钢制无缝压力容器的制造与应用

技 术 综 述 钢制无缝压力容器的制造与应用 胡鸿宾,倪庆尧 (新奥集团石家庄化工机械股份有限公司,河北 石家庄 050061) 摘 要:大容积高压气体钢制无缝压力容器是我国近期开发的新产品,本文介绍了其设计、 制造、 检 验和应用的情况。 关键词:设计;制造;检验;应用 中图分类号:TQ05113;TQ05016 文献标识码:B 文章编号:1001 - 4837(2004)03 - 0041 - 04 Fabrication and Application of Seamless Steel Pressure Vessel HU Hong - bin , NI Qing - yao (Xin ao Group Shijiazhuang Chemical Machinery Co. ,Ltd. ,Shijiazhang 050061 ,China) Abstract :The seamless steel pressure vessel with large capacity used for filling with high - pressure gases is a new product which developed by China in the near future. This paper introduced the design , fabrication , ex2 amination , inspection and application of seamless steel pressure vessel. Key words :design; fabrication; examination and inspection; application 1 引言 钢制无缝压力容器是由无缝钢管或中空锻件经 热旋压或锻造,将两端收口成球型封头状的无焊缝 压力容器。目前用于制造无缝压力容器的无缝钢管 的直径由200 mm扩展到610 mm,其容积也从30 L 扩大到3000 L,无缝压力容器的材质已从碳锰钢发 展到铬钼合金钢,热处理也随之由正火发展到调质, 结果综合力学性能得到了很大的提高,其抗拉强度 可以达到1100 MPa,屈服限可达到930 MPa,同时具 有良好的韧性,所以无缝压力容器能承受较高的压 力,且壁厚较薄,重量轻。 无缝压力容器由于没有焊接接头,整体结构连 续,不仅耐疲劳性能特别优于焊接压力容器,而且定 期检验内容简单,花费较小,因此钢制无缝压力容器 特别适合于组装成高压气体长管拖车或高压气体储 气瓶组,用于运输和储存难于液化的气体如氢气、 氦 气、 天然气、 氧气、 氮气、 氩气。 本文介绍的是大容量钢制无缝结构压力容器和 大容量钢质无缝气瓶,两者在结构和制造方法上有 一致之处,但在设计、 检验、 使用、 维护管理上是有区 别的,作为固定使用的站用容器属于 “压力容器” 范 畴,而作为移动使用的长管拖车上的容器则属于 “气 瓶” 范畴,即属于两个不同的标准范围和体系。 2 钢制无缝压力容器的应用 工业气体应用最多的是氧气、 氮气,随着工业的 发展越来越多工业气体得到应用,如氩气、 氢气、 氦 气、 天然气等。由于这些气体的临界温度很低,一般 在- 162- 268,液化后储存和运输的难度很 大,被称为永久气体。这些永久气体长期以来是被 压缩到1520 MPa充装到气瓶中储存和运输的。 我国的气瓶制造业兴起较晚,早期曾使用过德 国、 法国、 美国等14个国家的气瓶,直到1957年国 营东北机器制造厂设计、 制造出我国第一批容积40 L、 工作压力150大气压的钢制无缝气瓶,才结束了 14 气瓶完全依赖进口的历史。2000年以前我国在上 海、 北京等地建成了十几个钢制无缝气瓶生产厂,但 生产气瓶的规格为容积在80 L以下,压力在20 MPa 以下。 