關(guān)于大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶輕量化設(shè)計(jì)的探討

王洪海，李邦憲2，陳俊德，陳 冬，桑 偉

(1.德新鋼管(中國)有限公司，江蘇 無錫 214177；2.中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029)

0 引言

近年來，國內(nèi)天然氣在一次能源消費(fèi)中的比例逐年提高，氫能的發(fā)展也日益受到重視，使得運(yùn)輸氫氣和壓縮天然氣的大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶(以下簡稱大容積氣瓶)得到廣泛普及和使用。充裝壓縮天然氣和氫氣的大容積氣瓶的設(shè)計(jì)和制造標(biāo)準(zhǔn)主要有：美國的聯(lián)邦法規(guī)49CFR§178.37[1](即DOT-3AAX標(biāo)準(zhǔn))和DOT特殊許可SP 8009[2]、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的ISO 11120標(biāo)準(zhǔn)[3]以及中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 33145—2016[4]。對(duì)比國內(nèi)外大容積氣瓶的標(biāo)準(zhǔn)可以發(fā)現(xiàn)，美國DOT標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)于設(shè)計(jì)，而寬于對(duì)材料和檢驗(yàn)的要求，依靠嚴(yán)格的設(shè)計(jì)儲(chǔ)備足夠的安全裕度，在氣瓶的制造和檢驗(yàn)階段體現(xiàn)出一定的經(jīng)濟(jì)性和靈活性；而ISO 11120標(biāo)準(zhǔn)則與之相反，在設(shè)計(jì)上追求輕量化，通過嚴(yán)格的制造和檢驗(yàn)來保證安全性；GB/T 33145—2016在設(shè)計(jì)上遵循了美國DOT標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)理念，同時(shí)在材料、制造和檢驗(yàn)方面提出了比ISO 11120標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格的要求[5]，在氣瓶的安全性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一方面有值得商榷之處。輕量化是移動(dòng)式壓力容器的發(fā)展趨勢(shì)，是響應(yīng)國家節(jié)能減排戰(zhàn)略的重要舉措。國家 “十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“移動(dòng)式承壓類特種設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)防控與治理關(guān)鍵技術(shù)研究”已經(jīng)將“長管拖車用大容積氣瓶的設(shè)計(jì)方法、上裝與行走機(jī)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)方法等研究”列為一項(xiàng)重要的研究內(nèi)容[6]。本文通過對(duì)國內(nèi)外盛裝氫氣和天然氣的大容積氣瓶的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)合介紹美國對(duì)大容積氣瓶的使用管理，指出國內(nèi)大容積氣瓶實(shí)施輕量化設(shè)計(jì)的必要性，探討實(shí)施氣瓶輕量化設(shè)計(jì)的可行思路。

1 氣瓶設(shè)計(jì)壁厚的比較

1.1 力學(xué)性能

GB/T 33145,ISO 11120,DOT-3AAX標(biāo)準(zhǔn)和SP 8009對(duì)熱處理之后材料力學(xué)性能的要求見表1。

表1 各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)材料力學(xué)性能的要求

從表1可以看出，GB/T 33145對(duì)氣瓶熱處理后的力學(xué)性能要求基本上等同于DOT-3AAX+SP 8009。但是，從目前的煉鋼水平、材料性能及熱處理水平來看，880 MPa的抗拉強(qiáng)度門檻值較為保守[7]。而ISO 11120標(biāo)準(zhǔn)是基于歐洲剛性氣瓶的設(shè)計(jì)理念，材料的抗拉強(qiáng)度可以取更高的數(shù)值。1999版的ISO 11120標(biāo)準(zhǔn)將氣瓶的實(shí)際抗拉強(qiáng)度上限限定在950 MPa，2015年該標(biāo)準(zhǔn)第2版規(guī)定，氣瓶的力學(xué)性能超出表1中所列的數(shù)值時(shí)，應(yīng)根據(jù)ISO 11114-4[8]標(biāo)準(zhǔn)所要求的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，但是，實(shí)際抗拉強(qiáng)度上限不能超過1 100 MPa，屈強(qiáng)比不能超過0.95%，延伸率不能低于14%。

1.2 壁厚設(shè)計(jì)公式

GB/T 33145和DOT-3AAX均采用基于第一強(qiáng)度理論的巴赫公式計(jì)算氣瓶的最小設(shè)計(jì)壁厚：

(1)

