钢质无缝气瓶全解.docx

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钢质无缝气瓶全解

钢质无缝气瓶

GB5099－94

国家技术监督局1994－12－26批准　　1995－08－01实施

1主题内容与适用范围

　　本标准规定了钢质无缝气瓶（以下简称钢瓶）的型式和参数、技术要求、试验方法、检验规则、标志、涂敷、包装、运输和贮存等。

　　本标准适用于设计、制造公称工作压力为8～30MPa，公称容积为0．4～80L，用于盛装永久气体或高压液化气体的可重复充气的移动式钢瓶。

一般地区钢瓶的使用环境温度为－20～60℃，寒冷地区的使用环境温度为－40～60℃。

　　本标准不适用于盛装溶解气体、吸附气体的钢瓶，灭火用的钢瓶以及运输工具上和机器设备上附属的瓶式压力容器。

2引用标准

　　GB222钢的化学分析用试样取样法及成品化学成分允许偏差

　　GB223．1～223．7钢铁及合金化学分析方法

　　GB224钢的脱碳层深度测定法

　　GB226钢的低倍组织及缺陷酸蚀试验法

　　GB228金属拉伸试验方法

　　GB230金属洛氏硬度试验方法

　　GB231金属布氏硬度试验方法

　　GB232金属弯曲试验方法

　　GB1979结构钢低倍组织缺陷评级图

　　GB2106金属夏比（V型缺口）冲击试验方法

　　GB3077合金结构钢技术条件

　　GB4159金属低温夏比冲击试验方法

　　GB5777无缝钢管超声波探伤方法

　　GB6394金属平均晶粒度测定方法

　　GB7144气瓶颜色标记

　　GB8163输送流体用无缝钢管

　　GB8335气瓶专用螺纹

　　GB9251气瓶水压试验方法

　　GB9252气瓶疲劳试验方法

　　GB12137气瓶气密性试验方法

　　GB／T13005气瓶术语

　　GB／T13298金属显微组织检验方法

　　GB／T13299钢的显微组织评定方法

　　GB13440无缝气瓶压扁试验方法

　　GB13447无缝气瓶用钢坯

　　GB15385气瓶水压爆破试验方法

3技术术语和符号

3．1永久气体：

临界温度小于－10℃的气体；

　　高压液化气体：

临界温度大于或等于－10℃，且小于或等于70℃。

3．2公称工作压力：

对于盛装永久气体的钢瓶，系指在基准温度时（一般为20℃）所盛装气体的限定充装压力；对于盛装高压液化气体的钢瓶，系指温度为60℃时瓶内气体压力的上限值。

3．3许用压力：

钢瓶在充装、使用、储运过程中允许承受的最高压力。

3．4屈服应力：

对材料试件拉伸试验，呈明显屈服现象的，取屈服点或下屈服点；无明显屈服现象的，取屈服强度。

3．5批量：

系指采用同一设计条件，具有相同的公称直径、设计壁厚，用同一炉罐号钢，同一制造方法制成，按同一热处理规范进行连续热处理的钢瓶所限定的数量。

3．6设计应力系数：

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

-0

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

-0

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

20

15

0.74

0.60

氧化亚氮

N2O

15

12.5

0.62

0.52

乙烷

C2H6（CH3CH3）

20

15

12.5

0.37

0.34

0.31

乙烯

C2H4（CH2=CH2）

20

15

12.5

0.34

0.28

0.24

氙

Xe

12.5

1.23

六氟化硫

SF6

12.5

8

1.33

1.17

氯化氢

HCl

12.5

0.57

三氟氯化烷

CF3Cl

12.5

8

0.94

0.73

三氟甲烷

CHF3

12.5

0.76

六氟乙烷

C2F6（CF3CF3）

12.5

8

1.06

0.83

偏二氟乙烯

C2H2F2

（CH2=CF2）

12.5

8

0.66

0.46

氟乙烯

C2H3F

（CH2=CHF）

12.5

8

0.54

0.47

三氟溴甲烷

CF3Br

12.5

8

1.45

1.33

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

max0.40

0.26~0.34

0.32~0.40

Mn

1.40~1.75

max1.70

0.40~0.70

0.40~0.70

Si

max0.37

max0.37

0.17~0.37

0.17~0.37

S

max0.030

max0.035

max0.035

max0.035

P

max0.35

max0.035

max0.030

max0.030

S+P

max0.06

max0.06

max0.055

max0.055

V

max0.12

Cr

0.80~1.10

0.80~1.10

Mo

0.15~0.25

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　　　　≥

钢瓶制造厂热处理保证值

δ5，％　　　　≥

16

MnH

CM

16

14

14

ak

J/cm2

V型缺口试样截面

mm

3×5

5×10

3×5

5×10

3×5

5×10

3×5

5×10

试验温度，℃

－20

－20

－50

－50

平均值

36

33

70

60

60

50

60

50

单个试样最小值

29

26

53

45

50

40

50

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

6Sao

>685~784

5Sao

6Sao

>784~880

6Sao

7Sao

>880~950

7Sao

8Sao

950~1100

8Sao

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×10mm×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