氣瓶設計常見問題分析

陳祖志 薄 柯 續宏毅

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

氣瓶設計常見問題分析

陳祖志 薄 柯 續宏毅

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

本文對目前氣瓶設計存在的常見問題進行了總結歸納，歸納出的問題主要有設計文件內容不完善、設計屬性和鑒定屬性定義不明確、“同一設計、系列參數”設計不規范以及材料強度保證值取值、最小爆破壓力計算、低溫絕熱氣瓶最大充裝量計算、閥門設計、纖維纏繞氣瓶纏繞層選材幾個方面，對每個方面的問題均作了剖析，并提出了解決問題的建議，可以為氣瓶設計和設計文件鑒定工作提供參考。

氣瓶設計 設計文件鑒定 常見問題 爆破壓力 最大充裝量

按照氣瓶相關安全技術規范的要求［1，2］，，氣瓶設計文件應當經過鑒定，設計文件鑒定工作由國家質檢總局核準的檢驗檢測機構承擔。本文筆者從事了多年的氣瓶設計文件鑒定工作，發現氣瓶設計文件存在很多共性問題，本文擬對這些問題進行逐一探討，并提出解決問題的建議，為氣瓶設計和設計文件鑒定工作提供參考。

1 設計文件內容不完善

氣瓶設計文件應至少包括設計任務書、設計計算書、設計說明書、使用說明書、標準化審查報告，根據具體標準的要求還可能包括有限元應力分析報告等［2］，筆者發現很多設計文件的內容不完善，其中又以設計任務書、設計計算書以及設計圖樣內容不完善的情況居多，下面分別加以說明。

1.1 設計任務書

設計任務書是設計工作的指令性文件，是編制其他設計文件的主要依據。設計任務書的主要功能是向設計人員提出設計條件，目前設計任務書的問題主要是提出的設計條件不充分，常見的有不給定充裝介質、不給定結構型式等；另外，有些設計任務里直接給出設計壁厚、最大充裝量等，而這些參數需要通過計算確定，應在設計計算書里給出。

按照TSG R1003—2006《氣瓶設計文件鑒定規則》［2］，設計任務書的內容應包括任務來源、任務要求、設計依據的法規標準和用戶提供的有關標準及技術參數、產品用途及使用范圍、主要技術參數、產品結構型式的概述、設計文件的種類、承擔單位、完成時間等，其中有管理方面的內容，也有技術方面的內容，技術方面的要求應是設計文件鑒定工作的重點對象，至少應該包括以下內容。

1）充裝介質。應給出充裝介質的分子式和標準，并說明介質的腐蝕性、毒性、爆炸危害程度；對于混合氣體，應給出各組分的含量。

2）使用環境溫度。根據使用地的實際情況確定，在中國使用的氣瓶，環境溫度在-40℃～60℃范圍內，因此氣瓶使用環境溫度一般確定在該范圍內；

3）公稱工作壓力。根據儲存介質種類及使用環境溫度提出；

4）公稱容積。根據實際儲運需要提出；

5）基本幾何尺寸，如對高度或直徑的要求。根據使用條件限制確定；

6）基本結構型式，如立式還是臥式的要求、主要組成部分的要求。根據實際使用需要提出，應通過結構示意圖進行輔助說明；

7）管口方位。根據實際使用需要確定，汽車用液化天然氣氣瓶的管口方位的確定應考慮在汽車上的實際安裝方向。

8）材料。材料可以由任務下達者在設計任務書里直接提出，也可以由設計者在設計計算書里根據標準規范的要求選用；

9）充裝系數。充裝系數應根據充裝介質種類及有關標準要求確定，可以在設計任務書里提出，也可以在設計計算書里確定；

10）依據的法規、標準；

11）由用戶提供的有關標準和技術參數；

12）設計所需要其它的必要條件。

設計任務書的內容應滿足相關法規、安全技術規范、標準的要求。對于設計任務書中的任務來源、承擔單位及完成時間等內容，筆者認為屬于企業內部管理問題，設計文件鑒定時只審查有無規定即可。

1.2 設計計算書

在設計計算書中，首先應根據設計任務書提出的設計條件，依據相關標準規范要求確定設計結構、選擇材料并提出材料的熱處理要求，然后確定設計壓力、瓶體材料許用應力、焊接氣瓶焊縫系數、纏繞氣瓶纖維應力比等計算參數。

