关于大容积钢质无缝气瓶轻量化设计的探讨

王洪海，李邦宪2，陈俊德，陈 冬，桑 伟

(1.德新钢管(中国)有限公司，江苏 无锡 214177；2.中国特种设备检测研究院，北京 100029)

0 引言

近年来，国内天然气在一次能源消费中的比例逐年提高，氢能的发展也日益受到重视，使得运输氢气和压缩天然气的大容积钢质无缝气瓶(以下简称大容积气瓶)得到广泛普及和使用。充装压缩天然气和氢气的大容积气瓶的设计和制造标准主要有：美国的联邦法规49CFR§178.37[1](即DOT-3AAX标准)和DOT特殊许可SP 8009[2]、国际标准化组织(ISO)的ISO 11120标准[3]以及中国国家标准GB/T 33145—2016[4]。对比国内外大容积气瓶的标准可以发现，美国DOT标准严于设计，而宽于对材料和检验的要求，依靠严格的设计储备足够的安全裕度，在气瓶的制造和检验阶段体现出一定的经济性和灵活性；而ISO 11120标准则与之相反，在设计上追求轻量化，通过严格的制造和检验来保证安全性；GB/T 33145—2016在设计上遵循了美国DOT标准的设计理念，同时在材料、制造和检验方面提出了比ISO 11120标准更严格的要求[5]，在气瓶的安全性和经济性的统一方面有值得商榷之处。轻量化是移动式压力容器的发展趋势，是响应国家节能减排战略的重要举措。国家 “十三五”重点研发计划“移动式承压类特种设备风险防控与治理关键技术研究”已经将“长管拖车用大容积气瓶的设计方法、上装与行走机构的轻量化设计方法等研究”列为一项重要的研究内容[6]。本文通过对国内外盛装氢气和天然气的大容积气瓶的标准进行对比分析，结合介绍美国对大容积气瓶的使用管理，指出国内大容积气瓶实施轻量化设计的必要性，探讨实施气瓶轻量化设计的可行思路。

1 气瓶设计壁厚的比较

1.1 力学性能

GB/T 33145,ISO 11120,DOT-3AAX标准和SP 8009对热处理之后材料力学性能的要求见表1。

表1 各标准对材料力学性能的要求

从表1可以看出，GB/T 33145对气瓶热处理后的力学性能要求基本上等同于DOT-3AAX+SP 8009。但是，从目前的炼钢水平、材料性能及热处理水平来看，880 MPa的抗拉强度门槛值较为保守[7]。而ISO 11120标准是基于欧洲刚性气瓶的设计理念，材料的抗拉强度可以取更高的数值。1999版的ISO 11120标准将气瓶的实际抗拉强度上限限定在950 MPa，2015年该标准第2版规定，气瓶的力学性能超出表1中所列的数值时，应根据ISO 11114-4[8]标准所要求的试验进行验证，但是，实际抗拉强度上限不能超过1 100 MPa，屈强比不能超过0.95%，延伸率不能低于14%。

1.2 壁厚设计公式

GB/T 33145和DOT-3AAX均采用基于第一强度理论的巴赫公式计算气瓶的最小设计壁厚：

(1)

式中t——筒体的最小设计壁厚，mm；

D0——气瓶外径，mm；

S——水压试验条件下的瓶壁许用应力，MPa;

ph——水压试验压力，MPa，取5/3倍的公称工作压力。

GB/T 33145和DOT-3AAX规定，在水压试验压力下的瓶壁应力S不得超过材料抗拉强度最小保证值Rg的67%和482 MPa两者的最小值。

ISO 11120标准则采用基于第四强度理论的米赛斯公式计算气瓶的最小设计壁厚：

(2)

式中F——设计应力系数；

Re——屈服强度的保证值，MPa；

ph——气瓶水压试验压力，bar，取1.5倍的公称工作压力。

相对于DOT标准和GB/T 33145直接对瓶壁应力进行限制而言，ISO 11120则对设计应力系数F进行限定，设计应力系数：F=f/(Re/Rg) ，当抗拉强度的最大保证值Rm max≤890 MPa时，f=0.65；当890 MPa

