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瓶体材料屈服应力设计取值与水压试验压力下筒体当量应力之比。
3.7充装系数:
标准规定的钢瓶单位水容积允许充装的最大气体重量。
3.8应力集中系数:
瓶体的薄膜应力与局部最大应力的比值。
3.9符号:
CM淬火后回火用铬钼钢或其它合金钢种;
D0钢瓶筒体外径,mm;
Df冷弯试验弯心直径,mm;
F设计应力系数(见5.2.4);
Mn正火或正火后回火用碳锰钢种;
MnH淬火后回火用碳锰钢种;
Pb爆破压力计算值,MPa;
Pba爆破压力实测值,MPa;
Ph水压试验压力,MPa;
Py爆破试验过程中屈服压力,MPa;
S钢瓶筒体设计壁厚,mm;
Sa钢瓶筒体实测最小壁厚,mm;
Sao钢瓶筒体实测平均壁厚,mm;
T压扁试验压头间距,mm;
a弧形扁试样的原始厚度,mm;
b扁试样的原始宽度,mm;
d1、d2破口环向撕裂长度,mm;
l试样原始标记,mm;
ak冲击韧性值,J/cm2;
δ5伸长率,%;
σe瓶体材料热处理后的屈服应力保证值,N/mm2;
σea屈服应力实测值,N/mm2;
σb瓶体材料热处理后的抗拉强度保证值,N/mm2;
σba抗拉强度的实测值,N/mm2。
4钢瓶型式和参数
4.1钢瓶瓶体一般应符合图1所示的型式。
凹形底及带底座凸形底的钢瓶典型结构及主要附件见图2。
4.2钢瓶的公称容积和外径一般应符合表1的规定。
4.3常用瓶装气体的公称工作压力和充装系数见表2。
图1钢瓶瓶体型式
图2凹形底和带底座凸形底钢瓶的典型结构
表1钢瓶的公称容积和外径
类别
公称容积
L
水容积允许偏差
%
外径Do
mm
允许偏差
小容积
0.4
+20
-0
60,70
+1.25
-2.00
0.7
70
1.0
89
1.4
2.0
89,108
2.5
+10
108,120,140
3.2
120,140
4.0
5.0
6.3
7.0
140,152
8.0
9.0
10.0
152,159
12.0
152,159,178,180
中容积
20.0
+5
203,219
±
1.25
25.0
32.0
36.0
38.0
219,229,232
40.0
45.0
50.0
63.0
245,267,273
70.0
80.0
表2常用瓶装气体公称工作压力及充装系数
气体类别
气体名称
化学式
公称工作压力
MPa
充装系数
kg/L
永久气体
氧、氮、氢或其他
O2、N2、H2
30
20
15
高压液化气体
二氧化碳
CO2
0.74
0.60
氧化亚氮
N2O
12.5
0.62
0.52
乙烷
C2H6(CH3CH3)
0.37
0.34
0.31
乙烯
C2H4(CH2=CH2)
0.28
0.24
氙
Xe
1.23
六氟化硫
SF6
8
1.33
1.17
氯化氢
HCl
0.57
三氟氯化烷
CF3Cl
0.94
0.73
三氟甲烷
CHF3
0.76
六氟乙烷
C2F6(CF3CF3)
1.06
0.83
偏二氟乙烯
C2H2F2
(CH2=CF2)
0.66
0.46
氟乙烯
C2H3F
(CH2=CHF)
0.54
0.47
三氟溴甲烷
CF3Br
1.45
5技术要求
5.1瓶体材料一般规定
5.1.1必须采用碱性平炉、电炉或吹氧碱性转炉冶炼的无时效性镇静钢。
5.1.2制造钢瓶的钢种必须经国家或国际有关部门鉴定认可,应选用优质锰钢、铬钼钢或其他合金钢。
