氣瓶設(shè)計(jì)

第1章　緒論 001

1．1　氣瓶概述 001

1．2　氣瓶基本要求 001

1．3　氣瓶事故案例統(tǒng)計(jì)分析 004

1．4　氣瓶失效模式 005

1．5　氣瓶損傷模式 009

第2章　常用瓶裝氣體物性參數(shù) 011

2．1　引言 011

2．2　物質(zhì)的相及相變 011

2．3　氣體狀態(tài)變化規(guī)律 012

2．4　常用瓶裝氣體分類(lèi)及名稱(chēng)、分子式、分子量 013

2．5　常用瓶裝氣體的燃燒性、毒性及腐蝕性 016

2．6　氣體壓縮因子 018

2．7　液化氣體密度、飽和蒸汽壓及汽化潛熱 019

2．8　氣體絕熱指數(shù) 031

2．9　混合氣體物性參數(shù) 032

第3章　氣瓶品種、型號(hào)及基本參數(shù) 034

3．1　引言 034

3．2　氣瓶品種及用途（盛裝介質(zhì)） 034

3．3　無(wú)縫氣瓶型號(hào) 036

3．4　焊接氣瓶型號(hào) 039

3．5　纏繞氣瓶型號(hào) 040

3．6　絕熱氣瓶型號(hào) 041

3．7　內(nèi)裝填料氣瓶型號(hào) 042

3．8　其他氣瓶型號(hào) 043

3．9　氣瓶公稱(chēng)工作壓力 044

3．9．1　氣瓶公稱(chēng)工作壓力確定原則 044

3．9．2　盛裝常用氣體氣瓶公稱(chēng)工作壓力（TSG R0006—2014） 044

第4章　設(shè)計(jì)選材 048

4．1　引言 048

4．2　金屬材料基本知識(shí) 048

4．2．1　金屬材料類(lèi)別 048

4．2．2　金屬材料中的化學(xué)元素 049

4．2．3　金屬材料的微觀結(jié)構(gòu) 050

4．2．4　金屬材料性能的基本要求 052

4．2．5　金屬材料的破壞 056

4．3　氣瓶選材的一般要求（TSG R0006） 056

4．4　焊接氣瓶選材 057

4．4．1　相關(guān)氣瓶標(biāo)準(zhǔn)的限定要求 057

4．4．2　常用材料 058

4．4．3　瓶體成型后材料性能要求 063

4．5　無(wú)縫氣瓶選材 065

4．5．1　相關(guān)氣瓶標(biāo)準(zhǔn)的限定要求 065

4．5．2　常用材料 068

4．5．3　瓶體成型后材料性能要求 073

4．6　低溫絕熱氣瓶選材 076

4．6．1　基本要求 076

4．6．2　常用材料 077

4．7　纖維復(fù)合材料 078

4．7．1　基本知識(shí) 078

4．7．2　纖維纏繞氣瓶基本要求 081

4．8　絕熱材料 081

第5章　氣瓶結(jié)構(gòu) 083

5．1　引言 083

5．2　無(wú)縫氣瓶結(jié)構(gòu) 084

5．2．1　鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶（GB 5099） 084

5．2．2　鋁合金無(wú)縫氣瓶（GB 11640） 089

5．2．3　汽車(chē)用壓縮天然氣氣瓶（GB 17258） 090

5．2．4　站用壓縮天然氣鋼瓶（GB 19158） 092

5．2．5　長(zhǎng)管拖車(chē)、管束式集裝箱用大容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶 092

