TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》中有關纖維增強塑料壓力容器技術內容解讀

桑臨春 李國樹 楊宇清 肖麗娟

(1.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司；2.石家莊開發區技源科技有限公司；3.上海市特種設備監督檢驗技術研究院)

TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》中有關纖維增強塑料壓力容器技術內容解讀

桑臨春*1李國樹2楊宇清3肖麗娟1

(1.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司；2.石家莊開發區技源科技有限公司；3.上海市特種設備監督檢驗技術研究院)

隨著TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》(以下簡稱《大容規》)的頒布實施，纖維增強塑料壓力容器的設計、制造將依據新的技術法規進行監督管理。為使相關技術人員透徹理解《大容規》中有關纖維增強塑料壓力容器的技術規定，對其中的技術細則進行了詳細解讀。

TSG21-2016 纖維增強塑料 壓力容器 內容解讀

多年來，纖維增強塑料壓力容器以優良的防腐蝕性能、較好的設計性能、輕質高強、安裝簡便及耐老化等性能在化工、石化、石油、有色、電力、冶金、化纖、食品加工及環保等行業中得到了廣泛的應用。截止2015年，國內采用機械纏繞成型工藝生產的纖維增強塑料設備年產量已達71.5萬噸。近幾年，隨著我國纖維增強塑料壓力容器設計、制造技術水平和原材料性能的不斷提高，纖維增強塑料壓力容器的質量和承壓性能得到很大的提高，市場需求量和應用領域也越來越大。為了保證玻璃鋼壓力容器的安全運行，保障人民生命和財產安全，促進行業發展，規范纖維增強塑料、石墨、塑料及其內襯等非金屬壓力容器的設計、制造、檢驗和驗收，2004年，國家技術監督總局制定發布了TSG R0001《非金屬壓力容器安全技術監察規程》(以下簡稱《非容規》)。2013年7月，國家質檢總局開始將《固定式壓力容器安全技術監察規程》(TSG R0004-2009)、《非金屬壓力容器安全技術監察規程》(TSG R0001-2004)、《超高壓容器安全技術監察規程》(TSG R0002-2005)、《簡單壓力容器安全技術監察規程》(TSG R0003-2007)、《壓力容器使用管理規則》(TSG R5002-2013)、《壓力容器定期檢驗規則》(TSG R7001-2013)和《壓力容器監督檢驗規則》(TSG R7004-2013)7個技術法規進行整合，形成新的技術規范TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》(以下簡稱《大容規》)，并于2016年2月22日發布，2016年10月1日正式實施。作為《大容規》中纖維增強塑料壓力容器部分的主要編寫人員，筆者對《大容規》中有關纖維增強塑料壓力容器部分的技術內容做出全面、詳細、透徹的解讀，以幫助相關技術人員對此部分技術要求做出正確的理解和執行。

1 總則

《大容規》僅適用于安裝在固定位置使用的壓力容器，不適用于移動式壓力容器、氣瓶和氧艙。《大容規》適用于必須同時具備以下條件的壓力容器：

a. 工作壓力大于或者等于0.1MPa；

b. 容積大于或者等于0.03m3，并且內直徑(非圓形截面指截面內邊界最大幾何尺寸)大于或者等于150mm；

c. 盛裝介質為氣體、液化氣體和介質最高工作溫度高于或者等于其標準沸點的液體。

在這里，工作壓力是指壓力容器在正常工作情況下，其頂部可能達到的最高壓力(表壓力)。容積是指壓力容器的幾何容積，即由設計圖樣標注的尺寸計算(不考慮制造公差)并圓整。一般需要扣除永久連接在壓力容器內部的內件體積。