5.1.3制造钢瓶的材料,必须符合其相应国家标准或行业标准的规定,并有质量合格证明书。
钢瓶制造厂应按炉罐号进行各项验证分析。
5.1.4钢瓶的瓶体材料,应具有良好的冲击性能。
5.1.5钢瓶瓶体材料的化学成分限定见表3,化学成分允许偏差应符合GB222中表2的规定。
表3钢瓶瓶体材料化学成分
钢种
成分,%
碳锰钢
铬钼钢或其他合金钢
Mn
MnH
CM
C
max0.40
0.26~0.34
0.32~0.40
1.40~1.75
max1.70
0.40~0.70
Si
max0.37
0.17~0.37
S
max0.030
max0.035
P
max0.35
S+P
max0.06
max0.055
V
max0.12
Cr
0.80~1.10
Mo
0.15~0.25
采用热处理方式
正火或正火后回火
淬火后回火
5.1.6制造小容积的钢瓶若选用正火处理方法,可选用碳钢材料,若选用调质处理,可选用合金钢材料。
5.1.7初轧坯或钢坯
5.1.7.1钢坯的形状尺寸和允许偏差应符合GB13447的有关规定。
5.1.7.2低倍组织
a.不允许白点、残余缩孔、分层、气泡、异物和夹杂;
b.中心疏松不大于1.5级,偏析不大于2.5级。
5.1.8无缝钢管
5.1.8.1钢管的外形和内外表面质量应不低于GB8163的规定。
5.1.8.2钢管的壁厚偏差不应超过公称壁厚的
。
5.1.8.3钢管如钢厂已探伤,制造厂可在同一批钢管中抽查10%;
如钢厂未逐根探伤,气瓶制造厂则应逐根探伤,探伤合格级别应符合GB8163的规定。
5.1.9经鉴定的材料钢种,钢瓶制造厂应制造不少于20000个钢瓶投入使用,质量满足各项要求后方可纳标作为国家认可的钢种。
5.2设计一般规定
5.2.1受压部位的壁厚设计取用该材料热处理后的σc保证值。
正火处理的钢瓶,热处理后的屈服应力保证值σe应不大于520N/mm2。
5.2.2设计计算瓶体壁厚应以水压试验压力几为准。
钢瓶的水压试验压力为公称工作压力的1.5倍,永久气体气瓶的许用压力不得超过水压试验压力的0.8倍。
5.2.3设计计算所选用的屈服应力,对正火或正火后回火处理的,不得大于最小抗拉强度的75%;
对淬火后回火处理的,不得大于最小抗拉强度的85%。
5.2.4设计应力的限定
5.2.4.1应对材料的实际最大抗拉强度进行控制,要求淬火后回火热处理的最大抗拉强度不应大于1000N/mm2;
小容积瓶最大抗拉强度不应大于1100N/mm2;
对具有应力腐蚀倾向的介质,抗拉强度不应大于880N/mm2。
5.2.4.2设计应力系数F值的取用
a.对正火或正火后回火热处理的钢瓶设计,F值取用0.82;
b.对淬火后回火热处理的钢瓶设计,F值取用0.77。
5.2.5简体设计最小壁厚公式
…………………………………
(1)
同时应满足式
(2)的要求,且不得小于1.5mm。
…………………………………
(2)
5.2.6底部结构
5.2.6.1凸形底有三种型式:
a.半球形;
b.碟形(见图3a,b,c);
c.H形(见图3d)。
图3凸形底结构图
5.2.6.2碟形底和H形底的结构应满足下列要求:
r≥0.075Do;
H/Do≥0.22;
或H/Do≥0.40
S1≥1.5S;
S1≥S
S2≥1.5S;
S2≥S。
凸形底与简体连接部位,应圆滑过渡,其厚度不得小于筒体设计最小壁厚值。
5.2.6.3凹形底的公称尺寸应满足下列要求(见图4),以管子来制造的凹形底瓶若发生其中参数不能满足下列要求者,可以加压疲劳试验来验证。
S1=(2.0~2.6)S;