1.3 设计壁厚的比较

对于外径559 mm、公称工作压力20 MPa、瓶体材料为4130X的大容积气瓶，DOT-3AAX,GB/T 33145,ISO 11120中，气瓶的设计壁厚如表2所示。

表2 设计壁厚对比

在ISO 11120标准中，气瓶的设计壁厚比DOT-3AAX和GB/T 33145气瓶的设计壁厚低12.7%。由于GB/T 33145和DOT-3AAX分别限定了水压试验压力下的瓶壁许用应力，在Rg超过720 MPa的情况下，提高抗拉强度并不能降低气瓶的计算壁厚。而对于ISO 11120标准，在一定范围内提高Rg可以降低气瓶的计算壁厚。如果材料在Rm max达到1 100 MPa时仍然能够通过ISO 11114-4标准所要求的试验，则Rg可以提高到1 000 MPa，此时气瓶的计算壁厚为12.2 mm，比DOT-3AAX中气瓶的计算壁厚低26%。由此可以看出，ISO 11120标准的设计理念更符合当前移动式压力容器轻量化的发展趋势。

2 制造及检验要求的比较

设计理念的差异导致气瓶的设计壁厚不同，相应地对材料的化学成分及制造过程中的检验和型式试验的要求也不尽相同。各标准对材料的化学成分及检验、试验项目的要求见表3。

表3 各标准对材料的化学成分及检验、试验要求的对比

从表3中所列的项目可以看出，DOT-3AAX标准对材料和制造、检验的要求较为宽松，这也是在充分保障气瓶安全性的前提下出于对经济性的考虑；ISO 11120标准对材料的化学成分及制造检验的要求都高于DOT-3AAX标准(包括SP 8009)。因此可以说，ISO 11120通过严格的材料成分控制以及更高的检验与试验要求来保证轻量化气瓶的安全性。

从表3还可以看出，GB/T 33145要求的检验和试验涵盖了ISO 11120和DOT-3AAX的全部项目，并且其要求均高于ISO 11120和DOT-3AAX标准。例如，测定容积变形的水压试验必须采用外侧法，并且容积残余变形率不超过5%；冲击试验在较低的试验温度下，对横向冲击试样依然要求较高的合格试验值。一般钢瓶爆破失效时，爆破口的方向通常是横向冲击试验的方向，这是瓶壁周向应力最大所致，所以横向冲击更能模拟气瓶的爆破失效[9]，并且钢中夹杂物会导致钢的横向冲击韧性低于纵向冲击韧性。除此之外，GB/T 33145还增加了磁粉检测、金相检查、端部解剖、爆破试验和疲劳试验。

3 美国大容积气瓶的使用管理

由于DOT-3AAX中气瓶设计相对保守，瓶体自重较大，为了提高运输效率，联邦法规49CFR§173.302允许满足以下条件的3AAX气瓶盛装非液化、非溶解、无毒并且非易燃的压缩气体时，可以超出标记的工作压力10%进行充装：

(1)气瓶装有爆破片式的安全泄压装置(无易熔合金)，并且爆破片的爆破压力不超过气瓶的水压试验压力；

(2)气瓶在制造检验或定期检验时,利用水夹套外测法测定的弹性膨胀量合格；

(3)水压试验压力下的平均瓶壁应力和最大瓶壁应力分别不超过462 MPa和503 MPa；

(4)气瓶在上次检验或定期检验时，外观检查和内部检查没有发现超标的腐蚀、凹坑或其他危险性的缺陷。

超量10%充装氢气，或者氢气与氩气、氦气、氮气的混合气体时，3AAX气瓶还需要满足以下额外条件：当钢瓶用锰钢制造时，只能采取正火处理，不允许采用淬火加回火处理；当钢瓶采用铬钼钢制造时，必须采用淬火加正火处理，而不允许采用正火处理；长度超过1.65 m并且直径超过244 mm的3AAX钢瓶必须安装易熔合金加爆破片或单独爆破片式的安全装置，直径为559 mm或更大的钢瓶必须安装爆破片式的安全装置[10]。

