇材料并提出材料的熱處理要求，然后確定設(shè)計(jì)壓力、瓶體材料許用應(yīng)力、焊接氣瓶焊縫系數(shù)、纏繞氣瓶纖維應(yīng)力比等計(jì)算參數(shù)。

設(shè)計(jì)計(jì)算書最常見的問(wèn)題是計(jì)算內(nèi)容不齊全，如焊接氣瓶及低溫絕熱氣瓶的設(shè)計(jì)不進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算、帶安全泄放裝置的氣瓶不進(jìn)行安全泄放量計(jì)算等。各品種氣瓶設(shè)計(jì)計(jì)算書的計(jì)算內(nèi)容至少應(yīng)包括見表1。

1.3 設(shè)計(jì)圖樣

設(shè)計(jì)圖樣包括設(shè)計(jì)總圖和零部件圖，存在的常見問(wèn)題是設(shè)計(jì)總圖的內(nèi)容不完善和零部件圖樣不齊全。

設(shè)計(jì)總圖的內(nèi)容應(yīng)包括視圖、技術(shù)參數(shù)表、技術(shù)要求、鋼印標(biāo)志圖，鋼印標(biāo)志圖樣可放在設(shè)計(jì)總圖上，也可單獨(dú)成圖。設(shè)計(jì)總圖上應(yīng)注明：

1）氣瓶品種；

2）設(shè)計(jì)制造所依據(jù)的主要法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)；

3）工作條件，包括公稱工作壓力、使用環(huán)境溫度等，低溫絕熱氣瓶還應(yīng)包括內(nèi)膽工作壓力、工作溫度、外殼許用外壓力；

4）充裝介質(zhì)，包括介質(zhì)的名稱和分子式、介質(zhì)的毒性和爆炸危害程度，混合氣體應(yīng)注明各組分的含量；

5）設(shè)計(jì)壓力，設(shè)計(jì)溫度；

6）設(shè)計(jì)壁厚，腐蝕裕量，焊接氣瓶焊接接頭系數(shù)；

7）低溫絕熱氣瓶的真空度、靜態(tài)蒸發(fā)率、真空夾層漏率、漏放氣速率、總熱傳遞；

8）各部件材料牌號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)及化學(xué)成分、力學(xué)性能特殊要求，纏繞氣瓶纏繞層纖維種類、標(biāo)準(zhǔn)、型號(hào)、規(guī)格、制造廠家、強(qiáng)度保證值；低溫絕熱氣瓶絕熱層材料類型、型號(hào)、制造廠家；

9）公稱容積，低溫絕熱氣瓶應(yīng)注明內(nèi)膽容積、夾層容積、有效容積；

10）儲(chǔ)存液化氣體應(yīng)注明充裝系數(shù)，最大充裝量；

11）設(shè)計(jì)使用年限；

表1 氣瓶設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容要求

12）制造要求。如焊接氣瓶的焊接要求；無(wú)縫氣瓶的收口、收底要求；纏繞氣瓶的纏繞厚度、層數(shù)、纏繞結(jié)構(gòu)；低溫絕熱氣瓶絕熱層包扎要求；

13）熱處理要求，應(yīng)注明熱處理方法及熱處理強(qiáng)度保證值；

14）無(wú)損檢測(cè)要求，應(yīng)包括無(wú)損檢測(cè)方法、比例、合格指標(biāo)、檢測(cè)時(shí)機(jī)、執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)等；

15）耐壓試驗(yàn)要求，應(yīng)包括執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)、耐壓試驗(yàn)壓力、試驗(yàn)介質(zhì)、保壓時(shí)間、試驗(yàn)溫度、合格指標(biāo)等；

16）氣密性試驗(yàn)，包括執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)壓力、試驗(yàn)介質(zhì)、保壓時(shí)間、試驗(yàn)溫度、合格指標(biāo)等；

17）其他逐支及批量檢驗(yàn)要求，如外觀檢查、壁厚測(cè)定、制造公差檢查、力學(xué)性能試驗(yàn)、水壓爆破試驗(yàn)等要求；

18）安全附件要求，包括安全閥的型號(hào)、規(guī)格、開啟壓力，爆破片型號(hào)、規(guī)格、爆破壓力，易熔合金塞材料、規(guī)格、動(dòng)作溫度和訂購(gòu)要求；

