非焊接瓶式容器建造技術(shù)的探討

秦宗川,危書濤,姚佐權(quán),朱金花

(1.合肥通用機械研究院有限公司,合肥 230031；2.國家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心，合肥 230031)

0 引言

對于固定式壓力容器而言，非焊接瓶式容器屬于較新的產(chǎn)品門類，根據(jù)《中華人民共和國特種設(shè)備安全法》和《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》的規(guī)定，質(zhì)檢總局(國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，現(xiàn)隸屬于國家市場監(jiān)督管理總局)發(fā)布了《特種設(shè)備目錄》[1]，對壓力容器類特種設(shè)備實行目錄管理，現(xiàn)行2014版目錄中并不包含非焊接瓶式容器。而非焊接瓶式容器第一次正式列入技術(shù)規(guī)程是在TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[2](以下簡稱固容規(guī))中，其定義為：采用高強度無縫鋼管(公稱直徑大于500 mm)旋壓而成的壓力容器。固容規(guī)屬于第四層次，為政府主管部門頒布的技術(shù)規(guī)范，在地位上高于國家標準(如GB/T 150.1～150.4—2011)、行業(yè)標準(如JB 4732—1995)等技術(shù)標準。

“瓶式容器”一詞最早出現(xiàn)是在國家質(zhì)量監(jiān)督檢疫總司(局)2012年5月9日發(fā)布的質(zhì)檢特函[2012]32號文《關(guān)于承壓設(shè)備安全監(jiān)察有關(guān)問題的通知》[3]中“站用瓶組中的氣瓶(或瓶式容器)應(yīng)當滿足《氣瓶安全監(jiān)察規(guī)程》(或《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》)的要求。如站用瓶組無適用的國家標準，生產(chǎn)單位應(yīng)當制訂相應(yīng)的企業(yè)標準，其內(nèi)容至少包括瓶組瓶體、瓶體與支撐連接、管路布置和安全附件設(shè)置等設(shè)計、制造、檢驗等要求，并考慮充裝所引起的疲勞。企業(yè)標準應(yīng)該通過全國氣瓶標準化技術(shù)委員會(或全國鍋爐壓力容器標準化技術(shù)委員會)評審并根據(jù)《標準化法》進行備案后方可用于生產(chǎn)?！痹撏ㄖ赋稣居闷拷M可采用氣瓶或容器標準進行建造，此處的“瓶式容器”即為2016年頒布的固容規(guī)中的“非焊接瓶式容器”，上述內(nèi)容意指這類壓力容器既可以按照大容積氣瓶建造，也可以按照固定式壓力容器進行建造。

由于國內(nèi)現(xiàn)行固定壓力容器建造標準和規(guī)范對此類容器缺乏相應(yīng)的指導(dǎo)，同時這類壓力容器主要還是由大容積氣瓶制造廠進行建造，如果對于大容積氣瓶和固定式壓力容器之間的差異缺乏足夠的了解，可能會引起混亂，從而造成該類承壓設(shè)備的高技術(shù)風(fēng)險狀態(tài)。

如圖1所示，瓶式容器以無縫鋼管為原料，兩端經(jīng)熱旋壓收口后形成凸形封頭，在封頭中部旋壓形成的“瓶嘴”部位加工內(nèi)螺紋，并加裝螺紋端塞進行密封。

圖1 站用瓶式容器

固容規(guī)中對于非焊接瓶式容器給出的定義限定為DN>500 mm，從技術(shù)角度而言，其與長管拖車上所采用的大容積氣瓶并無差異，最大的不同僅在于固容規(guī)中的非焊接瓶式容器為固定式壓力容器，而長管拖車屬于移動式壓力容器，而這樣的規(guī)定主要是基于應(yīng)用場景不同。

非焊接瓶式容器主要技術(shù)特點如下。

(1)普遍采用中碳低合金鋼材料，加入一定的合金元素，該類材料強度級別較高，可焊性差。

(2)采用無縫管材為原材料，瓶體端部加熱后旋壓擠制，在擠制成形過程中封頭部位經(jīng)歷較大形變，內(nèi)部瓶口內(nèi)拐角過渡部位在成形過程中會處于軸向拉伸和環(huán)向擠壓共同作用下，容易出現(xiàn)褶皺、甚至裂紋，在介質(zhì)和循環(huán)應(yīng)力共同作用下可能萌生裂紋，并引起疲勞失效。這一點也被疲勞試驗所證實[4]。