容器內介質為最高工作溫度低于其標準沸點的液體時，如果氣相空間的容積大于或者等于0.03m3，也屬于本規程的適用范圍。

2 材料

《大容規》中材料部分的基本要求適用于纖維增強塑料壓力容器：

a. 壓力容器的選材應當考慮材料的力學性能、物理性能、工藝性能和與介質的相容性；

b. 壓力容器材料的性能、質量、規格與標志，應當符合相應材料的國家標準或者行業標準的規定；

c. 壓力容器材料制造單位應當在材料的明顯部位作出清晰、牢固的出廠鋼印標志或者采用其他可以追溯的標志；

d. 壓力容器材料制造單位應當向材料使用單位提供質量證明書，材料質量證明書的內容應當齊全、清晰并且印制可以追溯的信息化標志，加蓋材料制造單位質量檢驗章；

e. 壓力容器制造、改造、修理單位從非材料制造單位取得壓力容器材料時，應當取得材料制造單位提供的質量證明書原件或者加蓋了材料經營單位公章和經辦負責人章的復印件；

f. 壓力容器制造、改造、修理單位應當對所取得的壓力容器材料和材料質量證明書的真實性、一致性負責；

g. 非金屬壓力容器制造單位應當有可靠的方法確定原材料或者容器成型后的材料在腐蝕性工況下使用的可靠性，必要時進行試驗驗證。

3 纖維增強塑料壓力容器材料專用要求

纖維增強塑料壓力容器指的是以樹脂為基體、纖維為增強材料組成的復合材料，俗稱玻璃鋼，由于纖維增強塑料壓力容器的原材料不斷發展創新，性能不斷提高，種類也不斷增加，因此取消了纖維和樹脂的種類規定。

新增對纖維增強塑料的具體性能要求。用于壓力容器的增強材料品種日趨繁多，需對它與樹脂的適應性進行規定。新增了要求纖維材料應當與樹脂有良好的浸潤性。考慮到樹脂性能在不同溫度下的衰減速度是不一樣的，越接近樹脂的熱變形溫度，衰減速度越快，因此應當規定合理的溫度安全空間。新增了要求復驗樹脂熱變形溫度，并且熱變形溫度應高于設計溫度20℃以上。基于對纖維增強塑料壓力容器需進行二次粘接的考慮，新增了要求粘接所用材料性能不低于被粘接元件所用材料的性能。熱塑性塑料指的是以熱塑性樹脂如PVC、PP及PVDF等為主要成分，并添加各種助劑而配制成的塑料，基于對熱塑性襯里與熱固性結構層的結合強度要求，新增2.3.2.4 要求熱塑性塑料襯里與纖維增強塑料結構層的層間剪切強度不得小于5MPa。

所提出的專用技術要求，具體規定如下：

a. 纖維增強材料。用于纖維增強塑料壓力容器的纖維材料應當與樹脂有良好的浸潤性，并且滿足設計要求。制造單位應當檢測纖維最小強度，值不得小于纖維制品標稱性能的90%。

b. 樹脂基體。用于制造纖維增強塑料壓力容器的樹脂應當與設計選材一致，使用前應當復驗其熱變形溫度，值應當高于壓力容器設計溫度20℃以上。

c. 粘接材料性能要求。粘接所用材料的性能不得低于被粘接元件所用材料的性能。

d. 熱塑性塑料襯里。熱塑性塑料襯里與纖維增強塑料結構層的層間剪切強度不得小于5MPa。

4 設計

設計章節主要分通用要求、金屬制容器、非金屬制容器3部分提出技術要求。

4.1通用要求

《大容規》明確規定纖維增強塑料壓力容器不可用于盛裝毒性程度為極度或者高度危害介質和液化氣體介質。

纖維增強塑料壓力容器的設計溫度有別于其他壓力容器，在通用要求中第10條，設計溫度是指壓力容器在正常工作條件下，設定的元件溫度(沿元件截面溫度的平均值)，設計溫度與設計壓力一起作為設計載荷條件；由于纖維增強塑料熱導率較小，如采用平均壁溫則設計偏于危險，因此這里取介質的工作溫度。

另外，考慮到當大氣環境溫度對壓力容器殼體有影響時，最低設計溫度不得低于-54℃。

4.2纖維增強塑料壓力容器的設計類型

參照ASME標準的規定將設計類型按照3種型式劃分，分別采用不同的設計、制造方法和相應的實驗方法。

纖維增強塑料壓力容器的設計分為3種類型，設計者應當根據設計參數、設計方法及制造工藝等確定設計類型并且在設計文件(設計總圖)中注明：

a. Ⅰ型容器。采用手糊、噴射成型工藝制造時設計壓力不得大于1MPa，采用纏繞成型工藝制造不進行極孔包絡時設計壓力不得大于10MPa，采用纏繞成型工藝制造并進行極孔包絡時設計壓力不得大于20MPa；工作溫度不超過65℃時取設計溫度為65℃，工作溫度超過65℃時設計溫度不得超過120℃，并且所用樹脂的樹脂熱變形溫度應當高于設計溫度20℃以上。