19）銘牌，包裝、運(yùn)輸和安裝要求；

20）漆色字樣要求；

21）管口表。

零部件圖是對(duì)氣瓶拆分得到的零件和部件的圖樣的統(tǒng)稱，零件是對(duì)氣瓶拆分至不能進(jìn)一步拆分的單個(gè)組件，部件是零件的組合，也可以是一個(gè)零件。氣瓶的拆分可以按功能逐級(jí)進(jìn)行，直至不能拆分為止，每一級(jí)拆分所得到的部件以及最后得到的零件都應(yīng)有相應(yīng)的圖樣。無(wú)縫氣瓶的拆分較為簡(jiǎn)單，可以直接拆分為瓶體、頸圈、瓶帽、瓶閥四個(gè)零件；焊接氣瓶首先可以拆分為瓶體、瓶閥、瓶帽、導(dǎo)管、易熔合金塞5個(gè)零部件，其中瓶體是一個(gè)焊接組件，又可以進(jìn)行二級(jí)拆分為筒體、上封頭、下封頭、閥座、塞座、底座、護(hù)罩、襯圈、補(bǔ)強(qiáng)圈等；纏繞氣瓶可以拆分為瓶體、瓶閥、頸圈、瓶帽四個(gè)部分，其中瓶體由內(nèi)膽和纏繞層組合而成；低溫絕熱氣瓶結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜，零部件較多，首先可以拆分為閥門組合部件、內(nèi)膽、外殼、瓶口端支撐組件、瓶底端支撐組件、絕熱層、分子篩盤組件等，然后對(duì)每個(gè)部件又可進(jìn)行逐級(jí)拆分。對(duì)于采用標(biāo)準(zhǔn)件的部件或零件，可以不給出圖樣，但應(yīng)在總圖上或部件圖上明確相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)號(hào)及型號(hào)、規(guī)格。

2 設(shè)計(jì)屬性及鑒定屬性

所有氣瓶的設(shè)計(jì)文件均應(yīng)經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)文件鑒定機(jī)構(gòu)的審查，按照TSG R1003—2006的規(guī)定，氣瓶設(shè)計(jì)的屬性分為新設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)修改、設(shè)計(jì)變更，氣瓶設(shè)計(jì)文件鑒定的屬性分為鑒定和備案。TSG R1003—2006給出了新設(shè)計(jì)的范圍，但沒(méi)有給出設(shè)計(jì)修改、設(shè)計(jì)變更的定義和范圍，也沒(méi)有明確鑒定和備案的區(qū)分，導(dǎo)致了在設(shè)計(jì)文件鑒定過(guò)程對(duì)不能明確所需履行的程序及相應(yīng)的要求。筆者的理解及觀點(diǎn)如下：

1）設(shè)計(jì)修改是對(duì)鑒定未通過(guò)的設(shè)計(jì)文件的修改設(shè)計(jì)，如果修改的內(nèi)容在TSG R1003—2006規(guī)定的屬于新設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)，則應(yīng)歸為新設(shè)計(jì)；

2）設(shè)計(jì)變更是對(duì)已經(jīng)通過(guò)鑒定的設(shè)計(jì)文件的添加功能或者局部修改設(shè)計(jì)，其目的是為了滿足客戶需要，設(shè)計(jì)變更應(yīng)按相應(yīng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的項(xiàng)目進(jìn)行型式試驗(yàn)，如果設(shè)計(jì)變更的內(nèi)容在TSG R1003—2006規(guī)定的屬于新設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)，則也應(yīng)該按新設(shè)計(jì)考慮；

