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(shè)計院有限公司；2.石家莊開發(fā)區(qū)技源科技有限公司；3.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院)

TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中有關(guān)纖維增強塑料壓力容器技術(shù)內(nèi)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(shè)計院有限公司；2.石家莊開發(fā)區(qū)技源科技有限公司；3.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院)

隨著TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》(以下簡稱《大容規(guī)》)的頒布實施，纖維增強塑料壓力容器的設(shè)計、制造將依據(jù)新的技術(shù)法規(guī)進行監(jiān)督管理。為使相關(guān)技術(shù)人員透徹理解《大容規(guī)》中有關(guān)纖維增強塑料壓力容器的技術(shù)規(guī)定，對其中的技術(shù)細則進行了詳細解讀。

TSG21-2016 纖維增強塑料 壓力容器 內(nèi)容解讀

多年來，纖維增強塑料壓力容器以優(yōu)良的防腐蝕性能、較好的設(shè)計性能、輕質(zhì)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(huán)保等行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。截止2015年，國內(nèi)采用機械纏繞成型工藝生產(chǎn)的纖維增強塑料設(shè)備年產(chǎn)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(shè)計、制造技術(shù)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(zhì)量和承壓性能得到很大的提高，市場需求量和應(yīng)用領(lǐng)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(chǎn)安全，促進行業(yè)發(fā)展，規(guī)范纖維增強塑料、石墨、塑料及其內(nèi)襯等非金屬壓力容器的設(shè)計、制造、檢驗和驗收，2004年，國家技術(shù)監(jiān)督總局制定發(fā)布了TSG R0001《非金屬壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》(以下簡稱《非容規(guī)》)。2013年7月，國家質(zhì)檢總局開始將《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》(TSG R0004-2009)、《非金屬壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》(TSG R0001-2004)、《超高壓容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》(TSG R0002-2005)、《簡單壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》(TSG R0003-2007)、《壓力容器使用管理規(guī)則》(TSG R5002-2013)、《壓力容器定期檢驗規(guī)則》(TSG R7001-2013)和《壓力容器監(jiān)督檢驗規(guī)則》(TSG R7004-2013)7個技術(shù)法規(guī)進行整合，形成新的技術(shù)規(guī)范TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》(以下簡稱《大容規(guī)》)，并于2016年2月22日發(fā)布，2016年10月1日正式實施。作為《大容規(guī)》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(guī)》中有關(guān)纖維增強塑料壓力容器部分的技術(shù)內(nèi)容做出全面、詳細、透徹的解讀，以幫助相關(guān)技術(shù)人員對此部分技術(shù)要求做出正確的理解和執(zhí)行。

1 總則

《大容規(guī)》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?！洞笕菀?guī)》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(nèi)直徑(非圓形截面指截面內(nèi)邊界最大幾何尺寸)大于或者等于150mm；

c. 盛裝介質(zhì)為氣體、液化氣體和介質(zhì)最高工作溫度高于或者等于其標(biāo)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(shè)計圖樣標(biāo)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(nèi)部的內(nèi)件體積。

容器內(nèi)介質(zhì)為最高工作溫度低于其標(biāo)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(guī)程的適用范圍。

2 材料

《大容規(guī)》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(yīng)當(dāng)考慮材料的力學(xué)性能、物理性能、工藝性能和與介質(zhì)的相容性；

b. 壓力容器材料的性能、質(zhì)量、規(guī)格與標(biāo)志，應(yīng)當(dāng)符合相應(yīng)材料的國家標(biāo)準或者行業(yè)標(biāo)準的規(guī)定；