5．2．6　無(wú)縫結(jié)構(gòu)溶解乙炔氣瓶（GB 11638） 093

5．3　焊接氣瓶 093

5．3．1　鋼質(zhì)焊接氣瓶 093

5．3．2　液化石油氣鋼瓶 098

5．3．3　汽車(chē)用液化石油氣鋼瓶（GB 17259） 100

5．3．4　工業(yè)用非重復(fù)充裝氣瓶（GB 17268） 101

5．3．5　焊接結(jié)構(gòu)溶解乙炔氣瓶（GB 11638） 102

5．4　纏繞氣瓶 103

5．4．1　環(huán)向纏繞氣瓶（GB 24160） 103

5．4．2　金屬內(nèi)膽全纏繞氣瓶（GB 28053） 105

5．5　低溫絕熱氣瓶 106

5．5．1　焊接絕熱氣瓶（GB 24159） 106

5．5．2　汽車(chē)用液化天然氣氣瓶 109

第6章　氣瓶瓶體壁厚計(jì)算 113

6．1　引言 113

6．2　基本知識(shí) 113

6．2．1　固體力學(xué)基本概念 113

6．2．2　強(qiáng)度理論 115

6．2．3　設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 116

6．2．4　薄壁回轉(zhuǎn)殼體強(qiáng)度計(jì)算 117

6．3　無(wú)縫氣瓶壁厚計(jì)算 118

6．4　焊接氣瓶壁厚計(jì)算 120

6．5　焊接絕熱氣瓶壁厚計(jì)算（GB 24159） 124

6．6　纏繞氣瓶壁厚計(jì)算 125

第7章　氣瓶螺紋及強(qiáng)度計(jì)算 128

7．1　氣瓶螺紋基本要求 128

7．2　氣瓶專(zhuān)用螺紋（GB 8335） 129

7．3　普通螺紋（GB/T 192，GB/T 196，GB/T 197） 130

7．4　管螺紋（GB/T 7307） 135

7．5　氣瓶螺紋強(qiáng)度計(jì)算 137

7．6　螺紋強(qiáng)度計(jì)算算例 138

第8章　焊接氣瓶開(kāi)孔及補(bǔ)強(qiáng) 140

8．1　引言 140

8．2　焊接氣瓶開(kāi)孔及補(bǔ)強(qiáng)基本要求 140

8．3　補(bǔ)強(qiáng)型式 141

8．3．1　不需要另行補(bǔ)強(qiáng) 141

8．3．2　補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng) 142

8．3．3　整體補(bǔ)強(qiáng) 143

8．4　補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 144

8．5　補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算算例 146

第9章　氣瓶有限元應(yīng)力分析 149

9．1　引言 149

9．2　氣瓶有限元應(yīng)力分析基本要求 149

9．3　有限元應(yīng)力分析基本知識(shí) 150

9．3．1　有限元法基本原理 150

9．3．2　有限元法基本術(shù)語(yǔ) 150

9．3．3　有限元分析軟件介紹 151

9．3．4　有限元分析基本步驟 152

9．4　氣瓶有限元應(yīng)力分析實(shí)例 152

9．4．1　鋼制無(wú)縫氣瓶凹形底 152

9．4．2　車(chē)用壓縮天然氣鋼制內(nèi)膽環(huán)向纏繞氣瓶 153

9．4．3　呼吸器用全纏繞復(fù)合氣瓶應(yīng)力分析 156

9．4．4　汽車(chē)用低溫焊接氣瓶開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)分析 162