工业气体是钢铁、 化工、 电子、 医疗、 金属加工等 工业的基础之一,随着经济的快速增长,促进了我国 工业气体行业的发展,尤其是外国气体公司的进入, 使我国工业气体迅速走上大型化的道路。工业气体 行业的大型化伴随着高压气体的运输在我国迅速的 发展起来。我国生产的气瓶已不能满足大型化运输 的需要,因此都使用从国外(如英国的BOC、 法国的 法液空、 德国的MESSER)进口的高压气体长管拖车 运输高压工业气体。早期进口的长管拖车上装载的 气瓶直径只有14(“355 mm)。到20世纪90年代 进口的长管拖车上装载的气瓶直径达到22(“559 mm ) , 气瓶的长度达到11 m ,单只气瓶的容积达2250 L。长管拖车上8只气瓶的总水容积达到18000 L, 大大提高了运载能力和经济效益。 20世纪90年代初随着我国环境治理和清洁能 源政策的推行,天然气的使用得到极大的重视,经济 发达的地区和城市开始争先使用天然气燃料。由于 我国的天然气资源在经济落后的西部地区,而经济 发达的地区在东南沿海,这些地区多数没有天然气 管道,使用高压气体长管拖车运输压缩天然气成为 必然的供应渠道,如新奥燃气集团就有60辆自备的 天然气长管拖车。 随着天然气 清洁燃料汽车行动在我国北京、 西安、 乌鲁木齐等大城市的积极推行,天然气汽车加 气站逐渐增多,但加气站一般建设在城市内,不可能 建在天然气管网上,必须使用高压气体长管拖车运 输压缩天然气,用站用高压储气瓶组储存压缩天然 气。这两种快速的市场需求,导致了我国从20世纪 90年代初开始逐年递增地从国外进口高压气体长 管拖车和高压储气瓶组。 目前国际上生产大容积无缝压力容器的工厂也 只有四家:德国曼内斯曼、 美国CPI、 意大利Dalmine 和韩国NK,其中CPI、Dalmine、NK公司已取得了进 入中国的许可证。 3 无缝压力容器的设计、 制造依据 我国进口的大容积无缝压力容器按使用条件分 为两种:一种是装在高压气体长管拖车上用于运输 高压氢气、 氦气、 天然气和其他工业气体;另一种是 组装在框架内,安装在地面上用于储存多种高压气 体。 安装在长管拖车上的钢制无缝压力容器属于移 动式压力容器,采用的设计、 制造依据是美国运输部 的标准:49CFR1781373AA/ 3AAX无缝钢瓶规范 或49CFR1781453T无缝钢瓶规范,一般称作 DOT标准,它属于国外先进标准,已有长期的使用经 验。针对充装压缩甲烷或压缩天然气的无缝压力容 器美国运输部又作出了DOT E8009免除令的规 定,使运输这种具有腐蚀性的气体更加安全。我国 从FIBA、CPI、NK、Dalmine进口的长管拖车或集装管 束上的无缝压力容器都属于这种容器,也都是按上 述标准设计、 制造、 检验和验收的。 上述无缝压力容器的国际标准是1999年3月 15日国际标准化组织颁布的ISO11120水容积 1503000升可重复使用的无缝钢瓶的设计、 制造和 试验 标准。它包括两个规定性附录 (A 、 B) 和三个 推荐性附录(C、D、E)。标准适用于温度- 50+ 65 、 水容积1503000 L,充装压缩气体或液化气体 可重复使用的淬火+回火的无缝钢瓶,并对钢瓶材 料、 设计、 结构与制造工艺、 每只钢瓶的检验与试验、 批量试验、 充装易燃气体钢瓶的特殊要求及钢瓶的 标记作出了明确的规定。在附录A中规定了钢瓶 的化学成分;在附录B中规定了钢瓶的超声检测方 法和判废的准则;推荐性附录C描述了目视检验无 缝钢瓶时制造缺陷的评定和判废的规定;附录D推 荐无缝钢瓶质量证明书的格式和内容;附录E列出 检验师对无缝钢瓶的检验内容。ISO11120标准提出 了在全球范围内使用的无缝钢瓶设计、 制造、 检验和 试验方面的规定,是国际性的一般限制,为各国或各 地区制订高压气体无缝压力容器标准提供了国际性 的准则。 