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

d. 壓力容器材料制造單位應(yīng)當(dāng)向材料使用單位提供質(zhì)量證明書，材料質(zhì)量證明書的內(nèi)容應(yīng)當(dāng)齊全、清晰并且印制可以追溯的信息化標(biāo)志，加蓋材料制造單位質(zhì)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(yīng)當(dāng)取得材料制造單位提供的質(zhì)量證明書原件或者加蓋了材料經(jīng)營單位公章和經(jīng)辦負責(zé)人章的復(fù)印件；

f. 壓力容器制造、改造、修理單位應(yīng)當(dāng)對所取得的壓力容器材料和材料質(zhì)量證明書的真實性、一致性負責(zé)；

g. 非金屬壓力容器制造單位應(yīng)當(dāng)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(fù)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(fā)展創(chuàng)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(guī)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(yīng)性進行規(guī)定。新增了要求纖維材料應(yīng)當(dāng)與樹脂有良好的浸潤性?？紤]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(yīng)當(dāng)規(guī)定合理的溫度安全空間。新增了要求復(fù)驗樹脂熱變形溫度，并且熱變形溫度應(yīng)高于設(shè)計溫度20℃以上?；趯w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(jié)構(gòu)層的結(jié)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(jié)構(gòu)層的層間剪切強度不得小于5MPa。

所提出的專用技術(shù)要求，具體規(guī)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(yīng)當(dāng)與樹脂有良好的浸潤性，并且滿足設(shè)計要求。制造單位應(yīng)當(dāng)檢測纖維最小強度，值不得小于纖維制品標(biāo)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(yīng)當(dāng)與設(shè)計選材一致，使用前應(yīng)當(dāng)復(fù)驗其熱變形溫度，值應(yīng)當(dāng)高于壓力容器設(shè)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(jié)構(gòu)層的層間剪切強度不得小于5MPa。

4 設(shè)計

設(shè)計章節(jié)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(shù)要求。

4.1通用要求

《大容規(guī)》明確規(guī)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(zhì)和液化氣體介質(zhì)。

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

另外，考慮到當(dāng)大氣環(huán)境溫度對壓力容器殼體有影響時，最低設(shè)計溫度不得低于-54℃。

4.2纖維增強塑料壓力容器的設(shè)計類型

參照ASME標(biāo)準的規(guī)定將設(shè)計類型按照3種型式劃分，分別采用不同的設(shè)計、制造方法和相應(yīng)的實驗方法。

纖維增強塑料壓力容器的設(shè)計分為3種類型，設(shè)計者應(yīng)當(dāng)根據(jù)設(shè)計參數(shù)、設(shè)計方法及制造工藝等確定設(shè)計類型并且在設(shè)計文件(設(shè)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(shè)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(luò)時設(shè)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(luò)時設(shè)計壓力不得大于20MPa；工作溫度不超過65℃時取設(shè)計溫度為65℃，工作溫度超過65℃時設(shè)計溫度不得超過120℃，并且所用樹脂的樹脂熱變形溫度應(yīng)當(dāng)高于設(shè)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(guī)則設(shè)計法時，內(nèi)壓與內(nèi)徑乘積不得大于2.4MPa·m，最大設(shè)計壓力不得大于1.6MPa，最大的設(shè)計內(nèi)徑不得大于4.8m；采用分析設(shè)計法時或者采用規(guī)則設(shè)計法與分析設(shè)計法結(jié)合設(shè)計時，設(shè)計壓力不得大于0.6MPa，內(nèi)徑不得大于4m；設(shè)計溫度不得超過120℃，并且所用樹脂的熱變形溫度應(yīng)當(dāng)高于設(shè)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(luò)制造，設(shè)計壓力不得大于100MPa并且不得低于20MPa；設(shè)計溫度不得超過85℃，并且所用樹脂的樹脂熱變形溫度應(yīng)當(dāng)高于設(shè)計溫度20℃以上。

4.3設(shè)計方法和安全系數(shù)

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

a. Ⅰ型容器。應(yīng)當(dāng)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(shè)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(shè)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(guī)則設(shè)計法或者規(guī)則設(shè)計法與分析設(shè)計法相結(jié)合的設(shè)計方法，并且用聲發(fā)射檢測方法驗收；Ⅱ型容器設(shè)計安全系數(shù)需要考慮載荷條件、成型工藝、使用環(huán)境、溫度、預(yù)期使用年限及材料離散等因素，無法進行聲發(fā)射檢測時應(yīng)當(dāng)提高安全系數(shù)；采用應(yīng)變控制準則設(shè)計時，設(shè)計許用應(yīng)變不得大于0.1%，外壓安全系數(shù)不得小于5.0。

c. Ⅲ型容器。應(yīng)當(dāng)制作原型容器，根據(jù)設(shè)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(shè)計壓力的2.25倍，采用玻璃纖維制造時試驗壓力不低于設(shè)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(shè)計