設計計算書最常見的問題是計算內容不齊全，如焊接氣瓶及低溫絕熱氣瓶的設計不進行開孔補強計算、帶安全泄放裝置的氣瓶不進行安全泄放量計算等。各品種氣瓶設計計算書的計算內容至少應包括見表1。

1.3 設計圖樣

設計圖樣包括設計總圖和零部件圖，存在的常見問題是設計總圖的內容不完善和零部件圖樣不齊全。

設計總圖的內容應包括視圖、技術參數表、技術要求、鋼印標志圖，鋼印標志圖樣可放在設計總圖上，也可單獨成圖。設計總圖上應注明：

1）氣瓶品種；

2）設計制造所依據的主要法規、標準；

3）工作條件，包括公稱工作壓力、使用環境溫度等，低溫絕熱氣瓶還應包括內膽工作壓力、工作溫度、外殼許用外壓力；

4）充裝介質，包括介質的名稱和分子式、介質的毒性和爆炸危害程度，混合氣體應注明各組分的含量；

5）設計壓力，設計溫度；

6）設計壁厚，腐蝕裕量，焊接氣瓶焊接接頭系數；

7）低溫絕熱氣瓶的真空度、靜態蒸發率、真空夾層漏率、漏放氣速率、總熱傳遞；

8）各部件材料牌號、標準及化學成分、力學性能特殊要求，纏繞氣瓶纏繞層纖維種類、標準、型號、規格、制造廠家、強度保證值；低溫絕熱氣瓶絕熱層材料類型、型號、制造廠家；

9）公稱容積，低溫絕熱氣瓶應注明內膽容積、夾層容積、有效容積；

10）儲存液化氣體應注明充裝系數，最大充裝量；

11）設計使用年限；

表1 氣瓶設計計算內容要求

12）制造要求。如焊接氣瓶的焊接要求；無縫氣瓶的收口、收底要求；纏繞氣瓶的纏繞厚度、層數、纏繞結構；低溫絕熱氣瓶絕熱層包扎要求；

13）熱處理要求，應注明熱處理方法及熱處理強度保證值；

14）無損檢測要求，應包括無損檢測方法、比例、合格指標、檢測時機、執行標準等；

15）耐壓試驗要求，應包括執行標準、耐壓試驗壓力、試驗介質、保壓時間、試驗溫度、合格指標等；

16）氣密性試驗，包括執行標準、試驗壓力、試驗介質、保壓時間、試驗溫度、合格指標等；

17）其他逐支及批量檢驗要求，如外觀檢查、壁厚測定、制造公差檢查、力學性能試驗、水壓爆破試驗等要求；

18）安全附件要求，包括安全閥的型號、規格、開啟壓力，爆破片型號、規格、爆破壓力，易熔合金塞材料、規格、動作溫度和訂購要求；

19）銘牌，包裝、運輸和安裝要求；

20）漆色字樣要求；

21）管口表。

零部件圖是對氣瓶拆分得到的零件和部件的圖樣的統稱，零件是對氣瓶拆分至不能進一步拆分的單個組件，部件是零件的組合，也可以是一個零件。氣瓶的拆分可以按功能逐級進行，直至不能拆分為止，每一級拆分所得到的部件以及最后得到的零件都應有相應的圖樣。無縫氣瓶的拆分較為簡單，可以直接拆分為瓶體、頸圈、瓶帽、瓶閥四個零件；焊接氣瓶首先可以拆分為瓶體、瓶閥、瓶帽、導管、易熔合金塞5個零部件，其中瓶體是一個焊接組件，又可以進行二級拆分為筒體、上封頭、下封頭、閥座、塞座、底座、護罩、襯圈、補強圈等；纏繞氣瓶可以拆分為瓶體、瓶閥、頸圈、瓶帽四個部分，其中瓶體由內膽和纏繞層組合而成；低溫絕熱氣瓶結構相對較為復雜，零部件較多，首先可以拆分為閥門組合部件、內膽、外殼、瓶口端支撐組件、瓶底端支撐組件、絕熱層、分子篩盤組件等，然后對每個部件又可進行逐級拆分。對于采用標準件的部件或零件，可以不給出圖樣，但應在總圖上或部件圖上明確相應的標準號及型號、規格。