S2=(1.8~2.2)S;
S3=(2.0~2.8)S;
r=(0.07~0.09)Do;
H=(0.13~0.16)Do。
图4凹形底结构图
5.2.6.4凹形底的环壳与筒体之间应有过渡段,过渡段与筒体的连接应圆滑过渡。
5.2.6.5凸形底或凹形底应按水压试验压力Ph下的弹性有限元进行计算,且在凸或凹形底公称尺寸的公差值范围内进行校核调整;
应力集中系数不大于1.80,局部最大应力值不得大于材料的强度值。
5.2.7凸形底和凹形底钢瓶的设计都应进行循环加压疲劳试验。
循环压力的上限值在公称工作压力条件下,承受80000次循环,或在试验压力条件下承受12000次循环,不破坏为合格;
试验不合格,该设计不应采用。
5.2.8钢瓶瓶口的厚度,自螺纹沟槽处算记,不得小于简体的设计壁厚,保证在承受紧阀的力偶距和铆合颈圈的附加外力时不变形。
5.3制造
5.3.1钢瓶制造除应符合本标准规定外,还应符合产品图样和技术条件的规定。
5.3.2钢瓶瓶体的制造方法一般是:
以钢坯或钢板等为原料,经冲拔、冲压拉伸制造;
以无缝钢管为原料,经收底、收口制成。
5.3.3进厂的瓶体材料应对其化学成分和低倍组织等进行验证,分析结果应满足5.1条要求。
5.3.4瓶体允许的制造公差
5.3.4.1简体的圆度,在同一截面上测量其最大与最小外径之差,不应超过该截面平均外径的2%。
5.3.4.2筒体的直线度不得超过瓶体长度的2‰。
5.3.4.3瓶体的垂直度不应超过其长度的8‰。
5.3.5瓶体内、外观要求
5.3.5.1简体内、外表面应光滑圆整,不得有肉眼可见的裂纹、折叠、波浪、重皮、夹杂等影响强度的缺陷;
对氧化皮脱落造成的局部圆滑凹陷和修磨后的轻微痕迹允许存在,但必须保证简体设计壁厚。
5.3.5.2经挤压拔伸制成的瓶体,其凹形底深度应符合设计规定值,底部球壳和环壳的厚度均应符合设计要求。
5.3.5.3无缝钢管经收底制成的瓶坯,应进行工艺评定;
瓶体底部内表面不应有肉眼可见的凹孔、皱褶、凸瘤和氧化皮;
底部和缺陷允许清除,但必须保证瓶底设计厚度;
瓶底不允许作补焊处理。
5.3.5.4瓶肩与简体必须圆滑过渡,瓶肩上不允许有沟痕存在。
5.3.6中容积凸形底钢瓶的底座材料应与瓶体相适应,应用热套法装配牢固,严禁焊接装配,底座接地平面与瓶底部间距应不小于10mm。
5.3.7热处理
5.3.7.1钢瓶制造厂除遵守标准规定外,应制订相应的热处理规范。
5.3.7.2瓶体应按热处理顺序组批,中容积瓶不大于502只为一个批量;
小容积瓶不大于202只为一个批量。
5.3.7.3采用淬火工艺可用油或水中加添加剂作为淬火介质。
在水中加添加剂作为淬火介质时,瓶体在介质中的冷却速度应不大于在20℃水中冷却速度的80%;
且应完成相应的热处理工艺评定。
5.3.7.4采用淬火后回火处理的瓶体,硬度值应符合材料强度值要求。
5.3.7.5按5.2.1、5.2.2条要求,瓶体热处理后的机械性能应符合表4规定。
表4钢瓶瓶体的热处理与机械性能
热处理状态
试验项目
正火或正火后回火处理
淬火后回火处理
σea/σba ≤
0.80
0.92
σe,mm2 ≥
钢瓶制造厂热处理保证值
σb,mm2 ≥
δ5,% ≥
16
14
ak
J/cm2
V型缺口试样截面
3×
5
5×
10
试验温度,℃
-20
-50
平均值
36
33
60
50
单个试样最小值
29
26
53
45
40
5.3.7.6冷弯和压扁
a.冷弯试验和压扁试验以无裂纹为合格,弯心直径和压头间距的要求应符合表5规定。