第10章　氣瓶容積、重量及最大充裝量計(jì)算 164

10．1　引言 164

10．2　容積計(jì)算 164

10．3　質(zhì)量計(jì)算 169

10．4　最大充裝量計(jì)算 173

10．4．1　低壓液化氣體氣瓶最大充裝量計(jì)算 173

10．4．2　高壓液化氣體氣瓶最大充裝量計(jì)算 175

10．4．3　低溫絕熱氣瓶最大充裝量計(jì)算 176

第11章　氣瓶安全泄壓裝置選用及計(jì)算 178

11．1　引言 178

11．2　常用術(shù)語(yǔ)及其定義 178

11．3　氣瓶安全泄壓裝置基本要求 181

11．3．1 　氣瓶安全泄壓裝置的設(shè)置與選用 181

11．3．2　氣瓶安全泄壓裝置質(zhì)量要求 186

11．3．3　裝設(shè)部位 186

11．3．4　氣瓶安全泄壓裝置技術(shù)參數(shù)要求 188

11．4　氣瓶安全泄放量計(jì)算 189

11．4．1　壓縮氣體氣瓶 190

11．4．2　低壓、高壓液化氣體氣瓶 191

11．4．3　低溫液化氣體氣瓶 192

11．5　安全泄壓裝置泄放面積計(jì)算 193

11．5．1　爆破片 193

11．5．2　安全閥 195

11．5．3　易熔合金塞 197

11．6　氣瓶安全泄壓裝置泄放量及泄放面積算例 197

第12章　低溫絕熱氣瓶熱傳遞計(jì)算 202

12．1　引言 202

12．2　總熱傳遞 202

12．3　絕熱層熱傳遞 203

12．4　管路熱傳遞 208

12．5　支撐件傳熱 209

12．6　總熱傳遞計(jì)算算例 210

第13章　氣瓶附件 214

13．1　引言 214

13．2　氣瓶閥門(mén) 214

13．2．1　氣瓶閥門(mén)基本要求（TSG R0006—2014） 214

13．2．2　氣瓶閥出氣口連接型式和尺寸（GB 15383—2011） 216

13．2．3　常用氣體瓶閥的選用 218

13．3　其他附件 223

第14章　氣瓶主要生產(chǎn)工藝 224

14．1　引言 224

14．2　原材料復(fù)驗(yàn) 224

14．3　組批 225

14．4　焊接 226

14．4．1　一般規(guī)定 226

14．4．2　焊接工藝評(píng)定 227

14．4．3　焊縫接頭結(jié)構(gòu) 228

14．4．4　焊接方法 232

14．4．5　焊接返修 232

14．4．6　主要焊接缺陷及防止措施 233

14．5　無(wú)縫氣瓶瓶體成型 234

14．5．1　無(wú)縫氣瓶成型方法 234

14．5．2　無(wú)縫氣瓶端部質(zhì)量基本要求 235

14．5．3　旋壓工藝評(píng)定 236

14．6　熱處理 237

14．6．1　金屬材料熱處理工藝 237

14．6．2　氣瓶熱處理基本要求 239

14．6．3　熱處理工藝評(píng)定 241

14．6．4　熱處理常見(jiàn)缺陷及其形成原因和預(yù)防措施 241

14．7　纖維纏繞氣瓶纖維纏繞、固化 243

14．7．1　纏繞工藝 243

14．7．2　固化工藝 243

14．7．3　纏繞、固化工藝評(píng)定 244

14．8　低溫絕熱氣瓶絕熱工藝 245

14．8．1　絕熱材料包扎及加裝 245

14．8．2　抽真空 245

第15章　氣瓶檢驗(yàn)與試驗(yàn) 246

15．1　引言 246

15．2　檢驗(yàn)和試驗(yàn)類(lèi)別及基本要求 246

15．2．1　檢驗(yàn)和試驗(yàn)類(lèi)別 246

15．2．2　型式試驗(yàn)及出廠檢驗(yàn)項(xiàng)目 247

15．2．3　氣瓶定期檢驗(yàn)基本要求 253

15．3　宏觀檢查 254

15．4　質(zhì)量和容積測(cè)量 256

15．5　無(wú)損探傷 256

15．6　材質(zhì)分析 257

15．7　安全性能試驗(yàn) 257

第16章　氣瓶標(biāo)識(shí) 258

16．1　引言 258

16．2　氣瓶制造標(biāo)志 258

16．2．1　不同品種氣瓶制造標(biāo)志要求 258

16．2．2　鋼印標(biāo)記 259

16．2．3　標(biāo)簽標(biāo)記 263

16．2．4　壓印標(biāo)記 263

16．2．5　印刷標(biāo)記 263

16．2．6　粘貼標(biāo)記 264

16．2．7　顏色標(biāo)志（GB 7144—1999） 264

16．3　氣瓶定期檢驗(yàn)標(biāo)志 269

16．4　氣瓶充裝標(biāo)志 270

16．4．1　涂敷標(biāo)志 270

16．4．2　氣瓶警示標(biāo)簽（GB 16804—2011） 271

第17章　氣瓶充裝、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用 273

17．1　引言 273

17．2　氣瓶充裝 273

17．2．1　氣瓶充裝基本要求（TSG R0006—2014《氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》） 273