2 設計屬性及鑒定屬性

所有氣瓶的設計文件均應經過設計文件鑒定機構的審查，按照TSG R1003—2006的規定，氣瓶設計的屬性分為新設計、設計修改、設計變更，氣瓶設計文件鑒定的屬性分為鑒定和備案。TSG R1003—2006給出了新設計的范圍，但沒有給出設計修改、設計變更的定義和范圍，也沒有明確鑒定和備案的區分，導致了在設計文件鑒定過程對不能明確所需履行的程序及相應的要求。筆者的理解及觀點如下：

1）設計修改是對鑒定未通過的設計文件的修改設計，如果修改的內容在TSG R1003—2006規定的屬于新設計的范圍內，則應歸為新設計；

2）設計變更是對已經通過鑒定的設計文件的添加功能或者局部修改設計，其目的是為了滿足客戶需要，設計變更應按相應產品標準規定的項目進行型式試驗，如果設計變更的內容在TSG R1003—2006規定的屬于新設計的范圍內，則也應該按新設計考慮；

3）對已經經過鑒定的氣瓶設計文件進行變更，當只是對不影響安全性能的內容進行變更，如變更制造廠名稱或地址等；或是變更的內容由原設計文件可以覆蓋的，如改變瓶閥的型號及安全附件的類型、且按標準的規定廠家不需要另外進行型式試驗的，均可以歸為備案。對于申請設計文件備案的，申請單位應在設計文件鑒定申請書中明確變更的內容，對于未在申請書中明確的內容，申請單位不得作任何修改；設計文件鑒定機構可以只對變更的部分作審查，對新的設計文件應加蓋特種設備設計文件鑒定專用章。

3 “同一設計、系列參數”設計的問題

目前，氣瓶的設計采取“同一設計、系列參數”做法較多，即在同一份設計文件中規定多個型號，或多種充裝介質、系列公稱容積、多檔公稱工作壓力，等等，這樣同一份設計文件可以同時覆蓋多種情況，從而減少設計文件鑒定或備案的數量，但實際操作存在很多問題，如：

1）型式試驗報告不能覆蓋

表2中為某制造廠提交鑒定的焊接氣瓶設計文件技術參數的部分內容，該文件同時規定了三檔公稱工作壓力、三個水壓試驗壓力、三個設計壁厚的氣瓶，而名義壁厚共用一個值，且該制造廠希望只進行一個規格的氣瓶的型式試驗，試驗參數按公稱工作壓力為4.5MPa、設計壁厚為7.7mm對應的參數考慮。該設計存在兩方面的問題，一方面是不符合相關安全技術規范的要求，按TSG R1003—2006及TSG R7002—2009《氣瓶型式試驗規則》的要求，改變設計壁厚屬于新設計，需要重新進行型式試驗，因此按壁厚為7.7mm進行的型式試驗，不能覆蓋壁厚為4.3mm及5.1mm的情況；另一方面，對于公稱工作壓力為1.5MPa或3MPa的氣瓶，名義壁厚取10mm，將很不經濟。

表2 氣瓶技術參數設計案例

2）對不同設計參數的計算不應省略

很多“同一設計，系列參數”的設計文件對不同情況不予分別計算或者省略計算，如對不同容積下的氣瓶的安全泄放量不予以分別計算、對不同規格的氣瓶的重量不予以分別計算等，如此不能保證設計計算的正確性，也給設計文件鑒定工作審查設計是否正確帶來不便。

3）銘牌圖樣內容規定不正確

有些“同一設計，系列參數”的設計文件是針對多種充裝介質，但在銘牌設計圖樣中規定充裝介質為多種，不符合氣瓶必須專用的規定。如某低溫絕熱氣瓶銘牌的設計圖樣上規定氣瓶充裝介質為“ LO2/ LN2/LAr”，這樣意味著同一氣瓶既可充裝氧氣、也可充裝氮氣、氬氣，可能造成氣體混裝，給氣瓶的安全使用帶來威脅。