因質(zhì)量不穩(wěn)定，國內(nèi)外標準普遍限制當壓力較高時,不得再采用局部高溫焊合的“平底”封閉結(jié)構(gòu)。

(3)原材料一般為熱軋狀態(tài)，最終產(chǎn)品的性能則通過成形后的整體熱處理來獲得，通常為調(diào)質(zhì)態(tài)，而兩端旋壓收口后孔徑較小，無法從內(nèi)部注入淬火介質(zhì)，故只能實現(xiàn)單面淬火，造成內(nèi)外壁性能存在一定差異。

(4)成形后無損檢驗手段單一，一般只能通過外壁進行單面檢測，內(nèi)壁難以檢測。

本文簡要對非焊接瓶式容器分別按照大容積氣瓶美洲體系(DOT)、歐洲體系(ISO)和固定式壓力容器(TSG 21—2016)三種體系進行建造時存在的差異進行研究，并進行分析、比較。

1 材料

1.1 強度等級的確定

非焊接瓶式容器主要用于加氣站內(nèi)儲存天然氣、氫氣等，材料的基本要求為：較高的強度等級以利于適當降低壁厚，提高靜壓承載能力，與此同時也要求便于成形和熱處理，屈服強度約為700～800 MPa，抗拉強度為900～1 100 MPa。非焊接瓶式用材與一般固定式壓力容器存在較大的差異，與低合金高強度螺柱及超高壓容器材料牌號相近，與長管拖車用大容積氣瓶用材相同，為中碳低合金高強鋼，國內(nèi)常用牌號為30CrMo，35CrMo和42CrMo，歐洲牌號34CrMo4，美標牌號4130X[5]，4142，SA372 Gr.J70等，其中一定含量的C元素和Cr元素的加入可提高強度，鉬和釩作為強碳化物形成元素的加入可避免在晶界形成碳化鉻，碳化鉬和碳化釩等碳化物對于基體實現(xiàn)了彌散強化。這些材料具備較好的淬透性，當厚度較薄時(一般<20 mm)，沿壁厚材料性能差異較小，這類材料的性能存在較大的可調(diào)范圍，不同的熱處理工藝可得到較寬的力學(xué)性能。

對于大容積氣瓶，因為是用于氣體產(chǎn)品的運輸，一般采用較高的強度等級，以利于減薄壁厚，從而降低自重。但對于固定式壓力容器而言，重量控制要求就不那么迫切，此時選材思路應(yīng)轉(zhuǎn)為適當降低強度、提高塑性和韌性儲備，以利于簡化工藝，提高產(chǎn)品合格率，而且從提高安全性考慮，也不應(yīng)單純提高靜強度，而需兼顧塑性和韌性。

1.2 材料綜合性能

無論是美洲體系還是歐洲體系，大容積氣瓶標準均對材料的抗拉強度、屈強比、斷后伸長率指標做出了規(guī)定，還特別針對致脆性氣體降低了抗拉強度和屈強比，提高了斷后伸長率最低保證值，TSG 21—2016第2部分“材料”2.2.1.6條對非焊接瓶式容器用鋼也提出了專項要求。表1列出了美洲、歐洲以及我國固容規(guī)中材料相應(yīng)要求。

表1 不同體系材料基本要求

注：表中“/”前后數(shù)據(jù)分別對應(yīng)于非脆性和脆性介質(zhì)環(huán)境

從表1可以看出，隨著近年來國際貿(mào)易的發(fā)展，不同標準體系之間的交流日益密切，美洲和歐洲體系在早年間尚存在較大的差異，但近年來已日益趨同，固容規(guī)借鑒了主要控制要點，但缺乏系統(tǒng)性，例如對于瓶體所用材料，歐洲體系及GB/T 5099.1—2017《鋼質(zhì)無縫氣瓶 第1部分：淬火后回火處理的抗拉強度小于1 100 MPa的鋼瓶》中均規(guī)定應(yīng)是無時效鎮(zhèn)靜鋼，對于氫氣、甲烷等脆性[11-12]氣體提出了部分特殊要求，但仍缺少對于材料與介質(zhì)相容性限制，未給出致脆性氣體介質(zhì)硬度的控制允許范圍等。換言之，滿足固容規(guī)和配套協(xié)調(diào)標準的要求并不能確保非焊接瓶式容器的安全。