式中t——筒體的最小設(shè)計(jì)壁厚，mm；

D0——?dú)馄客鈴?，mm；

S——水壓試驗(yàn)條件下的瓶壁許用應(yīng)力，MPa;

ph——水壓試驗(yàn)壓力，MPa，取5/3倍的公稱工作壓力。

GB/T 33145和DOT-3AAX規(guī)定，在水壓試驗(yàn)壓力下的瓶壁應(yīng)力S不得超過材料抗拉強(qiáng)度最小保證值Rg的67%和482 MPa兩者的最小值。

ISO 11120標(biāo)準(zhǔn)則采用基于第四強(qiáng)度理論的米賽斯公式計(jì)算氣瓶的最小設(shè)計(jì)壁厚：

(2)

式中F——設(shè)計(jì)應(yīng)力系數(shù)；

Re——屈服強(qiáng)度的保證值，MPa；

ph——?dú)馄克畨涸囼?yàn)壓力，bar，取1.5倍的公稱工作壓力。

相對(duì)于DOT標(biāo)準(zhǔn)和GB/T 33145直接對(duì)瓶壁應(yīng)力進(jìn)行限制而言，ISO 11120則對(duì)設(shè)計(jì)應(yīng)力系數(shù)F進(jìn)行限定，設(shè)計(jì)應(yīng)力系數(shù)：F=f/(Re/Rg) ，當(dāng)抗拉強(qiáng)度的最大保證值Rm max≤890 MPa時(shí)，f=0.65；當(dāng)890 MPa

1.3 設(shè)計(jì)壁厚的比較

對(duì)于外徑559 mm、公稱工作壓力20 MPa、瓶體材料為4130X的大容積氣瓶，DOT-3AAX,GB/T 33145,ISO 11120中，氣瓶的設(shè)計(jì)壁厚如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)壁厚對(duì)比

在ISO 11120標(biāo)準(zhǔn)中，氣瓶的設(shè)計(jì)壁厚比DOT-3AAX和GB/T 33145氣瓶的設(shè)計(jì)壁厚低12.7%。由于GB/T 33145和DOT-3AAX分別限定了水壓試驗(yàn)壓力下的瓶壁許用應(yīng)力，在Rg超過720 MPa的情況下，提高抗拉強(qiáng)度并不能降低氣瓶的計(jì)算壁厚。而對(duì)于ISO 11120標(biāo)準(zhǔn)，在一定范圍內(nèi)提高Rg可以降低氣瓶的計(jì)算壁厚。如果材料在Rm max達(dá)到1 100 MPa時(shí)仍然能夠通過ISO 11114-4標(biāo)準(zhǔn)所要求的試驗(yàn)，則Rg可以提高到1 000 MPa，此時(shí)氣瓶的計(jì)算壁厚為12.2 mm，比DOT-3AAX中氣瓶的計(jì)算壁厚低26%。由此可以看出，ISO 11120標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)理念更符合當(dāng)前移動(dòng)式壓力容器輕量化的發(fā)展趨勢(shì)。

2 制造及檢驗(yàn)要求的比較

設(shè)計(jì)理念的差異導(dǎo)致氣瓶的設(shè)計(jì)壁厚不同，相應(yīng)地對(duì)材料的化學(xué)成分及制造過程中的檢驗(yàn)和型式試驗(yàn)的要求也不盡相同。各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)材料的化學(xué)成分及檢驗(yàn)、試驗(yàn)項(xiàng)目的要求見表3。

表3 各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)材料的化學(xué)成分及檢驗(yàn)、試驗(yàn)要求的對(duì)比

從表3中所列的項(xiàng)目可以看出，DOT-3AAX標(biāo)準(zhǔn)對(duì)材料和制造、檢驗(yàn)的要求較為寬松，這也是在充分保障氣瓶安全性的前提下出于對(duì)經(jīng)濟(jì)性的考慮；ISO 11120標(biāo)準(zhǔn)對(duì)材料的化學(xué)成分及制造檢驗(yàn)的要求都高于DOT-3AAX標(biāo)準(zhǔn)(包括SP 8009)。因此可以說，ISO 11120通過嚴(yán)格的材料成分控制以及更高的檢驗(yàn)與試驗(yàn)要求來保證輕量化氣瓶的安全性。

從表3還可以看出，GB/T 33145要求的檢驗(yàn)和試驗(yàn)涵蓋了ISO 11120和DOT-3AAX的全部項(xiàng)目，并且其要求均高于ISO 11120和DOT-3AAX標(biāo)準(zhǔn)。例如，測(cè)定容積變形的水壓試驗(yàn)必須采用外側(cè)法，并且容積殘余變形率不超過5%；沖擊試驗(yàn)在較低的試驗(yàn)溫度下，對(duì)橫向沖擊試樣依然要求較高的合格試驗(yàn)值。一般鋼瓶爆破失效時(shí)，爆破口的方向通常是橫向沖擊試驗(yàn)的方向，這是瓶壁周向應(yīng)力最大所致，所以橫向沖擊更能模擬氣瓶的爆破失效[9]，并且鋼中夾雜物會(huì)導(dǎo)致鋼的橫向沖擊韌性低于縱向沖擊韌性。除此之外，GB/T 33145還增加了磁粉檢測(cè)、金相檢查、端部解剖、爆破試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)。