4 材料強度保證值取值問題

按照《氣瓶安全監察規程》［1］，設計氣瓶時，瓶體金屬材料的屈服強度和抗拉強度應當選用材料標準規定的下限值或者熱處理保證值。對于無縫氣瓶，一般需要在氣瓶成型完畢后通過熱處理來保證材料的強度；對于焊接氣瓶，有些制造時不需要作熱處理，有些盡管需要作熱處理，但目的不是為了保證強度。目前，有些氣瓶制造廠在計算氣瓶壁厚時，將材料的強度值在標準規定的下限值基礎上提高了，例如，當設計選用S31608材料時，按GB 24511—2009［3］的規定，其屈服強度下限值為205MPa，但有些氣瓶制造廠按275MPa計算氣瓶壁厚，這樣可以降低氣瓶計算壁厚值，但不符合《氣瓶安全監察規程》的規定，也可能帶來不安全的結果。

5 最小爆破壓力計算

對于批量檢驗或型式試驗項目中包括爆破試驗的氣瓶，設計時應進行最小爆破壓力的計算，以作為試驗結果評價的依據。需要進行爆破試驗的氣瓶，在早期發布的標準中，多數規定最小爆破壓力按中徑公式計算［4-9］，中徑公式如式（1）所示。

式中：

pb——最小爆破壓力，MPa；

DO——瓶體外徑，mm；

σb——氣瓶瓶體材料熱處理后抗拉強度保證值或材料標準規定抗拉強度下限值，MPa；

S——氣瓶筒體設計壁厚（無縫氣瓶），或最小實測壁厚（焊接氣瓶），或名義壁厚（GB/T 15385—1994［9］），mm。

新近發布的標準［10-13］均依據爆破安全系數計算最小爆破壓力，即按式（2）計算。

式中：

pb——最小爆破壓力，MPa；

η——爆破安全系數，應符合表3的規定；

p——公稱工作壓力。

氣瓶的實際爆破試驗壓力，既與氣瓶的壁厚及材料的強度指標有關，也受材料的本構關系、韌性指標、塑性指標等因素的影響。氣瓶爆破試驗壓力應是氣瓶結構尺寸與材料機械性能的綜合反映，中徑公式是基于理論力學推導的結果，其中考慮了壁厚和材料強度的影響，爆破安全系數主要是基于經驗總結的結果。有些氣瓶制造廠設計氣瓶時，不考慮氣瓶的實際承載需要及經濟性，盲目的將氣瓶的名義壁厚取得過大，如某氣瓶制造廠設計的焊接氣瓶公稱工作壓力為3.4MPa，水壓試驗壓力為5.1MPa，設計壁厚為4.4mm，名義壁厚取為6.6mm，按式（2）計算得到的最小爆破壓力為10.2MPa，而按中徑公式計算得到的爆破壓力為20.09MPa，此時若取爆破試驗壓力為10.2MPa作為爆破試驗的合格評價指標，既不科學，也可能會帶來不安全的結果。

表3 氣瓶的實際爆破安全系數

6 低溫絕熱氣瓶最大充裝量計算

低溫絕熱氣瓶最大充裝量可按式（3）進行計算［14］：

式中：

Fw——最大充裝量，kg；

ρ1——充裝時低溫液化氣體的密度，kg/m3；

Va——內膽有效容積，即內膽允許的最大盛液容積，m3；

低溫液化氣體充裝入氣瓶后，由于吸熱溫度會逐漸上升，壓力也隨之不斷上升，同時體積不斷膨脹，最后壓力會上升至安全閥的開啟壓力，此時如果液體已膨脹至將瓶內空間全充滿，當壓力進一步上升導致安全閥開啟時，低溫液體將會直接從安全閥噴射出來，這種排放方式泄壓緩慢且容易使泄壓通道產生冰堵現象，因此存在很大的安全隱患。為了避免上述情況，保證安全閥以氣相排放，需要在氣瓶內留有足夠的安全空間（Vs）。有效容積是總容積減去安全空間剩下的部分。