b. Ⅱ型容器。筒體必須采用纏繞成型工藝，封頭可采用手糊、噴射或者纏繞成型；采用規則設計法時，內壓與內徑乘積不得大于2.4MPa·m，最大設計壓力不得大于1.6MPa，最大的設計內徑不得大于4.8m；采用分析設計法時或者采用規則設計法與分析設計法結合設計時，設計壓力不得大于0.6MPa，內徑不得大于4m；設計溫度不得超過120℃，并且所用樹脂的熱變形溫度應當高于設計溫度20℃以上。

c. Ⅲ型容器。必須采用纏繞成型工藝并且進行極孔包絡制造，設計壓力不得大于100MPa并且不得低于20MPa；設計溫度不得超過85℃，并且所用樹脂的樹脂熱變形溫度應當高于設計溫度20℃以上。

4.3設計方法和安全系數

根據纖維增強塑料壓力容器的3種型式，給出不同的設計方法(規則設計法、分析設計法及試驗設計法等)和最低的安全系數：

a. Ⅰ型容器。應當制作原型容器，對原型容器進行10萬次的壓力疲勞試驗，壓力波動范圍從常壓至設計壓力，疲勞試驗完成后，進行壓力試驗，試驗壓力不得小于6.00倍設計壓力，容器在試驗過程中不得滲漏、破裂。

b. Ⅱ型容器。采用規則設計法或者規則設計法與分析設計法相結合的設計方法，并且用聲發射檢測方法驗收；Ⅱ型容器設計安全系數需要考慮載荷條件、成型工藝、使用環境、溫度、預期使用年限及材料離散等因素，無法進行聲發射檢測時應當提高安全系數；采用應變控制準則設計時，設計許用應變不得大于0.1%，外壓安全系數不得小于5.0。

c. Ⅲ型容器。應當制作原型容器，根據設計條件決定是否進行疲勞試驗，疲勞試驗完成后，進行壓力試驗，采用碳纖維制造時試驗壓力不低于設計壓力的2.25倍，采用玻璃纖維制造時試驗壓力不低于設計壓力的3.50倍，容器在試驗過程中不得滲漏、破裂。

4.4鋪層設計

纖維增強塑料(玻璃鋼)的強度、剛度與其鋪層結構密切相關，其功能是由層合結構的構成決定的，應在設計過程進行詳細鋪層設計。

4.5粘接設計

纖維增強塑料壓力容器的粘接屬于二次成型，是整體結構的關鍵點，必須保證接點處的安全可靠。

4.6耐壓試驗

試驗一般采用液壓試驗，試驗介質應當為清潔水或者其他合適液體；對于不適合液壓試驗的壓力容器，可采用氣壓試驗。試驗內壓不得低于1.10倍設計內壓，試驗外壓不得低于設計外壓。Ⅱ型容器，耐壓試驗時應當進行聲發射檢測。當無法進行聲發射檢測時，試驗內壓不得低于1.25倍設計內壓，試驗外壓不得低于1.10倍設計外壓但不得大于0.1MPa。

5 制造

5.1纖維增強塑料壓力容器的制造環境要求

纖維增強塑料壓力容器的制作環境對產品的質量起著重要的作用，因此在《大容規》中對于環境溫度和濕度要求進行了規定，以便生產符合纖維增強塑料的工藝特點，保證產品質量。纖維增強塑料壓力容器的制造環境溫度不得低于10℃并且不得超過35℃，相對濕度不得大于80%，避免在陽光直射下制作。

5.2原材料的使用要求

樹脂及其助劑應當在陰涼處存放，避免受熱，超過保存期后不得使用；纖維增強塑料的原材料中樹脂的保存期較短，尤其是在受熱后更會縮短，因此提出了存放和使用要求。

嚴禁促進劑與固化劑同時加入樹脂中。不飽和聚酯樹脂和乙烯基酯樹脂常溫固化時所采用的固化劑均系過氧化物(如過氧化甲乙酮、過氧化環己酮等)，與它配套的促進劑多為鈷鹽(如環烷酸鈷等)直接混合將會發生劇烈的化學反應引起燃燒，嚴重時甚至會發生爆炸事故，危及工作人員的生命和財產安全，因此嚴禁固化劑和促進劑同時加入，二者相遇就會發生爆炸，玻璃鋼制造企業中已有多次類似的事故發生，必須引起高度重視，確保生產安全。