3 美國大容積氣瓶的使用管理

由于DOT-3AAX中氣瓶設(shè)計(jì)相對(duì)保守，瓶體自重較大，為了提高運(yùn)輸效率，聯(lián)邦法規(guī)49CFR§173.302允許滿足以下條件的3AAX氣瓶盛裝非液化、非溶解、無毒并且非易燃的壓縮氣體時(shí)，可以超出標(biāo)記的工作壓力10%進(jìn)行充裝：

(1)氣瓶裝有爆破片式的安全泄壓裝置(無易熔合金)，并且爆破片的爆破壓力不超過氣瓶的水壓試驗(yàn)壓力；

(2)氣瓶在制造檢驗(yàn)或定期檢驗(yàn)時(shí),利用水夾套外測(cè)法測(cè)定的彈性膨脹量合格；

(3)水壓試驗(yàn)壓力下的平均瓶壁應(yīng)力和最大瓶壁應(yīng)力分別不超過462 MPa和503 MPa；

(4)氣瓶在上次檢驗(yàn)或定期檢驗(yàn)時(shí)，外觀檢查和內(nèi)部檢查沒有發(fā)現(xiàn)超標(biāo)的腐蝕、凹坑或其他危險(xiǎn)性的缺陷。

超量10%充裝氫氣，或者氫氣與氬氣、氦氣、氮?dú)獾幕旌蠚怏w時(shí)，3AAX氣瓶還需要滿足以下額外條件：當(dāng)鋼瓶用錳鋼制造時(shí)，只能采取正火處理，不允許采用淬火加回火處理；當(dāng)鋼瓶采用鉻鉬鋼制造時(shí)，必須采用淬火加正火處理，而不允許采用正火處理；長度超過1.65 m并且直徑超過244 mm的3AAX鋼瓶必須安裝易熔合金加爆破片或單獨(dú)爆破片式的安全裝置，直徑為559 mm或更大的鋼瓶必須安裝爆破片式的安全裝置[10]。

由于美國絕大多數(shù)的長管拖車用于運(yùn)輸高壓氫氣、氦氣及氫氣混合氣等工業(yè)氣體，所以超量充裝的規(guī)定基本上解決了由于氣瓶保守設(shè)計(jì)所帶來的經(jīng)濟(jì)性不足的問題[11]。除此之外，DOT標(biāo)準(zhǔn)也逐步與ISO標(biāo)準(zhǔn)接軌，這主要體現(xiàn)在：

(1)美國DOT已經(jīng)將聯(lián)合國(UN)的《危險(xiǎn)品運(yùn)輸建議書》、國際海事組織(IMO)的《國際危險(xiǎn)貨物海運(yùn)法規(guī)》(IMDG)融入到美國聯(lián)邦法規(guī)49CFR的§171,172,173,176和178章節(jié)中，并于2001年7月1日強(qiáng)制實(shí)施[12]，而UN和IMDG法規(guī)中的大容積氣瓶的制造是基于ISO 11120標(biāo)準(zhǔn)；

(2)美國聯(lián)邦法規(guī)49CFR的§171.7正式引用了ISO 11120標(biāo)準(zhǔn)，使該標(biāo)準(zhǔn)具備了美國法律的效力；

(3)美國聯(lián)邦法規(guī)49CFR的§178章C篇“氣瓶規(guī)范”中單獨(dú)列出了§178.71“UN壓力容器規(guī)范”，成為與§178.37“3AAX無縫鋼瓶規(guī)范”并列的一節(jié)，§178.71中關(guān)于大容積氣瓶的設(shè)計(jì)和制造必須遵循ISO 11120標(biāo)準(zhǔn)[13]；