17．2．2　壓縮氣體充裝基本要求（GB 14194—2006《永久氣體氣瓶充裝規(guī)定》） 274

17．2．3　液化氣體充裝基本要求（GB 14193—2009《液化氣體氣瓶充裝規(guī)定》） 277

17．2．4　焊接絕熱氣瓶充裝基本要求（GB 28051—2011《焊接絕熱氣瓶充裝規(guī)定》） 278

17．2．5　混合氣體充裝 279

17．3　氣瓶?jī)?chǔ)存 279

17．4　氣瓶運(yùn)輸 281

17．5　氣瓶使用 282

第18章　氣瓶設(shè)計(jì)文件 284

18．1　引言 284

18．2　設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 284

18．2．1　設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)基本要求 284

18．2．2　設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)示例 285

18．3　設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū) 287

18．4　設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 287

18．5　設(shè)計(jì)圖紙 290

18．5．1　制圖基本要求 290

18．5．2　氣瓶設(shè)計(jì)圖紙基本要求 292

18．5．3　技術(shù)參數(shù)表 293

18．5．4　技術(shù)要求 295

18．6　使用說(shuō)明書(shū) 300

18．6．1　使用說(shuō)明書(shū)基本要求 300

18．6．2　使用說(shuō)明書(shū)示例 300

18．7　標(biāo)準(zhǔn)化審查報(bào)告 302

18．7．1　標(biāo)準(zhǔn)化審查報(bào)告基本要求 302

18．7．2　標(biāo)準(zhǔn)化審查報(bào)告示例 302

18．8　有限元應(yīng)力分析報(bào)告 304

參考文獻(xiàn) 3052100433B

《氣瓶設(shè)計(jì)》的主要內(nèi)容包括：瓶裝氣體物性參數(shù)，氣瓶品種、型號(hào)和技術(shù)參數(shù)，設(shè)計(jì)選材，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，壁厚計(jì)算，螺紋及強(qiáng)度計(jì)算，焊接氣瓶開(kāi)孔及開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)，有限元應(yīng)力分析，容積、重量及充裝量計(jì)算，安全泄壓裝置選用和計(jì)算，低溫絕熱氣瓶熱傳遞計(jì)算，氣瓶附件要求，主要生產(chǎn)工藝要求，氣瓶檢驗(yàn)和試驗(yàn)，氣瓶標(biāo)識(shí)，氣瓶充裝，儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用要求，設(shè)計(jì)文件要求，對(duì)每一部分內(nèi)容均作了引言描述，以及基礎(chǔ)知識(shí)和設(shè)計(jì)方法的具體介紹，其中涉及計(jì)算的部分多數(shù)都給出了示例。

《氣瓶設(shè)計(jì)》既具有較強(qiáng)的知識(shí)性，在工程上也具有很強(qiáng)的可參考性。

《氣瓶設(shè)計(jì)》內(nèi)容側(cè)重于氣瓶的設(shè)計(jì)、制造以及檢測(cè)，闡述了氣瓶設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題，主要包括：瓶裝氣體物性參數(shù)，氣瓶品種、型號(hào)和技術(shù)參數(shù)，設(shè)計(jì)選材，壁厚計(jì)算，螺紋及強(qiáng)度計(jì)算，焊接氣瓶開(kāi)孔及開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)，有限元應(yīng)力分析等。

《氣瓶設(shè)計(jì)》為氣瓶的設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)文件鑒定工作提供參考，對(duì)氣瓶的安全監(jiān)察、使用管理及檢驗(yàn)工作也有較大的指導(dǎo)意義。

一、按制造方法分類(lèi)