安全空間根據其作用原理，可以按式（4）計算。

式中：

ηmin——安全空間占內膽容積的百分比，%；

ρ1——充裝時低溫液化氣體的密度，kg/m3；

ρ2——安全閥開啟壓力下液化氣體的密度，kg/m3。

可見，氣瓶所需要的最小安全空間取決于：充裝時液體的密度及安全閥的開啟壓力，二者均是溫度的函數，在相同安全閥開啟壓力條件下，充裝液體的溫度越低，其密度越高，所需要的安全空間越大，同樣的充裝條件下，安全閥開啟壓力越高，開啟時液體的溫度越高，密度越小，所需要的安全空間越小。按式（3）計算得到的安全空間僅能滿足液體膨脹的最低要求，實際設計中，考慮到適當增加安全空間的容積，使安全閥完全以氣相排放，實際設計時，一般都以式（5）計算安全空間：

目前，低溫絕熱氣瓶已經發展出了兩個品種：車用壓縮天然氣氣瓶及俗稱“杜瓦瓶”的焊接絕熱氣瓶。對于汽車用液化天然氣氣瓶，我國目前還沒有相應的國家標準，其設計生產一般都依據由行業標準化組織評審備案的企業標準。對車用低溫瓶的安全空間的要求，經歷了一個逐漸明確和細化的過程，在早期制定的標準中均是直接規定了安全空間占公稱容積的百分比要求，沒有考慮充裝液體飽和蒸氣壓及安全閥開啟壓力的影響。在全國氣瓶標準化技術委員會新近評審備案的標準中，對安全空間的要求作了較細的規定，不但作了數值上的規定，也給出了計算原則的規定，按其規定，充裝飽和蒸汽壓為0.8MPa的LNG液體且安全閥的排放壓力為1.6MPa時，安全空間應至少為內膽總容積的10%，對于允許充裝飽和蒸汽壓低于0.8MPa的LNG的氣瓶，則應根據LNG充裝壓力和安全閥開啟壓力下的密度差來設計安全空間。目前車用低溫瓶設計上存在的常見問題主要表現在兩個方面，一是直接給出某一安全空間值，而不根據充裝液體的密度和安全閥的開啟壓力對其是否滿足要求進行校核；二是不按實際充裝液體的密度計算最大充裝量，而是采用飽和蒸汽壓為0時的液體密度（0.426kg/L）計算，得到的最大充裝量偏大。

對于焊接絕熱氣瓶，我國的國家標準GB 24159［14］中并沒有對安全空間提出明確的要求，大多數設計都是人為的給定一個安全空間值，而所給定的值有很多不滿足式（4）的要求，按國家標準GB 28051《焊接絕熱氣瓶充裝規定》的要求，焊接絕熱氣瓶的充裝應采用稱重法，而實際上很多氣瓶充裝時采用打開放空閥觀察的方法，一般都是充滿，使得有效容積失去意義。

7 閥門選型的問題

閥門是氣瓶的重要附件，其基本功能是在氣瓶的充裝、儲存和使用過程中，控制氣體進出和調節流量，有些瓶閥帶安全泄壓裝置，在發生超壓等異常情況時，還會對氣瓶起到保護作用。

我國對氣瓶閥門實行制造許可制度，并要求進行型式試驗。氣瓶設計時，應選配好閥門，并在設計圖樣和設計說明書中做出明確的規定。部分車用氣瓶的標準［8，10，11］，對瓶閥變更提出了補充型式試驗的要求，補充的項目見表4，之所以需要補充這些項目是因為閥門的變更可能會影響氣瓶型式試驗結果，因此閥門安裝后進行的氣瓶型式試驗可視為對閥門型式試驗的一種補充。對于車用瓶，瓶閥的選配影響氣瓶的安全性能一定要選用與氣瓶一起進行過型式試驗的對應型號的瓶閥，才能保證氣瓶與瓶閥附件安全性能的一致性和適配性，因此在氣瓶的設計時，不僅要明確閥門的型號規格，還需要明確閥門的生產廠家。

對于汽車用液化天然氣氣瓶以及呼吸器用復合氣瓶，盡管產品標準中沒有明確閥門變更需補充的型式試驗項目要求，但型式試驗項目中也包括火燒試驗，而火燒試驗結果也都受瓶閥或安全附件性能的影響，筆者建議在設計文件中也應明確閥門的制造廠家。