3）對(duì)已經(jīng)經(jīng)過(guò)鑒定的氣瓶設(shè)計(jì)文件進(jìn)行變更，當(dāng)只是對(duì)不影響安全性能的內(nèi)容進(jìn)行變更，如變更制造廠名稱或地址等；或是變更的內(nèi)容由原設(shè)計(jì)文件可以覆蓋的，如改變瓶閥的型號(hào)及安全附件的類型、且按標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定廠家不需要另外進(jìn)行型式試驗(yàn)的，均可以歸為備案。對(duì)于申請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)文件備案的，申請(qǐng)單位應(yīng)在設(shè)計(jì)文件鑒定申請(qǐng)書中明確變更的內(nèi)容，對(duì)于未在申請(qǐng)書中明確的內(nèi)容，申請(qǐng)單位不得作任何修改；設(shè)計(jì)文件鑒定機(jī)構(gòu)可以只對(duì)變更的部分作審查，對(duì)新的設(shè)計(jì)文件應(yīng)加蓋特種設(shè)備設(shè)計(jì)文件鑒定專用章。

3 “同一設(shè)計(jì)、系列參數(shù)”設(shè)計(jì)的問(wèn)題

目前，氣瓶的設(shè)計(jì)采取“同一設(shè)計(jì)、系列參數(shù)”做法較多，即在同一份設(shè)計(jì)文件中規(guī)定多個(gè)型號(hào)，或多種充裝介質(zhì)、系列公稱容積、多檔公稱工作壓力，等等，這樣同一份設(shè)計(jì)文件可以同時(shí)覆蓋多種情況，從而減少設(shè)計(jì)文件鑒定或備案的數(shù)量，但實(shí)際操作存在很多問(wèn)題，如：

1）型式試驗(yàn)報(bào)告不能覆蓋

表2中為某制造廠提交鑒定的焊接氣瓶設(shè)計(jì)文件技術(shù)參數(shù)的部分內(nèi)容，該文件同時(shí)規(guī)定了三檔公稱工作壓力、三個(gè)水壓試驗(yàn)壓力、三個(gè)設(shè)計(jì)壁厚的氣瓶，而名義壁厚共用一個(gè)值，且該制造廠希望只進(jìn)行一個(gè)規(guī)格的氣瓶的型式試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)按公稱工作壓力為4.5MPa、設(shè)計(jì)壁厚為7.7mm對(duì)應(yīng)的參數(shù)考慮。該設(shè)計(jì)存在兩方面的問(wèn)題，一方面是不符合相關(guān)安全技術(shù)規(guī)范的要求，按TSG R1003—2006及TSG R7002—2009《氣瓶型式試驗(yàn)規(guī)則》的要求，改變?cè)O(shè)計(jì)壁厚屬于新設(shè)計(jì)，需要重新進(jìn)行型式試驗(yàn)，因此按壁厚為7.7mm進(jìn)行的型式試驗(yàn)，不能覆蓋壁厚為4.3mm及5.1mm的情況；另一方面，對(duì)于公稱工作壓力為1.5MPa或3MPa的氣瓶，名義壁厚取10mm，將很不經(jīng)濟(jì)。

表2 氣瓶技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)案例

2）對(duì)不同設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算不應(yīng)省略

很多“同一設(shè)計(jì)，系列參數(shù)”的設(shè)計(jì)文件對(duì)不同情況不予分別計(jì)算或者省略計(jì)算，如對(duì)不同容積下的氣瓶的安全泄放量不予以分別計(jì)算、對(duì)不同規(guī)格的氣瓶的重量不予以分別計(jì)算等，如此不能保證設(shè)計(jì)計(jì)算的正確性，也給設(shè)計(jì)文件鑒定工作審查設(shè)計(jì)是否正確帶來(lái)不便。

3）銘牌圖樣內(nèi)容規(guī)定不正確

有些“同一設(shè)計(jì)，系列參數(shù)”的設(shè)計(jì)文件是針對(duì)多種充裝介質(zhì)，但在銘牌設(shè)計(jì)圖樣中規(guī)定充裝介質(zhì)為多種，不符合氣瓶必須專用的規(guī)定。如某低溫絕熱氣瓶銘牌的設(shè)計(jì)圖樣上規(guī)定氣瓶充裝介質(zhì)為“ LO2/ LN2/LAr”，這樣意味著同一氣瓶既可充裝氧氣、也可充裝氮?dú)狻鍤?，可能造成氣體混裝，給氣瓶的安全使用帶來(lái)威脅。