由于美国绝大多数的长管拖车用于运输高压氢气、氦气及氢气混合气等工业气体，所以超量充装的规定基本上解决了由于气瓶保守设计所带来的经济性不足的问题[11]。除此之外，DOT标准也逐步与ISO标准接轨，这主要体现在：

(1)美国DOT已经将联合国(UN)的《危险品运输建议书》、国际海事组织(IMO)的《国际危险货物海运法规》(IMDG)融入到美国联邦法规49CFR的§171,172,173,176和178章节中，并于2001年7月1日强制实施[12]，而UN和IMDG法规中的大容积气瓶的制造是基于ISO 11120标准；

(2)美国联邦法规49CFR的§171.7正式引用了ISO 11120标准，使该标准具备了美国法律的效力；

(3)美国联邦法规49CFR的§178章C篇“气瓶规范”中单独列出了§178.71“UN压力容器规范”，成为与§178.37“3AAX无缝钢瓶规范”并列的一节，§178.71中关于大容积气瓶的设计和制造必须遵循ISO 11120标准[13]；

(4)美国联邦法规49CFR的§173.24节,确定了在美国本土制造的UN压力容器作为合法的危险品包装物的地位。

4 轻量化设计的必要性

欧洲气瓶界依据长期以来气瓶刚性设计所积累的经验，并结合新材料、新技术和新工艺方面的研究成果，主导着ISO 气瓶标准的规划与发展，在大容积气瓶轻量化发展方面走在了世界的前列。ISO 11120大容积气瓶比国内同类的GB/T 33145气瓶的充装效率高出12.7%。美国传统的塑性气瓶设计理念导致壁厚设计相对保守，但是其依据本国国情提出的超量充装10%的规定以及逐步与国际标准接轨的措施也有效地提高了大容积气瓶的运输效率。而GB/T 33145标准不仅在设计上采用了DOT-3AAX的规定，而且在制造和检验方面还附加了更为严格的要求，使得安全性有余、而经济性不足[14]。加之国内气瓶的使用管理水平以及与国际接轨方面也落后于欧美国家，使得国内大容积气瓶运输效率低下的问题凸显，制约了大容积气瓶向更高的层次发展。

从气瓶的本质安全考虑，并非气瓶的厚度越大、其可靠性越高。目前，操作压力20 MPa、外径715 mm的气瓶所用无缝钢管的厚度已达21.5 mm。厚壁钢管热旋压收口时，容易在封头部位产生较多的旋压皱褶，高压氢环境中的氢及湿硫化氢环境中离解产生的氢在皱褶部位会加速向金属内部渗透[15]，加剧了材料的氢脆和硫化氢应力腐蚀(SSC)倾向，并且皱褶在疲劳载荷的作用下也有可能形成缺陷扩展源。同时，厚壁容器在热处理时也会存在淬透性差、内外壁淬火不均匀、显微组织不一致等问题，如果热处理达不到所要求的显微组织和晶粒度，也会加剧材料的氢脆敏感性[16-18]。

从响应国家节能减排的战略和可持续发展观看，移动式压力容器的轻量化发展已势在必行，并且意义重大。据不完全统计，国内长管拖车的数量至2016年已经突破一万辆[19]，大容积气瓶的年增量超过1.5万个，大容积气瓶的保有量和年产量在世界范围内遥遥领先。单个大容积气瓶的质量约为4 900 kg，如果通过轻量化设计实现减重13%，则每年可以节省合金钢9 000多吨，节约1亿元左右的材料成本。另外，由于运输效率提高，每年还可以节约3 000多万元的运输成本，可产生巨大的经济和社会效益。

5 轻量化设计的思路

依靠新材料、新技术、新工艺保证气瓶的本质安全是长管拖车轻量化发展的必经之路，以下从三方面探讨大容积气瓶轻量化发展的可行性思路。

5.1 开发新材料

开发具有优良综合力学性能、抗SSC性能和抗氢脆性能的材料是实施大容积气瓶轻量化的关键和基础。4130X(30CrMo)是制造大容积气瓶常用的铬钼钢，在4130X的基础上，通过化学成分优化、适当提高Cr和Mo的含量，并通过添加微量合金元素V和Nb进行微合金化是提高其综合性能的一条途径。