表4 瓶閥變更的型式試驗要求

8 纖維纏繞氣瓶纏繞層選材的問題

我國目前已經制訂了車用壓縮天然氣鋼質內膽玻璃纖維環向纏繞氣瓶［10］及呼吸器用復合氣瓶的國家標準［13］，其中對纏繞氣瓶纏繞層的選材均作了相應的規定。對于車用鋼內膽環纏氣瓶，纏繞層浸漬材料和纖維均要求選用符合相應國家標準或行業標準要求的材料，并要求氣瓶制造廠通過進場檢驗、氣瓶產品性能批量檢驗和型式試驗對纏繞層材料的性能進行驗證。對于呼吸器用復合氣瓶，纏繞層材料要求選用符合相應標準的規定及制造廠的要求。按GB 24160的要求，改變纖維材料制造廠家、纖維材料及樹脂材料均屬于設計變更；按GB 28053的要求，變化材料亦屬于設計變更，標準中沒有明確材料的范圍，可理解為包括內膽材料、纖維材料及樹脂材料。目前，我國尚沒有制定玻璃纖維、碳纖維等材料的國家標準或行業標準，纏繞氣瓶纏繞層材料均采用按企業標準生產的材料，不同企業標準中規定的材料性能和技術指標各不相同，產品的實際性能也存在很大差異。因此，為了保證纏繞氣瓶性能的可靠性和穩定性，設計文件中不但應明確纏繞層材料力學性能指標，還應明確材料的制造廠家、標準及型號規格，目前，仍有部分氣瓶制造廠提交的設計文件不滿足此要求。

9 結論

1）參照相關標準的要求，提出了設計任務書、設計計算書及設計圖樣的內容要求。

2）給出了設計修改、設計變更的界定條件，明確了氣瓶設計文件鑒定和備案的適用條件。

3）對于常見的“同一設計，系列參數”作法存在的型式試驗不能覆蓋、計算內容不齊全、銘牌內容不規范等問題，制造企業應有足夠的重視。

4）指出了材料強度保證值取值、最小爆破壓力計算、低溫絕熱氣瓶最大充裝量計算、閥門設計、纖維纏繞氣瓶纏繞層選材幾個方面存在的問題，并提出了解決問題相應的建議。

［1］ 質技監局鍋發［2000］250號.氣瓶安全監察規程。

［2］ TSG R1003—2006 氣瓶設計文件鑒定規則［S］.

［3］ GB 24511—2009 承壓設備用不銹鋼鋼板及鋼帶［S］.

［4］ GB 5099—1994 鋼質無縫氣瓶［S］.

［5］ GB 5842—2006 液化石油氣鋼瓶［S］.

［6］ GB 5100—1994 鋼質焊接氣瓶［S］.

［7］ GB/T 11640—2001 鋁合金無縫氣［S］.

［8］ GB 17259—1998 機動車用液化石油氣鋼瓶［S］.

［9］ GB/T 15385—1994 氣瓶水壓爆破試驗方法［S］.

［10］ GB 24160—2009 車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶［S］.

［11］ GB 17258—2011 汽車用壓縮天然氣鋼瓶［S］.

［12］ GB 28051—2011 焊接絕熱氣瓶充裝規定［S］.

［13］ GB 28053—2011 呼吸器用復合氣瓶［S］.

［14］ GB 24159—2009 焊接絕熱氣瓶［S］.

Analysis of Common Problems in the Design of Gas Cylinders

Chen Zuzhi Bo Ke Xu Hongyi
（China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029 ）

In this paper the common problems in design of gas cylinder are analyzed and summarized as follows: 1） the contents of design document were imcomplete； 2） both design attribute and appraisal attribute were not defined clearly； 3） the same design with series parameters was lack of standardization；4） the guarantee value of material strength was not used standardly； 5） the minimum of burst pressure was calculated unscientifically； 6） the maximum of filling weight of cryogenic insulated cylinders was calculated without merit； 7） Valve selection was performed not based on codes and standards； 8） material selection of reinforced layer of fiber-wrapped cylinder was conducted not according to safety technical specifications. The problems mentioned above are analyzed and the corresponding suggestions are given， which could provide

for design of cylinders and document appraisal.

Design of cylinder Design document appraisal Common problems Burst pressure Filling weigh

X933.4

B

1673-257X（2015）04-33-07

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.04.009

陳祖志（1979～），男，博士，高級工程師，主要從事承壓類特種設備安全檢測與評價及技術研究工作。

2014-12-09）