组装成储气瓶组的属于固定式压力容器,我国 从CPI进口的天然气汽车加气站用储气瓶组属于这 种容器。前几年该容器采用的设计、 制造规范是 ASME 及附录22,近年来开始采用ASME 进行疲劳分析计算。 ASME(2001版及2002增补)F7章 锻造容器的特殊要求 中对无缝压力容器的设计、 制造与检验提出了更加明确的要求,并把SA 372GrJ CL110和SA723Gr1、2 CL1、2、3的材料列入 锻造容器的使用范围,为锻造容器使用高强度钢创 造了条件。采用ASME设计、 制造的无缝 24 CPVT 钢制无缝压力容器的制造与应用 Vol21.No3 2004 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 压力容器,由于可以使用更高强度的钢材,使用了分 析设计的方法,使产品更加安全、 可靠和经济。 由于我国工业气体行业的发展和压缩天然气的 广泛使用,从国外进口的大容积高压气体长管拖车、 高压气体集装管束在我国已有相当数量,它的安全 使用必须纳入国家的管辖范围,因此原国家质量技 术监督局2000年12月31日颁发,2001年7月1日 起开始生效的 气瓶安全监察规程,第一次将气瓶 容积的管辖范围扩大到3000 L。 由于市场的需要,2000年末新奥集团石家庄化 工机械股份有限公司开始大容积高压气体无缝压力 容器的研制工作,并于2002年4月通过了国家质量 监督检验检疫总局组织的制造许可证的预检和复 检,取得了无缝高压容器的制造许可证,开始批量生 产大容积无缝压力容器和长管拖车。2003年国家 经贸委和全国气瓶标准化技术委员会将 站用储气 瓶组(属固定式压力容器)和 高压气体无缝钢瓶 (属移动式压力容器)纳入行业标准和国家标准的编 制计划。2004年我国大容积钢制无缝压力容器将 在规程和相应标准的管辖和指导下进行设计、 制造、 检验、 验收、 使用和管理。 国家标准 高压气体无缝钢瓶 的编制将参照国 际标准ISO11120水容积1503000升可重复使用 的无缝钢瓶的设计、 制造和试验 和国外先进标准美 国联邦规程49CFR1781373AA/ 3AAX无缝钢瓶规 范 、49CFR1781453T无缝钢瓶规范 以及DOT 8009特许免除令,结合我国材料、 制造技术和管理 水平的实际情况制订符合我国实际情况的标准,以 保证产品质量和使用的安全性、 可靠性。 压力容器行业标准 站用储气瓶组 将依据我国 行业标准JB473295钢制压力容器 分析设计 标准,参照美国ASME 进行编制。鉴于我 国材料生产的实际情况,站用储气瓶组 的材料目 前只能选用美国ASME篇中规定的材料。 在设计计算时必须考虑压力循环变化,采用疲劳分 析的设计方法。采用有限元分析设计时,其分析设 计人员和有限元计算程序应符合JB4732中的有关 规定。 4 钢制无缝压力容器的制造与检验 钢制无缝压力容器目前国内外普遍采用的是在 大口径无缝钢管两端经锻造或旋压收口的成型工 艺,收口形式是带颈球型封头。根据材质的需要采 用整体正火或淬火+回火(调质)热处理工艺,提高 材料的综合力学性能,满足设计和使用的需要。热 处理合格后经机械加工出两端颈部的螺纹,用螺塞 封闭以承受压力。容器的内外表面需进行喷丸处理 后喷漆、 烘干。 钢制无缝压力容器的制造工艺并不复杂,但钢 制无缝压力容器的制造自始至终都是整体加工,因 此从第一道工序起每一工序都需要专用设备进行加 工制造,所需设备不仅是大型化的,而且每台设备都 需要按照工艺的要求进行专门的设计和制造。钢制 无缝压力容器的制造的大部分设备采用程序控制, 因此设备的调试和工艺参数的确定非常重要。关键 工序在投产前都必须进行严格的工艺评定,如成形、 热处理工序等。 钢制无缝压力容器的检验与焊接容器也有极大 的不同。