V在钢中可与C形成稳定的微细碳化物V4C3，起到析出强化和晶粒细化的作用。在高压气瓶常用铬钼钢34CrMo4中添加0.05%～0.08%的V，可以提高材料的抗拉强度和冲击韧性，并使材料的塑性得到改善[20]。Nb在调质钢中既可以引起固溶强化，又能应变析出，起到沉淀强化和细晶强化的作用[21]。另外，均匀弥散分布在晶格内的V和Nb的微细碳化物可以显著地降低钢的氢脆敏感性[22]。

5.2 采用炼钢新技术和新工艺

通过先进的炼钢技术和炼钢工艺，控制坯料中夹杂物的形态、控制凝固过程中的偏析、控制钢的显微组织和晶粒度均可改善材料的综合性能。

对连铸坯液相穴进行电磁搅拌，可以使钢液的流动状态有利于非金属夹杂物及气泡上浮，降低铸坯内夹杂物及气泡的含量。同时，电磁搅拌还可以打碎枝状晶，形成等轴晶，提高铸坯的等轴晶率，减少中心偏析、中心疏松和缩孔，改善铸坯的凝固组织[23]。

连铸坯的动态轻压下技术可以消除或减少铸坯收缩形成的内部空隙，使铸坯的凝固组织更加均匀致密，从而减少中心偏析和中心疏松。在转炉连铸生产高压气瓶常用钢34CrMo4的过程中，采用结晶器电磁搅拌配合凝固末端电磁搅拌及动态轻压下技术可使钢坯达到较高的致密度，中心疏松小于1级[24]。

对于4130X材料，通过将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，并在坯料炼制过程中采用电磁搅拌和动态轻压下技术，可以将其调质后的最终抗拉强度由720～880 MPa提高到820～920 MPa，而不降低其塑性、韧性、抗SSC性能，这样瓶壁许用应力可从482 MPa提高到550 MPa，使大容积气瓶减重13%。

5.3 采用先进的钢管制造方法

强力旋压工艺在中小容积的无缝气瓶生产中已有应用研究，并取得了良好的降低壁厚、减轻重量的效果[25]。通过技术改造和创新，完全可以将强力旋压工艺用于制造大容积气瓶用无缝钢管[26]。为解决由于芯模和工件过长而产生的弯曲和振动问题，德国某公司研制的强力旋压设备增加了芯模与工件的支撑装置，可承载质量达4 t的工件，工件的最大直径可达650 mm，反旋时成形长度可达15 m，壁厚减薄率可达30%[27]。另外，采用对轮旋压工艺和浮动芯模代替传统的芯模，也可有效避免超长芯模制造成本高、穿模及脱模困难、旋压过程中低头、振动等问题[28-29]。

强力旋压工艺的显著优点是可达到较高的制造精度(壁厚公差±0.03 mm)和表面光洁度，旋压后材料晶粒细化，并具有明显的纤维组织，可提高材料的抗疲劳强度[30]。目前，制造大容积气瓶用无缝钢管普遍使用的热扩加冷拔工艺能够达到的壁厚精度为0～15%，钢管的实际质量比理论质量多8%。如果能够利用强力旋压工艺将大容积气瓶用无缝钢管的壁厚公差控制在0～2%的范围内，可使大容积气瓶用无缝钢管减重7%左右。

6 结语

国内大容积无缝气瓶的拥有量和年产量已经跃居世界首位，但是，相对于国际标准ISO 11120和美国对大容积无缝气瓶的管理制度而言，国标气瓶的安全裕度有余、而经济性不足，影响了运输效率。轻量化是今后移动式压力容器发展的趋势。依靠新材料、新技术、新工艺是长管拖车轻量化发展的必经之路。通过优化化学成分和微合金化开发新材料、采用先进的炼钢工艺提高气瓶用材料的综合性能，是实施大容积气瓶轻量化并保证其本质安全和可靠性的发展方向;采用先进的制造方法提高气瓶用无缝钢管的制造精度,是实现大容积气瓶轻量化可借鉴的思路。