4 材料強(qiáng)度保證值取值問(wèn)題

按照《氣瓶安全監(jiān)察規(guī)程》［1］，設(shè)計(jì)氣瓶時(shí)，瓶體金屬材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)選用材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值或者熱處理保證值。對(duì)于無(wú)縫氣瓶，一般需要在氣瓶成型完畢后通過(guò)熱處理來(lái)保證材料的強(qiáng)度；對(duì)于焊接氣瓶，有些制造時(shí)不需要作熱處理，有些盡管需要作熱處理，但目的不是為了保證強(qiáng)度。目前，有些氣瓶制造廠在計(jì)算氣瓶壁厚時(shí)，將材料的強(qiáng)度值在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值基礎(chǔ)上提高了，例如，當(dāng)設(shè)計(jì)選用S31608材料時(shí)，按GB 24511—2009［3］的規(guī)定，其屈服強(qiáng)度下限值為205MPa，但有些氣瓶制造廠按275MPa計(jì)算氣瓶壁厚，這樣可以降低氣瓶計(jì)算壁厚值，但不符合《氣瓶安全監(jiān)察規(guī)程》的規(guī)定，也可能帶來(lái)不安全的結(jié)果。

5 最小爆破壓力計(jì)算

對(duì)于批量檢驗(yàn)或型式試驗(yàn)項(xiàng)目中包括爆破試驗(yàn)的氣瓶，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行最小爆破壓力的計(jì)算，以作為試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)的依據(jù)。需要進(jìn)行爆破試驗(yàn)的氣瓶，在早期發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)中，多數(shù)規(guī)定最小爆破壓力按中徑公式計(jì)算［4-9］，中徑公式如式（1）所示。

式中：

pb——最小爆破壓力，MPa；

DO——瓶體外徑，mm；

σb——?dú)馄科矿w材料熱處理后抗拉強(qiáng)度保證值或材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定抗拉強(qiáng)度下限值，MPa；

S——?dú)馄客搀w設(shè)計(jì)壁厚（無(wú)縫氣瓶），或最小實(shí)測(cè)壁厚（焊接氣瓶），或名義壁厚（GB/T 15385—1994［9］），mm。

新近發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)［10-13］均依據(jù)爆破安全系數(shù)計(jì)算最小爆破壓力，即按式（2）計(jì)算。

式中：

pb——最小爆破壓力，MPa；

η——爆破安全系數(shù)，應(yīng)符合表3的規(guī)定；

p——公稱工作壓力。

氣瓶的實(shí)際爆破試驗(yàn)壓力，既與氣瓶的壁厚及材料的強(qiáng)度指標(biāo)有關(guān)，也受材料的本構(gòu)關(guān)系、韌性指標(biāo)、塑性指標(biāo)等因素的影響。氣瓶爆破試驗(yàn)壓力應(yīng)是氣瓶結(jié)構(gòu)尺寸與材料機(jī)械性能的綜合反映，中徑公式是基于理論力學(xué)推導(dǎo)的結(jié)果，其中考慮了壁厚和材料強(qiáng)度的影響，爆破安全系數(shù)主要是基于經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的結(jié)果。有些氣瓶制造廠設(shè)計(jì)氣瓶時(shí)，不考慮氣瓶的實(shí)際承載需要及經(jīng)濟(jì)性，盲目的將氣瓶的名義壁厚取得過(guò)大，如某氣瓶制造廠設(shè)計(jì)的焊接氣瓶公稱工作壓力為3.4MPa，水壓試驗(yàn)壓力為5.1MPa，設(shè)計(jì)壁厚為4.4mm，名義壁厚取為6.6mm，按式（2）計(jì)算得到的最小爆破壓力為10.2MPa，而按中徑公式計(jì)算得到的爆破壓力為20.09MPa，此時(shí)若取爆破試驗(yàn)壓力為10.2MPa作為爆破試驗(yàn)的合格評(píng)價(jià)指標(biāo)，既不科學(xué)，也可能會(huì)帶來(lái)不安全的結(jié)果。

表3 氣瓶的實(shí)際爆破安全系數(shù)