1.3 管材工藝

大容積管材成形一般采用鋼坯拉拔或斜軋穿孔后旋壓擴口的成形工藝[13-14]，存在明顯纖維取向，加工過程中金屬纖維沿長度方向拉伸變形，然后再沿環(huán)向碾長，會形成總體沿軸向并略帶傾斜的螺旋狀金屬流線，而一般認為金屬材料沿著纖維方向和垂直纖維方向存在明顯性能差異。

非焊接瓶式容器瓶體取樣部位如圖2所示?？梢钥闯觯呛附悠渴饺萜鞴懿睦煸囼炄臃较驗檠刂S線，并不能代表材料薄弱方向的性能。而承壓設(shè)備用板材(見圖3)和筒形鍛件(見圖4)則不同，板材拉伸試驗的取樣方向為垂直于軋制方向，筒形鍛件采用馬杠擴孔纖維碾長方向也是環(huán)向，其力學(xué)性能試驗取樣方向為切向，均實現(xiàn)了薄弱方向取樣。

圖2 非焊接瓶式容器瓶體取樣部位

圖3 承壓設(shè)備用板材取樣部位

圖4 承壓設(shè)備用筒形鍛件取樣部位

壓力容器自身受力特點為環(huán)向應(yīng)力大于軸向應(yīng)力(對于薄壁容器，環(huán)向應(yīng)力約等于軸向應(yīng)力的2倍)，管材力學(xué)性能取樣無法得到材料薄弱方向的數(shù)據(jù)，當兩個方向性能存在較大差異時，可能會得到不安全的結(jié)果。因此對于非焊接瓶式容器，建議采用碾鍛等兩個方向性能差異較小的筒形鍛件或大角度斜軋穿孔等特殊工藝無縫鋼管。

綜上所述，對于非焊接瓶式容器所用材料，固容規(guī)給出了一些要求，但這些要求缺乏系統(tǒng)性，特別在缺少配套產(chǎn)品標準的情況下，部分要求缺乏支撐，難以實現(xiàn)提高安全性的目的；對于固定式非焊接瓶式容器，不宜過度追求強度，反之應(yīng)適當降低強度、提高材料韌性和塑性儲備，有利于產(chǎn)品總體質(zhì)量的提升，從而提高安全性；非焊接瓶式容器所用大直徑管材的常規(guī)成形方式與取樣方向存在一定的矛盾，兩個方向存在的性能差異應(yīng)引起注意。

2 設(shè)計

2.1 設(shè)計標準

移動式壓力容器包括氣瓶，由于其流動性，從理論上來說，其總體安全性要求應(yīng)高于固定式容器。所以可以認為，采用移動式壓力容器標準規(guī)范體系進行非焊接瓶式容器設(shè)計在技術(shù)上是可行的，但二者還是存在一些差異。

按照現(xiàn)行固容規(guī)，非焊接瓶式容器歸類在固定式壓力容器中，所以其設(shè)計應(yīng)按照固定式壓力容器體系，采用規(guī)程引用的協(xié)調(diào)標準GB/T 150.1～150.4—2011(常規(guī)設(shè)計)或者JB 4732—1995(分析設(shè)計)，但上述標準并無針對性的要求，按照監(jiān)管部門的意見是由制造廠制定企業(yè)標準對一些技術(shù)細節(jié)進行明確，企業(yè)標準的設(shè)計部分一般按照國家和行業(yè)標準要求，并針對性地提出一些附加要求，使其具備較強的適用性。

大容積氣瓶在行業(yè)內(nèi)一般沿用氣瓶的定型設(shè)計模式，即一次設(shè)計以后，后續(xù)按圖紙大批量生產(chǎn)，不改變關(guān)鍵要素的前提下可通過調(diào)整長度來得到不同容積，而無需重新設(shè)計。