5.3制造工藝要求

對于纖維增強塑料壓力容器而言，內襯層主要起到防腐蝕防滲漏的作用，多采用織物噴射或手糊成型，同層織物必須保證搭接的寬度不得少于10mm，避免出現縫隙，造成滲漏隱患；結構層作為主承力結構，多采用纏繞成型，纏繞過程中的重點一方面是纏繞角必須嚴格按照設計要求，一旦纏繞角偏差過大，容器的整體力學性能將會極大改變，無法保證設計承載力，另一方面便是纏繞線型的完整，既不能重疊也不能產生間隙。

5.4原型容器

Ⅰ型和Ⅲ型纖維增強塑料壓力容器應當制作原型容器，對原型容器的各項檢驗、試驗合格后，方可進行制造。

5.5制造成型工藝

Ⅰ型和Ⅲ型纖維增強塑料壓力容器成型工藝規程應當按照制作原型容器的工藝制定；Ⅱ型纖維增強塑料壓力容器的成型和粘接工藝規程應當根據已評定合格的工藝制定。

5.6工藝評定人員要求

纖維增強塑料容器的質量穩定性很大程度上依賴于操作人員的技術水平、綜合素質，因此在《大容規》中提出對成型和粘接工藝評定人員的要求，確保評定合格的工藝符合企業的實際水平和可操作性。成型和粘接工藝評定應當由制造單位的操作人員(經過培訓考核合格，不允許借用外單位人員)按照擬定的工藝指導書進行操作、制作。

5.7制造檢查

每臺纖維增強塑料壓力容器應當進行出廠檢驗，檢驗項目包括：外觀質量、幾何尺寸(厚度、直徑、錐度及高度等)、固化度、樹脂含量、總質量和力學性能。熱塑性塑料襯里與結構層不得分層。

5.8耐壓試驗

按照設計要求進行耐壓試驗，壓力升降速度每分鐘不得超過2%的試驗壓力。

6 結論

6.1本次《大容規》的編寫充分借鑒了國外的先進技術和相關標準，同時兼顧了我國纖維增強塑料壓力容器的實際生產情況，相信必將對纖維增強塑料壓力容器的設計、制造及檢驗等起到良好的監督管理作用。

6.2纖維增強塑料壓力容器近年來得到了快速發展，但作為一種新型材料，與傳統的金屬材料制壓力容器相比差異很大，目前尚沒有與《大容規》配套的纖維增強塑料壓力容器標準，在對纖維增強塑料壓力容器進行監督檢驗時缺少必要的依據；制造企業在設計、制造、檢驗、驗收中，以及用戶在采購時，也缺少可依據的標準。因此，加快制定符合我國目前的設計和制造水平的系統完善的纖維增強塑料壓力容器標準國家標準，對規范玻璃鋼壓力容器設計、制造、檢驗意義重大。

InterpretationofTechnologiesforFiberReinforcedPlasticsPressureVesselsStipulatedinTSG21-2016SupervisionRegulationonSafetyTechnologyforStationaryPressureVessel

SANG Lin-chun1, LI Guo-shu2, YANG Yu-qing3, XIAO Li-juan1

(1.TianhuaChemicalMachineryandAutomationInstituteCo.,Ltd.,Lanzhou730060,China;2.ShijiazhuangJiyuanTechnologyCo.,Ltd.,Shijiazhuang050091,China; 3.ShanghaiSpecialEquipmentSupervisionandInspectionInstitute,Shanghai200333,China)

With the enforcement of TSG21-2016SupervisionRegulationonSafetyTechnologyforStationaryPressureVessel, both design and manufacture of fiber reinforced plastic pressure vessels has to abide by newly-issued supervision and inspection methods. For purpose of benefiting technical staves in full understanding of it, its technical contents concerned were discussed in detail.

TSG21-2016, fiber reinforced plastics, pressure vessel,interpretation

*桑臨春，男，1967年2月生，教授級高級工程師。甘肅省蘭州市，730060。

TQ050.1

A

0254-6094(2016)06-0710-04

2016-06-20)