6 低溫絕熱氣瓶最大充裝量計(jì)算

低溫絕熱氣瓶最大充裝量可按式（3）進(jìn)行計(jì)算［14］：

式中：

Fw——最大充裝量，kg；

ρ1——充裝時(shí)低溫液化氣體的密度，kg/m3；

Va——內(nèi)膽有效容積，即內(nèi)膽允許的最大盛液容積，m3；

低溫液化氣體充裝入氣瓶后，由于吸熱溫度會(huì)逐漸上升，壓力也隨之不斷上升，同時(shí)體積不斷膨脹，最后壓力會(huì)上升至安全閥的開啟壓力，此時(shí)如果液體已膨脹至將瓶?jī)?nèi)空間全充滿，當(dāng)壓力進(jìn)一步上升導(dǎo)致安全閥開啟時(shí)，低溫液體將會(huì)直接從安全閥噴射出來(lái)，這種排放方式泄壓緩慢且容易使泄壓通道產(chǎn)生冰堵現(xiàn)象，因此存在很大的安全隱患。為了避免上述情況，保證安全閥以氣相排放，需要在氣瓶?jī)?nèi)留有足夠的安全空間（Vs）。有效容積是總?cè)莘e減去安全空間剩下的部分。

安全空間根據(jù)其作用原理，可以按式（4）計(jì)算。

式中：

ηmin——安全空間占內(nèi)膽容積的百分比，%；

ρ1——充裝時(shí)低溫液化氣體的密度，kg/m3；

ρ2——安全閥開啟壓力下液化氣體的密度，kg/m3。

可見，氣瓶所需要的最小安全空間取決于：充裝時(shí)液體的密度及安全閥的開啟壓力，二者均是溫度的函數(shù)，在相同安全閥開啟壓力條件下，充裝液體的溫度越低，其密度越高，所需要的安全空間越大，同樣的充裝條件下，安全閥開啟壓力越高，開啟時(shí)液體的溫度越高，密度越小，所需要的安全空間越小。按式（3）計(jì)算得到的安全空間僅能滿足液體膨脹的最低要求，實(shí)際設(shè)計(jì)中，考慮到適當(dāng)增加安全空間的容積，使安全閥完全以氣相排放，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，一般都以式（5）計(jì)算安全空間：

目前，低溫絕熱氣瓶已經(jīng)發(fā)展出了兩個(gè)品種：車用壓縮天然氣氣瓶及俗稱“杜瓦瓶”的焊接絕熱氣瓶。對(duì)于汽車用液化天然氣氣瓶，我國(guó)目前還沒(méi)有相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其設(shè)計(jì)生產(chǎn)一般都依據(jù)由行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化組織評(píng)審備案的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)車用低溫瓶的安全空間的要求，經(jīng)歷了一個(gè)逐漸明確和細(xì)化的過(guò)程，在早期制定的標(biāo)準(zhǔn)中均是直接規(guī)定了安全空間占公稱容積的百分比要求，沒(méi)有考慮充裝液體飽和蒸氣壓及安全閥開啟壓力的影響。在全國(guó)氣瓶標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)新近評(píng)審備案的標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)安全空間的要求作了較細(xì)的規(guī)定，不但作了數(shù)值上的規(guī)定，也給出了計(jì)算原則的規(guī)定，按其規(guī)定，充裝飽和蒸汽壓為0.8MPa的LNG液體且安全閥的排放壓力為1.6MPa時(shí)，安全空間應(yīng)至少為內(nèi)膽總?cè)莘e的10%，對(duì)于允許充裝飽和蒸汽壓低于0.8MPa的LNG的氣瓶，則應(yīng)根據(jù)LNG充裝壓力和安全閥開啟壓力下的密度差來(lái)設(shè)計(jì)安全空間。目前車用低溫瓶設(shè)計(jì)上存在的常見問(wèn)題主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是直接給出某一安全空間值，而不根據(jù)充裝液體的密度和安全閥的開啟壓力對(duì)其是否滿足要求進(jìn)行校核；二是不按實(shí)際充裝液體的密度計(jì)算最大充裝量，而是采用飽和蒸汽壓為0時(shí)的液體密度（0.426kg/L）計(jì)算，得到的最大充裝量偏大。