b.对正火或正火后回火处理的瓶体,其抗拉强度实测值超过保证值15%的,对淬火后回火处理的瓶体,其抗拉强度实测值超过保证值10%的,应以压扁试验代替冷弯试验。
表5冷弯压扁试验的弯心直径和压头间距要求 mm
钢瓶实测抗拉强度值
σba,MPa
弯心直径
Df
压心间距
T
≤580
3Sao
6Sao
>
580~685
4Sao
685~784
5Sao
784~880
7Sao
880~950
8Sao
950~1100
9Sao
5.3.7.7金相组织
a.瓶体的基体组织应符合相应热处理规范;
b.对正火或正火后回火处理的瓶体,晶粒度应不小于6级(100倍),带状组织不大于3级,魏氏组织不大于二级;
c.对淬火后回火处理的瓶体,其组织体应呈回火索氏体;
d.瓶体的脱碳层深度,外壁不得超过0.3mm,内壁不得超过0.25mm。
5.3.7.8底部解剖经酸蚀后,断面试样上不得有肉眼可见的缩孔、气泡、未熔合、裂缝、夹杂物或白点,且满足5.2.6条要求。
5.3.7.9采用淬火后回火处理的瓶体,应进行逐只无损探伤,且不得有裂纹或裂纹性缺陷。
5.3.8瓶口内螺纹
5.3.8.1螺纹的牙型、尺寸和公差,应符合GB8355的规定,不允许有倒牙、平牙、牙双线、牙底平、牙尖、牙阔以及螺纹表面上的明显跳动波纹。
5.3.8.2瓶口基面起有效螺距数,中容积瓶体不得少于8个螺距,小容积瓶体不得少于7个螺距。
5.3.8.3瓶口螺纹基面位置的轴向变动量为+1.5mm。
5.3.8.4特殊用途钢瓶的瓶口螺纹,可按专门的要求设计和制造。
5.3.9爆破
5.3.9.1实际爆破压力不得小于式(3)的计算值:
………………………………(3)
采用正火或正火后回火处理 C=1
采用淬火后回火处理 C=1.05
且Pb≥1.7Ph
5.3.9.2实测爆破过程中瓶体塑性变形的压力不得小于Ph/F,即Py>
Ph×
F。
5.3.9.3实测屈服压力与爆破压力的比值,应与瓶体材料实测屈服应力与抗拉强度的比值相接近。
5.3.9.4瓶体爆破后无碎片突破口必须在简体上。
瓶体上的破口形状与尺寸应符合图5的规定。
图5破口形状与尺寸示意图
5.3.9.5瓶体主破口应为塑性断裂,即断口边缘应有明显的剪切唇;
断口上不得有明显的金属缺陷;
破口裂缝不得引伸超过瓶肩高度的20%。
5.3.10按5.2.3要求进行水压试验,在保压1min内,压力表指针不得回降,中容积瓶体的容积残余变形率不得大于3%;
瓶体泄漏或明显变形即行判废。
5.3.11气密性试验压力为公称工作压力。
若瓶体出现泄漏应予以判废,因装配而引起的泄漏现象,允许返修后重做试验。
5.3.12根据角户需要,瓶体在水压或气密性试验后,应采取内表面干燥处理,并予以密封。
5.3.13附件
5.3.13.1颈圈可用钢板、可锻铸铁、球墨铸铁或铸钢制成。
颈圈与瓶体的装配不得歪斜、松动或带有毛刺,不得因装配不当而损伤瓶口螺纹,严禁焊接装配。
5.3.13.2根据充装气体或使用要求,采用不同的瓶阀。
瓶阀与瓶体装配后,应留有备用螺纹2~5个螺距。
5.3.13.3瓶帽型式分固定式或可卸式。
可用钢板、钢管、铸钢、可锻铸铁和球墨铸铁制成;
如用户无特殊要求,应配固定式瓶帽出厂。
5.3.13.4采用螺纹连接的附件,牙型、尺寸和公差应符合GB8335的规定。
6试验方法
6.1瓶体材料技术指标验证
6.1.1化学成分:
应以材料的炉罐号按GB222和GB223执行。
6.1.2低倍组织:
应以材料的炉罐号按GB226进行,低倍组织的评定应符合GB1979的规定。