非焊接瓶式容器通常在壓力循環(huán)工況條件下使用，根據(jù)JB 4732—1995中3.10.2規(guī)定，當壓力容器存在一定次數(shù)的壓力循環(huán)波動，且材料強度級別較高(Rm>550 MPa)，無法豁免疲勞，需要進行疲勞分析評定，建議盡量采用JB 4732—1995進行分析設(shè)計(SAD)，通過對瓶體整體建模和詳細應(yīng)力分析，并進行疲勞壽命分析。

2.2 設(shè)計理念

氣瓶及移動式容器一般為大批量生產(chǎn)，其設(shè)計工作通常采用理論+實物試驗驗證的方式進行，即先進行施工圖設(shè)計，然后依據(jù)圖紙試制一定數(shù)量的產(chǎn)品，再抽樣進行相應(yīng)的型式試驗，試驗內(nèi)容較為全面地涵蓋了產(chǎn)品內(nèi)外觀、制造公差，并抽取樣瓶進行破壞性的金相、拉伸、沖擊、彎曲、解剖等材料理化性能檢測，靜強度極限(水壓爆破)和致密性、模擬疲勞試驗等。ISO 9809-2：2019標準對于抗拉強度大于1 100 MPa材料制成的氣瓶，甚至要求帶人工模擬缺陷的爆破和疲勞試驗，該項試驗的主要目的是驗證通過熱處理獲得較高強度等級的情況下，材料是否仍具備足夠的韌性和塑性儲備，能否滿足“先漏后爆”，從而證明其安全性。所以大容積氣瓶的設(shè)計其實是在理論計算的基礎(chǔ)上，通過型式試驗驗證實物性能是否能夠滿足設(shè)計要求，型式試驗是其設(shè)計工作的重要組成部分。

表2列出大容積氣瓶批量生產(chǎn)過程中逐只和批量以及型式試驗中開展的檢驗項目?？梢钥闯觯谛褪皆囼灂r,所有檢驗項目均需要進行考核;除端部解剖、水壓爆破試驗和疲勞試驗以外，其余項目在批量生產(chǎn)時以逐只或批量檢驗時取樣開展，而端部解剖、水壓爆破試驗和疲勞試驗則在批量生產(chǎn)時不要求。需要說明的是,爆破試驗在小容積氣瓶是要求批量抽樣進行試驗的，對于大容積氣瓶不開展此項試驗,更多是基于經(jīng)濟性的考慮。型式試驗既作為設(shè)計計算的驗證，同時也是對制造工藝、質(zhì)量控制過程的一次驗證，在具體實踐中，曾多次出現(xiàn)在型式試驗時某些項目無法通過，經(jīng)查找分析原因、改進工藝后再次試驗，最終達到標準要求的情況。

表2 氣瓶型式試驗項目

注：“√”為標準中要求開展的項目；“—”為標準中未作要求的項目

按照固容規(guī)4.1.2型式試驗中要求，首次制造瓶式容器時的制造單位需要試制樣品容器并經(jīng)過型式試驗，這一要求主要是基于對制造單位的能力驗證，與一般容器取證時產(chǎn)品見證件的要求相似。但卻未明確每個品種的非焊接瓶式容器是否需要由第三方進行型式試驗，與大容積氣瓶相比，如果取消型式試驗而又沒有有效的技術(shù)手段替代的情況下，無疑是冒進的。

固定式非焊接瓶式容器現(xiàn)在最多的應(yīng)用場景為加氣站用作站內(nèi)儲氣，與用作運輸?shù)拇笕莘e瓶式容器相比，壓力波動更為頻繁，且存在大量小幅壓力波動。而長管拖車中的大容積氣瓶在運輸過程中，壓力是相對穩(wěn)定的，幾乎沒有波動，只有在充裝和卸載過程中會經(jīng)歷一次全幅的壓力變化，而固定式容器則面臨更為復(fù)雜的壓力波動，使用工況條件更為苛刻，沒有型式試驗作為驗證，難以保障非焊接瓶式容器的耐疲勞性能。

固容規(guī)中未給出非焊接瓶式容器設(shè)計方面的要求，疲勞分析需要SAD分析設(shè)計資質(zhì)，一般單位往往不具備相應(yīng)的技術(shù)能力，疲勞分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)也存在欠缺。JB 4732—1995[15]附錄C中圖C-1給出了溫度不超過375 ℃的碳鋼、低合金鋼的設(shè)計疲勞曲線，但抗拉強度上限只到896 MPa，未給出抗拉強度高于896 MPa材料的疲勞設(shè)計曲線。這樣一來，企業(yè)標準的制定也沒了支撐，雖然可以通過引用ASME Ⅷ-2中的疲勞曲線來解決，但僅部分采用國外標準是否合適存疑。