對(duì)于焊接絕熱氣瓶，我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 24159［14］中并沒(méi)有對(duì)安全空間提出明確的要求，大多數(shù)設(shè)計(jì)都是人為的給定一個(gè)安全空間值，而所給定的值有很多不滿足式（4）的要求，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 28051《焊接絕熱氣瓶充裝規(guī)定》的要求，焊接絕熱氣瓶的充裝應(yīng)采用稱重法，而實(shí)際上很多氣瓶充裝時(shí)采用打開放空閥觀察的方法，一般都是充滿，使得有效容積失去意義。

7 閥門選型的問(wèn)題

閥門是氣瓶的重要附件，其基本功能是在氣瓶的充裝、儲(chǔ)存和使用過(guò)程中，控制氣體進(jìn)出和調(diào)節(jié)流量，有些瓶閥帶安全泄壓裝置，在發(fā)生超壓等異常情況時(shí)，還會(huì)對(duì)氣瓶起到保護(hù)作用。

我國(guó)對(duì)氣瓶閥門實(shí)行制造許可制度，并要求進(jìn)行型式試驗(yàn)。氣瓶設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選配好閥門，并在設(shè)計(jì)圖樣和設(shè)計(jì)說(shuō)明書中做出明確的規(guī)定。部分車用氣瓶的標(biāo)準(zhǔn)［8，10，11］，對(duì)瓶閥變更提出了補(bǔ)充型式試驗(yàn)的要求，補(bǔ)充的項(xiàng)目見表4，之所以需要補(bǔ)充這些項(xiàng)目是因?yàn)殚y門的變更可能會(huì)影響氣瓶型式試驗(yàn)結(jié)果，因此閥門安裝后進(jìn)行的氣瓶型式試驗(yàn)可視為對(duì)閥門型式試驗(yàn)的一種補(bǔ)充。對(duì)于車用瓶，瓶閥的選配影響氣瓶的安全性能一定要選用與氣瓶一起進(jìn)行過(guò)型式試驗(yàn)的對(duì)應(yīng)型號(hào)的瓶閥，才能保證氣瓶與瓶閥附件安全性能的一致性和適配性，因此在氣瓶的設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要明確閥門的型號(hào)規(guī)格，還需要明確閥門的生產(chǎn)廠家。

對(duì)于汽車用液化天然氣氣瓶以及呼吸器用復(fù)合氣瓶，盡管產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有明確閥門變更需補(bǔ)充的型式試驗(yàn)項(xiàng)目要求，但型式試驗(yàn)項(xiàng)目中也包括火燒試驗(yàn)，而火燒試驗(yàn)結(jié)果也都受瓶閥或安全附件性能的影響，筆者建議在設(shè)計(jì)文件中也應(yīng)明確閥門的制造廠家。

表4 瓶閥變更的型式試驗(yàn)要求

8 纖維纏繞氣瓶纏繞層選材的問(wèn)題

我國(guó)目前已經(jīng)制訂了車用壓縮天然氣鋼質(zhì)內(nèi)膽玻璃纖維環(huán)向纏繞氣瓶［10］及呼吸器用復(fù)合氣瓶的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［13］，其中對(duì)纏繞氣瓶纏繞層的選材均作了相應(yīng)的規(guī)定。對(duì)于車用鋼內(nèi)膽環(huán)纏氣瓶，纏繞層浸漬材料和纖維均要求選用符合相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的材料，并要求氣瓶制造廠通過(guò)進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn)、氣瓶產(chǎn)品性能批量檢驗(yàn)和型式試驗(yàn)對(duì)纏繞層材料的性能進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)于呼吸器用復(fù)合氣瓶，纏繞層材料要求選用符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定及制造廠的要求。按GB 24160的要求，改變纖維材料制造廠家、纖維材料及樹脂材料均屬于設(shè)計(jì)變更；按GB 28053的要求，變化材料亦屬于設(shè)計(jì)變更，標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有明確材料的范圍，可理解為包括內(nèi)膽材料、纖維材料及樹脂材料。目前，我國(guó)尚沒(méi)有制定玻璃纖維、碳纖維等材料的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，纏繞氣瓶纏繞層材料均采用按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的材料，不同企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的材料性能和技術(shù)指標(biāo)各不相同，產(chǎn)品的實(shí)際性能也存在很大差異。因此，為了保證纏繞氣瓶性能的可靠性和穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)文件中不但應(yīng)明確纏繞層材料力學(xué)性能指標(biāo)，還應(yīng)明確材料的制造廠家、標(biāo)準(zhǔn)及型號(hào)規(guī)格，目前，仍有部分氣瓶制造廠提交的設(shè)計(jì)文件不滿足此要求。