按制造方法，氣瓶可分為以下四類(lèi)。

(1)焊接氣瓶

焊接氣瓶由用薄鋼板卷焊的圓柱形筒體和兩端的封頭組焊而成。焊接氣瓶多用于盛裝低壓液化氣體，例如液化二氧化硫等。

(2)管制氣瓶

管制氣瓶是用無(wú)縫鋼管制成的無(wú)縫氣瓶。它兩端的封頭是將鋼管加熱放在專(zhuān)用機(jī)床上通過(guò)旋壓或擠壓等方式收口成形的。

(3)沖拔拉伸制氣瓶

它是將鋼錠加熱后先沖壓出凹形封頭，后經(jīng)過(guò)拉拔制成敞口的瓶坯，再按照管制氣瓶的方法制成頂封頭及接口管等。

(4)纏繞式氣瓶

此氣瓶是由鋁制的內(nèi)筒和內(nèi)筒外面纏繞一定厚度的無(wú)堿玻璃纖維構(gòu)成的。鋁制內(nèi)筒的作用是保證氣瓶的氣密性。氣瓶的承壓強(qiáng)度依靠?jī)?nèi)筒外面纏繞成一體的玻璃纖維殼壁（用環(huán)氧酚醛樹(shù)脂等作為黏結(jié)劑）。殼體纖維材料容易“老化”，所以使用壽命一般不如鋼制氣瓶。

二、按盛裝介質(zhì)的物理狀態(tài)分類(lèi)

氣瓶可按盛裝介質(zhì)的物理狀態(tài)分為以下三類(lèi)。

(1)永久性氣體氣瓶

臨界溫度低于-10℃的氣體稱(chēng)為永久性氣體，盛裝永久性氣體的氣瓶稱(chēng)為永久性氣體氣瓶。例如盛裝氧氣、氮?dú)?、空氣、一氧化碳及惰性氣體等的氣瓶均屬此類(lèi)。其常用標(biāo)準(zhǔn)壓力系列為15 MPa、20 MPa、30 MPa。

(2)液化氣體氣瓶

臨界溫度等于或高于-10℃的各種氣體，它們?cè)诔?、常壓下呈氣態(tài)，而經(jīng)加壓和降溫后變?yōu)橐后w。在這些氣體中，有的臨界溫度較高（高于70℃），如硫化氫、氨、丙烷、液化石油氣等，稱(chēng)為高臨界溫度液化氣體，也稱(chēng)為低壓液化氣體。儲(chǔ)存這些氣體的氣瓶為低壓液化氣體氣瓶。在環(huán)境溫度下，低壓液化氣體始終處于氣液兩相共存狀態(tài)，其氣相的壓力是相應(yīng)溫度下該氣體的飽和蒸氣壓。按最高工作溫度為60℃考慮，所有高臨界溫度液化氣體的飽和蒸氣壓均在5 MPa以下，所以，這類(lèi)氣體可用低壓氣瓶充裝。其標(biāo)準(zhǔn)壓力系列為1.0 MPa、1.6 MPa、2.0 MPa、3.0 MPa、5.0 MPa。

(3)溶解氣體氣瓶

這種氣瓶是專(zhuān)門(mén)用于盛裝乙炔的氣瓶。由于乙炔氣體極不穩(wěn)定，特別是在高壓下，很容易聚合或分解，液化后的乙炔稍有振動(dòng)即會(huì)引起爆炸，所以不能以壓縮氣體狀態(tài)充裝，必須把乙炔溶解在溶劑（常用丙酮）中，并在內(nèi)部充滿(mǎn)多孔物質(zhì)（如硅酸鈣多孔物質(zhì)等）作為吸收劑。溶解氣體氣瓶的最高工作壓力一般不超過(guò)3.0 MPa，其安全問(wèn)題具有特殊性，如乙炔氣瓶?jī)?nèi)的丙酮噴出，會(huì)引起乙炔氣瓶帶靜電，造成燃燒、爆炸、丙酮消耗量增加等危害。

(1)氣瓶公稱(chēng)工作壓力

對(duì)于盛裝永久氣體的氣瓶，公稱(chēng)工作壓力是指在基準(zhǔn)溫度時(shí)（一般為20℃）所盛裝氣體的限定充裝壓力。對(duì)于盛裝液化氣體的氣瓶，公稱(chēng)工作壓力是指溫度為60℃時(shí)瓶?jī)?nèi)氣體壓力的上限值。