2.3 不同設(shè)計體系對比

對于大容積氣瓶設(shè)計，在美國DOT聯(lián)邦法規(guī)系列標準中均采用巴赫公式(GB/T 33145—2016也是主要基于美國DOT標準制定)，基于第2強度理論；ISO 11120:2015標準則采用拉美-米西斯公式，基于第4強度理論；對于按分析設(shè)計的固定式容器：當壓力不高時，JB 4732—1995采用了中徑公式，基于第3強度理論。

當采用相同的設(shè)計參數(shù)，且筒體直徑較小時，這幾個公式計算結(jié)果差異很小，但如果以相同設(shè)計條件、按照不同的設(shè)計體系進行完整分析時，將產(chǎn)生較大的差異。下面以最為常用的加氣站站用壓縮天然氣儲存容器進行分析，分別計算所需的筒體壁厚(因為瓶式容器操作參數(shù)一般為常溫，故此處忽略溫度影響)。不同建造體系計算對比見表3。

表3 不同建造體系計算對比

表3算例其他相關(guān)信息如下：介質(zhì)為壓縮天然氣；材料為4130X；力學(xué)性能熱處理保證值——屈服強度748 MPa，抗拉強度880 MPa，屈強比0.85；瓶體外徑508 mm。計算時未考慮當瓶體較長時附加彎矩的影響。

從表3計算結(jié)果可以看出，按照歐洲體系進行設(shè)計得到的計算厚度是最小的;按照壓力容器分析設(shè)計標準(JB 4732—1995)得到的計算厚度次之;而按照美國交通運輸部(DOT)體系進行設(shè)計時，其厚度最大。歐洲體系得到的計算厚度僅為分析設(shè)計標準(JB 4732—1995)要求厚度的70.2%；美洲體系與JB 4732—1995相比，雖壁厚相當，但考慮到DOT特許令SP 6530允許超充10%，故其計算結(jié)果并不比JB 4732—1995保守，特別是按照固定式壓力容器，一般還應(yīng)取不小于1.0 mm的腐蝕裕量。造成上述計算結(jié)果的主要影響因素是：不同體系對于設(shè)計壓力的設(shè)定和許用應(yīng)力值的規(guī)定各有不同。

氣瓶由于獨立自成系統(tǒng)，其設(shè)計壓力的確定需要考慮充裝后隨介質(zhì)溫度變化造成的壓力變化，同時，由于經(jīng)常處于流動運輸狀態(tài)，不能隨意開啟安全泄放裝置，因此設(shè)計壓力一般取值為水壓試驗壓力，相對于工作壓力高達1.5或5/3倍，而加氣站內(nèi)壓力容器按照GB 50156—2012[17]中8.3.6條要求，設(shè)計壓力只需不低于最高工作壓力的1.1倍。

巴赫公式中系數(shù)F相當于材料安全系數(shù)，其值與所選材料的屈強比成反比，按照標準限定的屈強比上限0.85計算，當材料最大保證抗拉強度<890 MPa時，安全系數(shù)=1/(0.65/0.85)≈1.31，且此安全系數(shù)用于確定材料許用應(yīng)力時，DOT 3A標準要求計算出來的殼體膜應(yīng)力不大于抗拉強度的2/3且不超過482 MPa，由此可知其安全系數(shù)為1.83；TSG 21—2016分析設(shè)計安全系數(shù)對抗拉強度要求≥2.4，對屈服強度要求≥1.5，當材料屈強比大于0.625時，許用應(yīng)力取決于抗拉強度，故安全系數(shù)為2.4。