焊接压力容器的检验一般是靠通用的检测 设备与检查人员的技术水平、 判断能力、 经验和责任 心结合起来实现的,如RT、UT、MT、PT,水压试验、 气 密性试验等。钢制无缝压力容器的检测则大部分是 靠专用的检测设备与计算机采集数据和判断来实现 的,避免了人为因素的影响。检测设备在每次使用 前都要用标准器进行鉴定后才能使用。 钢制无缝压力容器的检测包括以下内容: (1)无缝钢管进厂后的复验,除 压力容器安全 监察规程 规定的内容外,还需要对无缝钢管进行 100%超声检测、100%超声测厚。 (2)在锻造或旋压时应采用远红外测温装置,控 制始锻(旋)温度和终锻(旋)温度,并应有详细的记 录。 (3)钢制无缝压力容器整体热处理时应严格控 制工件的温度和热处理炉的温度,并应有温度自动 记录,检查人员应在温度自动记录和热处理报告上 签字确认。 (4)螺纹的加工应采用专用的数控机床,螺纹加 工后应使用螺纹环规、 塞规进行检测。 (5)移动式无缝压力容器应进行外测法水压试 验,试验时容器垂直放入充满水的封闭容器中,在无 缝压力容器内充水加压到试验压力,并按规定的时 间保压,待无缝压力容器充分变形后,记录下变形体 积,卸压后再记录下无缝压力容器的永久变形体积, 同时在试验中记录下无缝压力容器的实际水容积和 实际重量。整个试验过程、 试验数据的采集和记录、 数据处理和试验结果的判断都由计算机控制,而且 34 第21卷第3期 压 力 容 器 总第136期 每次试验前必须用标准瓶对外测法水压试验装置进 行鉴定,试验系统经鉴定符合标准要求后才可以进 行试验。 (6)无缝钢管、 钢制无缝压力容器的超声检测和 超声测厚都需使用专用设备,其检测数据的采集、 统 计、 处理都由计算机控制,由计算机出具检测报告, 并在计算机内储存备查。超声检测和超声测厚前同 样需要用标准样管对检测设备进行鉴定。 (7)调质处理后的钢制无缝压力容器还应进行 100%磁粉检测,检测部位包括钢制无缝压力容器的 直筒体部分、 封头部分和颈部的螺纹,磁粉检测也需 要使用专用设备对钢制无缝压力容器进行磁化,用 灵敏度试片对磁场强度进行检测。 (8)钢制无缝压力容器的气密性试验是在水下 进行的,以便更好地检测泄漏点。 (9)钢制无缝压力容器内部喷丸后要用专用的 内窥拍摄设备检测内表面的质量,并用计算机储存 备查。以上这些检测项目和检测方法都与焊接压力 容器不同,钢制无缝压力容器的检测要求是严格的, 它对保证产品质量起到重要的作用。 5 结语 大容积钢制无缝压力容器的生产在我国处于刚 刚起步阶段,产品的标准正在制定中,钢制无缝压力 容器的设计、 制造、 检验、 安全使用及管理都有大量 的工作需要去研究和实践。本文对钢制无缝压力容 器的简要介绍,旨在引起从事压力容器专业人士的 关注,希望我国钢制无缝压力容器的技术水平得到 进一步的提高。 收稿日期:2004 - 02 - 10 作者简介:胡鸿宾,男,高级工程师,1968年毕业于天津大学 化工机械专业,从事化工机械设计、 制造工作。 学会活动园地 2004年压力容器分会学术会议计划表 序 号 会议名称内容时间 地点 联系人 联系人 所在单位 地址邮编电话传真 1 石化装置换 热器腐蚀与 防腐蚀技术 会议 交流石化行业换热器腐蚀 状况,研讨预防措施 5月 南京 张金华 邓立文 金陵石化公 司机动部 合肥通用所 南京市龙蟠路 51 - 8 # 合肥市长江西路 888号 210031 230031 025 - 85097073 0551 - 5312800 - 2481 025 - 85412629 0551 - 5312800 - 2481 2 压力容器分 析设计学术 研讨会 11 按分析设计和按规则设 计的主要区别; 21JB4732和ASME2的 异同; 31 应力分类和应力计算方 法的关系; 41 有限元素法在分析设计 中的应用; 51 分析设计应用实例剖析。 5月 上