根據(jù)《氣瓶安全監(jiān)察規(guī)程》（質(zhì)技監(jiān)局鍋發(fā)[2000]250號(hào)）的規(guī)定，氣瓶的公稱(chēng)工作壓力已經(jīng)系列化。盛裝高壓液化氣體的氣瓶，其公稱(chēng)工作壓力不得小于8MPa。盛裝有毒和劇毒危害的液化氣體的氣瓶，其公稱(chēng)工作壓力的選用應(yīng)適當(dāng)提高。

(2)水壓試驗(yàn)壓力、設(shè)計(jì)壓力與許用壓力

鋼質(zhì)氣瓶的水壓試驗(yàn)壓力是檢驗(yàn)氣瓶強(qiáng)度的耐壓試驗(yàn)壓力，根據(jù)《鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶》（GB 5099-1994）、《鋼質(zhì)焊接氣瓶》（GB 5100-2011）的規(guī)定，鋼瓶的水壓試驗(yàn)壓力為公稱(chēng)工作壓力的1.5倍。

鋼質(zhì)氣瓶的設(shè)計(jì)壓力是用于設(shè)計(jì)計(jì)算瓶體壁厚的壓力，設(shè)計(jì)壓力的大小等于水壓試驗(yàn)壓力。

氣瓶許用壓力是允許氣瓶承受的最高壓力，它應(yīng)不小于瓶?jī)?nèi)介質(zhì)60℃時(shí)的介質(zhì)壓力。鋼質(zhì)氣瓶的許用壓力不得超過(guò)水壓試驗(yàn)壓力的0.8倍。

(3)氣瓶的公稱(chēng)容積

氣瓶的公稱(chēng)容積是指氣瓶規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的氣瓶容積的分級(jí)系列，公稱(chēng)容積和公稱(chēng)工作壓力一樣是一個(gè)名義值，而不是準(zhǔn)確的實(shí)際值。為安全計(jì)，氣瓶的實(shí)際容積必須大于公稱(chēng)容積，允差為 5%。可見(jiàn)，公稱(chēng)容積雖是一個(gè)稱(chēng)謂的名義值，但限制得很?chē)?yán)格，不能隨便稱(chēng)呼。比如公稱(chēng)容積為40L的無(wú)縫氣瓶，其實(shí)際容積應(yīng)在40L至42L之間。

為了便于管理，我國(guó)將氣瓶的公稱(chēng)容積劃分為大、中、小三類(lèi)：12L（含12L）以下為小容積，12L以上至100L（含100L）為中容積，100L以上為大容積。

鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶的容積，以40L氣瓶為最常見(jiàn)，但也有小到0.4L大到80L的。

鋼質(zhì)焊接氣瓶的容積，作為溶解乙炔鋼瓶，以40L鋼瓶最為普遍，液氨與液氯氣瓶以800L和400L最為普及。因?yàn)榘匆郝?.25 kg/L的充裝系數(shù)計(jì)算，它們的介質(zhì)質(zhì)量正好為1 t和0.5t。

液化石油氣鋼瓶的容積，以35.5L用量最多。因?yàn)橐?.42 kg/L充裝系數(shù)計(jì)算，此類(lèi)氣瓶正好充裝15kg液化石油氣，是一般家庭一個(gè)月的消耗量。

(4)氣瓶的最高使用溫度與最低使用溫度

氣瓶的最高使用溫度是指氣瓶在充裝氣體以后，可能達(dá)到的最高溫度。根據(jù)《鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶》(GB 5099-1994)、《鋼質(zhì)焊接氣瓶》（GB 5100-2011）及《氣瓶安全監(jiān)察規(guī)程》的規(guī)定，60℃為氣瓶的最高使用溫度，-40℃為氣瓶的最低使用溫度。

(5)氣瓶的顏色

《氣瓶顏色》（GB 7144-1999）對(duì)氣瓶顏色作了明確規(guī)定。例如：乙炔氣瓶為白色、氮?dú)馄繛楹谏?、氧氣瓶為淡藍(lán)色、氨氣瓶為淡黃色、二氧化碳?xì)馄繛殇X白色，等等。