上述分析沒有考慮疲勞的影響，GB/T 33145—2016中7.1.11條要求疲勞循環(huán)次數(shù)至少達到鋼瓶設(shè)計年限乘以750次，并且至少達到15 000次，循環(huán)壓力上限規(guī)定為水壓試驗壓力。大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶的設(shè)計使用年限按照TSG R0006—2014中表3-5為20年，由此可得每年的平均循環(huán)次數(shù)為750次；非焊接結(jié)構(gòu)的壓力容器疲勞設(shè)計安全系數(shù)一般為15，故對應(yīng)的每年水壓試驗壓力下許用疲勞循環(huán)次數(shù)為50次。參考GB 5099—1994中5.2.7條，型式試驗時對于鋼瓶循環(huán)次數(shù)有兩種考核方法，一種循環(huán)壓力上限取公稱工作壓力，循環(huán)次數(shù)為80 000次；另一種循環(huán)壓力上限取水壓試驗壓力，次數(shù)為12 000次(對應(yīng)的ISO 4705:1983附錄A規(guī)定次數(shù)分別為75 000次和10 000次，ISO 9809-1：2019中9.2.2條規(guī)定同樣是80 000,12 000次)。上述標準如此規(guī)定，可以認為兩種方式為基本等效，故大容積無縫氣瓶在工作壓力下每年許用循環(huán)次數(shù)可近似折算：n=50×80000/12000=333.3次，對于站用瓶式容器，每年工作時間為365天，每日對應(yīng)的工作壓力下許用循環(huán)次數(shù)僅不足1次。由此可以看出，對于采用大容積氣瓶標準體系建造的站用儲存容器，靜強度計算結(jié)果顯示并不保守，且承受壓力波動的儲備并不大。

2.4 致脆性氣體介質(zhì)

基于失效模式考慮，當盛裝脆性氣體介質(zhì)時，介質(zhì)可能會對瓶體材料產(chǎn)生損傷，例如高壓氫介質(zhì)環(huán)境中[18-19]，材料斷裂韌性顯著低于惰性介質(zhì)環(huán)境，當斷裂韌性降低至無法滿足“先漏后爆”，失效模式將會轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔选τ谄渴饺萜?，因檢測條件限制，難以避免存在一定尺寸的缺陷，同時還可能在介質(zhì)環(huán)境中萌生缺陷，然后經(jīng)歷一定次數(shù)壓力循環(huán)后將可能會突然發(fā)生斷裂，所以此類瓶式容器還應(yīng)進行斷裂分析。JB 4732—1995中沒有相關(guān)內(nèi)容，新頒布的GB/T 34019—2017《超高壓容器》中給出了分析方法[20]，但缺少相應(yīng)材料的裂紋疲勞擴展相關(guān)參數(shù)，特別是缺少氫環(huán)境下的參數(shù)，缺乏可操作性，且適用性存疑。

綜合上述分析可以看出，國內(nèi)尚未建立非焊接瓶式容器設(shè)計相關(guān)的標準，僅靠企業(yè)標準難以支撐，對比美洲、歐洲體系和JB 4732—1995，按照氣瓶標準體系設(shè)計并不比容器體系更保守，如果參考大容積氣瓶標準設(shè)計，只按照GB/T 33145—2016的規(guī)定進行疲勞試驗，不進行詳細的應(yīng)力分析，特別是疲勞分析和評定，與運輸用氣瓶相比，由于存在更加頻繁的壓力波動，其可能存在疲勞安全性問題。尤其對于儲存致脆性氣體的非焊接瓶式容器，有發(fā)生災(zāi)難性事故的隱患。

3 制造

3.1 過程質(zhì)量控制

大容積氣瓶一般的模式為設(shè)計定型(包括理論計算+型式試驗驗證)后大量生產(chǎn)，而非焊接瓶式容器模式一般為非標定制，然后按照施工圖和企業(yè)標準進行制造。按現(xiàn)行標準體系，非焊接瓶式容器設(shè)計文件將無法明確所有的技術(shù)細節(jié)，主要的質(zhì)量控制依據(jù)是企業(yè)標準，這就要求企業(yè)標準細化到根據(jù)企業(yè)自身的制造工藝和習(xí)慣，在制造過程中對每個環(huán)節(jié)、每個工序進行詳細的檢驗和檢測。

相較于一般的壓力容器，非焊接瓶式容器制造工序短，無需焊接，收口成形采用的設(shè)備也較卷板機等具備更高的自動化水平，制造過程中質(zhì)量控制關(guān)注點有所不同，當大批量生產(chǎn)時找出關(guān)鍵點，并針對性地給出要求尤為重要。