9 結(jié)論

1）參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，提出了設(shè)計(jì)任務(wù)書、設(shè)計(jì)計(jì)算書及設(shè)計(jì)圖樣的內(nèi)容要求。

2）給出了設(shè)計(jì)修改、設(shè)計(jì)變更的界定條件，明確了氣瓶設(shè)計(jì)文件鑒定和備案的適用條件。

3）對(duì)于常見的“同一設(shè)計(jì)，系列參數(shù)”作法存在的型式試驗(yàn)不能覆蓋、計(jì)算內(nèi)容不齊全、銘牌內(nèi)容不規(guī)范等問(wèn)題，制造企業(yè)應(yīng)有足夠的重視。

4）指出了材料強(qiáng)度保證值取值、最小爆破壓力計(jì)算、低溫絕熱氣瓶最大充裝量計(jì)算、閥門設(shè)計(jì)、纖維纏繞氣瓶纏繞層選材幾個(gè)方面存在的問(wèn)題，并提出了解決問(wèn)題相應(yīng)的建議。

［1］ 質(zhì)技監(jiān)局鍋發(fā)［2000］250號(hào).氣瓶安全監(jiān)察規(guī)程。

［2］ TSG R1003—2006 氣瓶設(shè)計(jì)文件鑒定規(guī)則［S］.

［3］ GB 24511—2009 承壓設(shè)備用不銹鋼鋼板及鋼帶［S］.

［4］ GB 5099—1994 鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶［S］.

［5］ GB 5842—2006 液化石油氣鋼瓶［S］.

［6］ GB 5100—1994 鋼質(zhì)焊接氣瓶［S］.

［7］ GB/T 11640—2001 鋁合金無(wú)縫氣［S］.

［8］ GB 17259—1998 機(jī)動(dòng)車用液化石油氣鋼瓶［S］.

［9］ GB/T 15385—1994 氣瓶水壓爆破試驗(yàn)方法［S］.

［10］ GB 24160—2009 車用壓縮天然氣鋼質(zhì)內(nèi)膽環(huán)向纏繞氣瓶［S］.

［11］ GB 17258—2011 汽車用壓縮天然氣鋼瓶［S］.

［12］ GB 28051—2011 焊接絕熱氣瓶充裝規(guī)定［S］.

［13］ GB 28053—2011 呼吸器用復(fù)合氣瓶［S］.

［14］ GB 24159—2009 焊接絕熱氣瓶［S］.

Analysis of Common Problems in the Design of Gas Cylinders

Chen Zuzhi Bo Ke Xu Hongyi
（China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029 ）

In this paper the common problems in design of gas cylinder are analyzed and summarized as follows: 1） the contents of design document were imcomplete； 2） both design attribute and appraisal attribute were not defined clearly； 3） the same design with series parameters was lack of standardization；4） the guarantee value of material strength was not used standardly； 5） the minimum of burst pressure was calculated unscientifically； 6） the maximum of filling weight of cryogenic insulated cylinders was calculated without merit； 7） Valve selection was performed not based on codes and standards； 8） material selection of reinforced layer of fiber-wrapped cylinder was conducted not according to safety technical specifications. The problems mentioned above are analyzed and the corresponding suggestions are given， which could provide

for design of cylinders and document appraisal.

Design of cylinder Design document appraisal Common problems Burst pressure Filling weigh

X933.4

B

1673-257X（2015）04-33-07

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.04.009

陳祖志（1979～），男，博士，高級(jí)工程師，主要從事承壓類特種設(shè)備安全檢測(cè)與評(píng)價(jià)及技術(shù)研究工作。

2014-12-09）