6.2瓶体制造公差应用标准的或专用的量具样板进行检查,应用测厚仪检查瓶体厚度,用专用工具对瓶体内外表面进行修磨。
6.3瓶体热处理后各项性能指标测定
6.3.1取样
a.取样部位见图6所示;
b.试样应从筒体中部纵向截取,采用实物扁试样;
c.取样数量:
拉伸试验试样不少于2个;
冲击试验试样不少于3个;
冷弯试验试样不少于4个。
图6
6.3.2拉伸试验和冲击试验
6.3.2.1拉伸试验
a.拉伸试验的测定项目应包括:
抗拉强度、屈服应力、伸长率;
b.拉伸试样制备形状见图7;
c.拉伸试样形状尺寸的一般要求按GB6397执行;
d.拉伸试验方法按GB228执行。
图7
6.3.2.2冲击试验
a.规定以3mm×
10mm×
55mm或5mm×
55mm带有V型缺口的试样作为标准试样;
b.试样的形状尺寸及偏差应按GB2106执行;
c.冲击试验方法按GB2106或GB4159执行;
d.瓶体壁厚不足以加工标准试样时,可免做冲击试验。
6.3.3冷弯试验和压扁试验
6.3.3.1冷弯试验
a.试样截取的部位见图6,圆环应从拉伸试样的瓶体上用机械方法横向截取;
b.圆环的宽度应为瓶体壁厚的4倍,且不小于25mm,将其等分成四条,任取一块试样进行侧面加工,其表面粗糙度不低于12.5μm,圆角半径不大于2mm;
c.试样制作和冷弯试验方法按GB232执行,试样按图8进行弯曲。
图8冷弯试验示意图
6.3.3.2压扁试验
压扁试验按GB13440执行。
a.将瓶体的中部,放进垂直于瓶体轴线的两个顶角为60°
,半径为13mm的压头中间,以20~50mm/min的速度对瓶体施加压力,在负荷作用下测量压头间距T。
b.压头的长度应不小于瓶体已经压扁的宽度,见图9。
图9压扁试验示意图
6.4硬度测定应按GB230或GB231执行。
6.5金相试验
a.金相试样应从拉伸试验的瓶体上截取,试样的制备、尺寸和方法应按GB/T13298执行;
b.晶粒度按GB6394执行;
c.脱碳层深度按GB224执行;
d.带状组织和魏氏组织的评定,按GB/T13299执行。
6.6底部解剖
6.6.1底部解剖试样应从拉伸试验的瓶体上截取,试样的剖面应在瓶体的轴线上。
6.6.2试样的高度尺寸应保证留有瓶体底部过渡段以上的筒体部分。
6.6.3检查方法按GB226执行。
6.7表面无损探伤一般按GB5777或JB3965执行。
6.8用符合GB8336的标准塞规检查瓶口内螺纹。
6.9爆破试验
爆破试验按GB15385执行。
a.管路中不得存有气体;
b.升压速度不应超过0.5MPa/s;
c.测出试验过程中瓶体的屈服压力值;
d.测出从开始升至钢瓶爆破瞬间水的总压入量;
e.绘制出压力—时间或压力—进水量曲线。
6.10水压试验按GB9251执行。
6.11气密试验按GB12137执行。
6.12循环疲劳试验按GB9252执行。
7检验规则
7.1出厂检验
7.1.1逐只检验:
凡出厂的瓶应按表6规定项目进行逐只检验;
7.1.2批量检验:
凡出厂的钢瓶,应按表6规定项目进行批量检验。
7.1.3抽样和复验规则
a.制造钢瓶的材料,必须符合相应标准的规定,并有质量合格证明书;
b.瓶体材料的验证应从同一牌号、同一炉罐号、同一规格的每批钢坯中,按材料标准中复验规则规定的钢坯上截取试样;
c.按5.3.7.2要求,从中随机抽出两只瓶体进行各项性能测定;
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