纖維增強塑料(玻璃鋼)的強度、剛度與其鋪層結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，其功能是由層合結(jié)構(gòu)的構(gòu)成決定的，應(yīng)在設(shè)計過程進行詳細鋪層設(shè)計。

4.5粘接設(shè)計

纖維增強塑料壓力容器的粘接屬于二次成型，是整體結(jié)構(gòu)的關(guān)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(zhì)應(yīng)當(dāng)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(nèi)壓不得低于1.10倍設(shè)計內(nèi)壓，試驗外壓不得低于設(shè)計外壓。Ⅱ型容器，耐壓試驗時應(yīng)當(dāng)進行聲發(fā)射檢測。當(dāng)無法進行聲發(fā)射檢測時，試驗內(nèi)壓不得低于1.25倍設(shè)計內(nèi)壓，試驗外壓不得低于1.10倍設(shè)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(huán)境要求

纖維增強塑料壓力容器的制作環(huán)境對產(chǎn)品的質(zhì)量起著重要的作用，因此在《大容規(guī)》中對于環(huán)境溫度和濕度要求進行了規(guī)定，以便生產(chǎn)符合纖維增強塑料的工藝特點，保證產(chǎn)品質(zhì)量。纖維增強塑料壓力容器的制造環(huán)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(yīng)當(dāng)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(huán)己酮等)，與它配套的促進劑多為鈷鹽(如環(huán)烷酸鈷等)直接混合將會發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)引起燃燒，嚴重時甚至?xí)l(fā)生爆炸事故，危及工作人員的生命和財產(chǎn)安全，因此嚴禁固化劑和促進劑同時加入，二者相遇就會發(fā)生爆炸，玻璃鋼制造企業(yè)中已有多次類似的事故發(fā)生，必須引起高度重視，確保生產(chǎn)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(nèi)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(xiàn)縫隙，造成滲漏隱患；結(jié)構(gòu)層作為主承力結(jié)構(gòu)，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(shè)計要求，一旦纏繞角偏差過大，容器的整體力學(xué)性能將會極大改變，無法保證設(shè)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(chǎn)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(yīng)當(dāng)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(guī)程應(yīng)當(dāng)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(guī)程應(yīng)當(dāng)根據(jù)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(zhì)量穩(wěn)定性很大程度上依賴于操作人員的技術(shù)水平、綜合素質(zhì)，因此在《大容規(guī)》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(yè)的實際水平和可操作性。成型和粘接工藝評定應(yīng)當(dāng)由制造單位的操作人員(經(jīng)過培訓(xùn)考核合格，不允許借用外單位人員)按照擬定的工藝指導(dǎo)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(yīng)當(dāng)進行出廠檢驗，檢驗項目包括：外觀質(zhì)量、幾何尺寸(厚度、直徑、錐度及高度等)、固化度、樹脂含量、總質(zhì)量和力學(xué)性能。熱塑性塑料襯里與結(jié)構(gòu)層不得分層。

5.8耐壓試驗

按照設(shè)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(jié)論

6.1本次《大容規(guī)》的編寫充分借鑒了國外的先進技術(shù)和相關(guān)標(biāo)準，同時兼顧了我國纖維增強塑料壓力容器的實際生產(chǎn)情況，相信必將對纖維增強塑料壓力容器的設(shè)計、制造及檢驗等起到良好的監(jiān)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(fā)展，但作為一種新型材料，與傳統(tǒng)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(guī)》配套的纖維增強塑料壓力容器標(biāo)準，在對纖維增強塑料壓力容器進行監(jiān)督檢驗時缺少必要的依據(jù)；制造企業(yè)在設(shè)計、制造、檢驗、驗收中，以及用戶在采購時，也缺少可依據(jù)的標(biāo)準。因此，加快制定符合我國目前的設(shè)計和制造水平的系統(tǒng)完善的纖維增強塑料壓力容器標(biāo)準國家標(biāo)準，對規(guī)范玻璃鋼壓力容器設(shè)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)