3.2 成形

非焊接瓶式容器端部采用加熱后收口的成形方式[21]，成形時管體被夾持并勻速旋轉(zhuǎn)，采用中頻電感應(yīng)或者天然氣火焰將管體端部加熱至高溫軟化狀態(tài)，然后采用模板或滾輪擠制收口，當成形的型號規(guī)格較多時，成形后端部封頭形狀誤差較大，所以設(shè)計圖紙一般并不嚴格規(guī)定封頭成形后的詳細尺寸要求。

圖5 大容積氣瓶瓶口內(nèi)拐角褶皺

瓶式容器兩端擠壓熱成形與容器封頭特別是熱沖壓半球封頭類似，但成形溫度更高，為了形成瓶口結(jié)構(gòu)，發(fā)生較大變形的同時還需要產(chǎn)生一定的塑性流動。成形過程中受力狀況復(fù)雜，為了滿足強度和疲勞性能要求，截面應(yīng)形成合理的輪廓和壁厚分布，這也是型式試驗時要求進行端部解剖的目的之一。瓶口內(nèi)拐角部位在成形過程中受拉應(yīng)力，且位于內(nèi)表面，無論是中頻電磁感應(yīng)加熱還是火焰加熱，都容易在該部位形成較低溫度區(qū)域，當溫度下降時材料塑性降低，流動性變差，容易造成局部皺褶、甚至開裂，圖5所示為典型的褶皺形貌。

3.3 熱處理

瓶式容器性能的獲取是通過最終熱處理，高強度低合金鋼的熱處理工藝為調(diào)質(zhì)[22]，即淬火+高溫回火，通常操作流程為：在加熱爐中加熱到Ac3以上進行奧氏體化；保溫一定時間后從爐中取出浸入淬火液中；待冷卻后再重新回爐高溫回火。由于結(jié)構(gòu)限制，只有外壁直接和淬火介質(zhì)接觸實現(xiàn)對流傳熱，從而經(jīng)歷較為理想的淬火處理，內(nèi)壁只能通過外壁金屬冷卻后的熱傳導(dǎo)冷卻，因為冷卻速度較快，故外壁性能優(yōu)于內(nèi)壁。因此DOT系列標準和ISO 11120:2015要求力學(xué)性能取樣盡量靠近內(nèi)壁。需要特別指出的是，ISO 11120:2015標準6.3.5條明確禁止采用奧氏體化溫度低于Ac3的亞溫淬火工藝。

依據(jù)拉美公式(見表4)和圖6可以看出，容器內(nèi)壁環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力高于外壁，當徑比較大時，這一點表現(xiàn)得尤為明顯。對于瓶式容器，由于只能采用單面淬火，外壁性能反而優(yōu)于內(nèi)壁性能，由此帶來一個問題，需要性能的一面恰恰是最薄弱的一面，這無疑是一對巨大的矛盾。

表4 厚壁圓筒的筒壁應(yīng)力值(拉美公式)

綜上所述，非焊接瓶式容器的制造技術(shù)要求同樣亟需制定標準予以規(guī)范，兩端封頭成形為大變形過程，容易在內(nèi)壁拐角部位形成皺褶，同時其熱處理的“單邊淬火”造成的內(nèi)外壁性能差異與自身受力特點存在巨大矛盾。這點再一次印證，美國DOT系列標準嚴格限制筒壁應(yīng)力水平，有其獨到之處。

圖6 筒壁3個方向應(yīng)力沿壁厚的分布示意

4 檢測、試驗及檢驗

4.1 無損檢測

歐洲體系ISO 11120:2015中8.2和8.3要求原料管材100%超聲檢測，成形并熱處理后，成形部位100%超聲+100%表面檢測，硬度檢測要求與抗拉強度保證值上限對應(yīng)硬度值，同一圓周間隔90°的4個點硬度差值不得大于30HB。

美洲體系DOT-SP 8009特許令要求熱處理后磁粉或滲透或超聲檢測，逐只檢測硬度不大于269HB，同時要求筒體部位水壓試驗后100%超聲檢測。

GB/T 33145—2016中要求100%超聲波+100%磁粉檢測，熱處理后逐只硬度檢測，同樣限定了同一環(huán)向各點硬度差值≤30HB，同時要求硬度值≤330HB,對于盛裝氫氣、天然氣或者甲烷等有致脆性、應(yīng)力腐蝕傾向氣體的鋼瓶，還要求硬度值≤269HB。