(4)美國聯(lián)邦法規(guī)49CFR的§173.24節(jié),確定了在美國本土制造的UN壓力容器作為合法的危險(xiǎn)品包裝物的地位。

4 輕量化設(shè)計(jì)的必要性

歐洲氣瓶界依據(jù)長期以來氣瓶剛性設(shè)計(jì)所積累的經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合新材料、新技術(shù)和新工藝方面的研究成果，主導(dǎo)著ISO 氣瓶標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)劃與發(fā)展，在大容積氣瓶輕量化發(fā)展方面走在了世界的前列。ISO 11120大容積氣瓶比國內(nèi)同類的GB/T 33145氣瓶的充裝效率高出12.7%。美國傳統(tǒng)的塑性氣瓶設(shè)計(jì)理念導(dǎo)致壁厚設(shè)計(jì)相對(duì)保守，但是其依據(jù)本國國情提出的超量充裝10%的規(guī)定以及逐步與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌的措施也有效地提高了大容積氣瓶的運(yùn)輸效率。而GB/T 33145標(biāo)準(zhǔn)不僅在設(shè)計(jì)上采用了DOT-3AAX的規(guī)定，而且在制造和檢驗(yàn)方面還附加了更為嚴(yán)格的要求，使得安全性有余、而經(jīng)濟(jì)性不足[14]。加之國內(nèi)氣瓶的使用管理水平以及與國際接軌方面也落后于歐美國家，使得國內(nèi)大容積氣瓶運(yùn)輸效率低下的問題凸顯，制約了大容積氣瓶向更高的層次發(fā)展。

從氣瓶的本質(zhì)安全考慮，并非氣瓶的厚度越大、其可靠性越高。目前，操作壓力20 MPa、外徑715 mm的氣瓶所用無縫鋼管的厚度已達(dá)21.5 mm。厚壁鋼管熱旋壓收口時(shí)，容易在封頭部位產(chǎn)生較多的旋壓皺褶，高壓氫環(huán)境中的氫及濕硫化氫環(huán)境中離解產(chǎn)生的氫在皺褶部位會(huì)加速向金屬內(nèi)部滲透[15]，加劇了材料的氫脆和硫化氫應(yīng)力腐蝕(SSC)傾向，并且皺褶在疲勞載荷的作用下也有可能形成缺陷擴(kuò)展源。同時(shí)，厚壁容器在熱處理時(shí)也會(huì)存在淬透性差、內(nèi)外壁淬火不均勻、顯微組織不一致等問題，如果熱處理達(dá)不到所要求的顯微組織和晶粒度，也會(huì)加劇材料的氫脆敏感性[16-18]。

從響應(yīng)國家節(jié)能減排的戰(zhàn)略和可持續(xù)發(fā)展觀看，移動(dòng)式壓力容器的輕量化發(fā)展已勢(shì)在必行，并且意義重大。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)長管拖車的數(shù)量至2016年已經(jīng)突破一萬輛[19]，大容積氣瓶的年增量超過1.5萬個(gè)，大容積氣瓶的保有量和年產(chǎn)量在世界范圍內(nèi)遙遙領(lǐng)先。單個(gè)大容積氣瓶的質(zhì)量約為4 900 kg，如果通過輕量化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)減重13%，則每年可以節(jié)省合金鋼9 000多噸，節(jié)約1億元左右的材料成本。另外，由于運(yùn)輸效率提高，每年還可以節(jié)約3 000多萬元的運(yùn)輸成本，可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

5 輕量化設(shè)計(jì)的思路

依靠新材料、新技術(shù)、新工藝保證氣瓶的本質(zhì)安全是長管拖車輕量化發(fā)展的必經(jīng)之路，以下從三方面探討大容積氣瓶輕量化發(fā)展的可行性思路。

5.1 開發(fā)新材料

開發(fā)具有優(yōu)良綜合力學(xué)性能、抗SSC性能和抗氫脆性能的材料是實(shí)施大容積氣瓶輕量化的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。4130X(30CrMo)是制造大容積氣瓶常用的鉻鉬鋼，在4130X的基礎(chǔ)上，通過化學(xué)成分優(yōu)化、適當(dāng)提高Cr和Mo的含量，并通過添加微量合金元素V和Nb進(jìn)行微合金化是提高其綜合性能的一條途徑。

V在鋼中可與C形成穩(wěn)定的微細(xì)碳化物V4C3，起到析出強(qiáng)化和晶粒細(xì)化的作用。在高壓氣瓶常用鉻鉬鋼34CrMo4中添加0.05%～0.08%的V，可以提高材料的抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性，并使材料的塑性得到改善[20]。Nb在調(diào)質(zhì)鋼中既可以引起固溶強(qiáng)化，又能應(yīng)變析出，起到沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的作用[21]。另外，均勻彌散分布在晶格內(nèi)的V和Nb的微細(xì)碳化物可以顯著地降低鋼的氫脆敏感性[22]。

5.2 采用煉鋼新技術(shù)和新工藝

通過先進(jìn)的煉鋼技術(shù)和煉鋼工藝，控制坯料中夾雜物的形態(tài)、控制凝固過程中的偏析、控制鋼的顯微組織和晶粒度均可改善材料的綜合性能。

對(duì)連鑄坯液相穴進(jìn)行電磁攪拌，可以使鋼液的流動(dòng)狀態(tài)有利于非金屬夾雜物及氣泡上浮，降低鑄坯內(nèi)夾雜物及氣泡的含量。同時(shí)，電磁攪拌還可以打碎枝狀晶，形成等軸晶，提高鑄坯的等軸晶率，減少中心偏析、中心疏松和縮孔，改善鑄坯的凝固組織[23]。

連鑄坯的動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)可以消除或減少鑄坯收縮形成的內(nèi)部空隙，使鑄坯的凝固組織更加均勻致密，從而減少中心偏析和中心疏松。在轉(zhuǎn)爐連鑄生產(chǎn)高壓氣瓶常用鋼34CrMo4的過程中，采用結(jié)晶器電磁攪拌配合凝固末端電磁攪拌及動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)可使鋼坯達(dá)到較高的致密度，中心疏松小于1級(jí)[24]。

對(duì)于4130X材料，通過將Cr含量提高到0.90%～1.10%，Mo含量提高到0.22%～0.25%，添加0.02%～0.08%的V，并在坯料煉制過程中采用電磁攪拌和動(dòng)態(tài)輕壓下技術(shù)，可以將其調(diào)質(zhì)后的最終抗拉強(qiáng)度由720～880 MPa提高到820～920 MPa，而不降低其塑性、韌性、抗SSC性能，這樣瓶壁許用應(yīng)力可從482 MPa提高到550 MPa，使大容積氣瓶減重13%。

5.3 采用先進(jìn)的鋼管制造方法

強(qiáng)力旋壓工藝在中小容積的無縫氣瓶生產(chǎn)中已有應(yīng)用研究，并取得了良好的降低壁厚、減輕重量的效果[25]。通過技術(shù)改造和創(chuàng)新，完全可以將強(qiáng)力旋壓工藝用于制造大容積氣瓶用無縫鋼管[26]。為解決由于芯模和工件過長而產(chǎn)生的彎曲和振動(dòng)問題，德國某公司研制的強(qiáng)力旋壓設(shè)備增加了芯模與工件的支撐裝置，可承載質(zhì)量達(dá)4 t的工件，工件的最大直徑可達(dá)650 mm，反旋時(shí)成形長度可達(dá)15 m，壁厚減薄率可達(dá)30%[27]。另外，采用對(duì)輪旋壓工藝和浮動(dòng)芯模代替?zhèn)鹘y(tǒng)的芯模，也可有效避免超長芯模制造成本高、穿模及脫模困難、旋壓過程中低頭、振動(dòng)等問題[28-29]。

強(qiáng)力旋壓工藝的顯著優(yōu)點(diǎn)是可達(dá)到較高的制造精度(壁厚公差±0.03 mm)和表面光潔度，旋壓后材料晶粒細(xì)化，并具有明顯的纖維組織，可提高材料的抗疲勞強(qiáng)度[30]。目前，制造大容積氣瓶用無縫鋼管普遍使用的熱擴(kuò)加冷拔工藝能夠達(dá)到的壁厚精度為0～15%，鋼管的實(shí)際質(zhì)量比理論質(zhì)量多8%。如果能夠利用強(qiáng)力旋壓工藝將大容積氣瓶用無縫鋼管的壁厚公差控制在0～2%的范圍內(nèi)，可使大容積氣瓶用無縫鋼管減重7%左右。

6 結(jié)語

國內(nèi)大容積無縫氣瓶的擁有量和年產(chǎn)量已經(jīng)躍居世界首位，但是，相對(duì)于國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11120和美國對(duì)大容積無縫氣瓶的管理制度而言，國標(biāo)氣瓶的安全裕度有余、而經(jīng)濟(jì)性不足，影響了運(yùn)輸效率。輕量化是今后移動(dòng)式壓力容器發(fā)展的趨勢(shì)。依靠新材料、新技術(shù)、新工藝是長管拖車輕量化發(fā)展的必經(jīng)之路。通過優(yōu)化化學(xué)成分和微合金化開發(fā)新材料、采用先進(jìn)的煉鋼工藝提高氣瓶用材料的綜合性能，是實(shí)施大容積氣瓶輕量化并保證其本質(zhì)安全和可靠性的發(fā)展方向;采用先進(jìn)的制造方法提高氣瓶用無縫鋼管的制造精度,是實(shí)現(xiàn)大容積氣瓶輕量化可借鑒的思路。