TSG 21—2016中沒有明確給出指導(dǎo)意見。

4.2 水壓試驗

國內(nèi)外大容積氣瓶標準均要求水壓試驗時測試殘余容積變形率，GB/T 33145—2016要求容積變形率不大于5%，ISO 11120:2015和DOT-SP 8009中均要求容積變形率不大于10%[23]。TSG 21—2016中未給出相應(yīng)的要求。

有證據(jù)顯示[24]，對某一型號氣瓶，當同一批氣瓶之間制造公差較小時，水壓試驗過程中的總進水量以及對應(yīng)的全變形率更能準確反映氣瓶的整體應(yīng)力狀態(tài)。

4.3 定期檢驗

美洲體系DOT以特許令的形式允許100%超聲檢測或聲發(fā)射檢測替代水壓試驗，需要特別指出的是：還有特許令允許10%超裝，并對天然氣中各種雜質(zhì)組分，甚至裝卸方式給出了明確要求。而GB/T 33145—2016和ISO 11120:2015作為建造標準，對定期檢驗相關(guān)內(nèi)容未涉及，TSG 21—2016中也未予明確，長管拖車和大容積氣瓶定期檢驗本可作為技術(shù)參考，但卻分別歸類為移動式壓力容器和氣瓶，而不在該規(guī)程管轄范圍內(nèi)。

按照TSG 21—2016附錄A進行劃類，非焊接瓶式容器只要壓力稍高(設(shè)計壓力≥10 MPa)，就會劃類為Ⅲ類容器，其無損檢測應(yīng)引起重視，水壓試驗合格指標及定期檢驗要求應(yīng)予以明確。

5 結(jié)論

(1)現(xiàn)有非焊接瓶式容器技術(shù)標準體系尚不健全，一些技術(shù)問題無據(jù)可依，可能造成產(chǎn)品處于高安全風(fēng)險狀態(tài)，應(yīng)將這類容器納入JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標準》的修訂中，針對這種特定成形方式的壓力容器，宜以強制性附錄的形式全面明確技術(shù)要求。從跨境貿(mào)易角度出發(fā)，還應(yīng)考慮與美國DOT/ASME體系和歐洲PED/ISO 11120等標準體系的兼容。

(2)非焊接瓶式容器所采用的無縫管材和常規(guī)容器所使用的筒形鍛件相比，無縫管材存在較為明顯的纖維取向，管材的性能薄弱方向恰好為應(yīng)力最大方向，當壓力較高時，這一缺陷尤為明顯，可能造成一定的技術(shù)風(fēng)險，建議制定專門的標準，明確非焊接瓶式容器的管材技術(shù)要求，可采用碾鍛等兩個方向性能差異較小的筒形鍛件或大角度斜軋等特殊工藝無縫鋼管。

(3)在上述標準制定過程中應(yīng)明確各類設(shè)計壓力取值，避免氣瓶制造企業(yè)以非焊接瓶式容器的名義降低設(shè)計壓力，但又不按照固定式容器的材料安全系數(shù)，以犧牲安全儲備為代價降低成本。

相同工作壓力，采用不同標準體系設(shè)計的氣瓶和非焊接瓶式容器，壁厚存在較大的差異，產(chǎn)生差異的主要因素有兩個：計算壓力的取值和許用應(yīng)力確定。

(4)非焊接瓶式容器的疲勞問題亟待解決，應(yīng)提供材料疲勞設(shè)計曲線，或者通過疲勞試驗驗證的方式確保其滿足疲勞壽命要求，還需明確型式試驗適用的范圍，建議參考ISO 9809-1：2019[25]隨機抽樣來確定疲勞試驗用瓶，并至少應(yīng)抽取3只樣瓶進行試驗驗證。

(5)基于風(fēng)險的設(shè)計理念，對于致脆性氣體環(huán)境使用的非焊接瓶式容器，由于介質(zhì)與瓶體材料的交互作用，當材料斷裂韌性可能發(fā)生大幅度降低時，應(yīng)考慮采用斷裂力學(xué)方法進行疲勞壽命評定。

(6)建議增加逐臺殘余變形率測量作為考核瓶體壁厚和應(yīng)力水平的參考。