郭淑芬，宋新海，劉玉紅,冀建平

DOT和ISO11120兩種標(biāo)準(zhǔn)體系關(guān)于氣瓶壁厚計(jì)算的探討

郭淑芬1，宋新海1，劉玉紅1,冀建平2

(1.石家莊安瑞科氣體機(jī)械有限公司，石家莊 051430；2.河北天山實(shí)業(yè)集團(tuán)，石家莊 050000)

主要針對DOT和ISO11120兩種標(biāo)準(zhǔn)體系關(guān)于氣瓶壁厚計(jì)算公式的推導(dǎo)進(jìn)行了論述，并且從計(jì)算壓力和工作壓力的關(guān)系以及材料的機(jī)械性能方面討論了計(jì)算壓力和瓶壁應(yīng)力對氣瓶壁厚的影響。結(jié)果表明，對于DOT氣瓶，通過增加強(qiáng)度來減薄壁厚是徒勞的，對于ISO11120氣瓶，可以通過提高強(qiáng)度來減薄壁厚。

瓶壁應(yīng)力；壁厚；計(jì)算壓力

目前依據(jù)DOT和ISO標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的氣瓶在出口氣瓶中占有較大比例，很多設(shè)計(jì)者對兩種標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別理解并不是很透徹，所以在選擇標(biāo)準(zhǔn)或者設(shè)計(jì)雙標(biāo)的氣瓶時會比較困惑。本文通過壁厚公式的推導(dǎo)和對壁厚的影響因素的分析，從源頭上解釋了兩種標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別。

隨著工業(yè)氣體的發(fā)展和氣體生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，在國外工業(yè)氣體比較發(fā)達(dá)的國家，異地之間的氣體的運(yùn)輸普遍使用的方式是通過介于管網(wǎng)和小氣瓶之間的長管拖車或集裝管束[1]。目前常用的出口長管拖車或集裝管束所用的氣瓶多為DOT或ISO標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的。本文主要介紹了兩種標(biāo)準(zhǔn)對壁厚的規(guī)定以及影響壁厚的因素。

1 兩種標(biāo)準(zhǔn)體系壁厚公式的推導(dǎo)

1.1 DOT體系壁厚計(jì)算公式

DOT體系壁厚計(jì)算公式采用Bach公式[2]，該公式是由拉美應(yīng)力解和第二強(qiáng)度理論聯(lián)合導(dǎo)出。計(jì)算過程如下：

拉美應(yīng)力解中的三個主應(yīng)力分別為:

(1)[3]

式中，σ1，σ2，σ3為3個主應(yīng)力，P為壓力，K為徑比，D為外徑，d為內(nèi)徑。

應(yīng)用第二強(qiáng)度理論，其等效應(yīng)力的計(jì)算為：

σr=σ1-μ(σ2+σ3)

(2)

式中，σr為等效應(yīng)力；μ為泊松比，對于碳鋼，μ=0.3。

將公式(2)代入公式(1)得:

σr=σ1-0.3×(σ2+σ3)

(3)

(4)

式中，σr相當(dāng)于DOT標(biāo)準(zhǔn)中的瓶壁應(yīng)力S，49CFR§178.37《3AA和3AAX無縫鋼瓶規(guī)范》中規(guī)定瓶壁應(yīng)力不能超過鋼材最小保證拉伸強(qiáng)度的67%，且不得超過70 000 psi(483 MPa)，49CFR§178.45《3T無縫鋼瓶規(guī)范》規(guī)定瓶壁應(yīng)力不能超過鋼材最小保證拉伸強(qiáng)度的67%，且不得大于90 500 psi(624 MPa)。即

(4-1)

d=D-2t

(5)

式中，t為氣瓶的壁厚。

將公式(5)代入公式(4)，得到

簡化得：

(1.6P+4S)t2-(1.6PD+4SD)t+1.7PD2=0

求解關(guān)于t的方程簡化得到

(6)[4]

1.2 ISO11120體系壁厚計(jì)算公式

ISO11120采用的是修正的Von-Mises公式，該公式是由拉美應(yīng)力解和第四強(qiáng)度理論聯(lián)合導(dǎo)出。計(jì)算過程如下：

第四強(qiáng)度理論為

(7)

將公式(1)代入公式(7)得到

(8)

在ISO11120標(biāo)準(zhǔn)中，等效壁應(yīng)力

(9)

式中，F(xiàn)為設(shè)計(jì)應(yīng)力系數(shù)，Reg為屈服強(qiáng)度。

將公式(9)代入公式(7)，得到

(10)[5]

2 兩種標(biāo)準(zhǔn)體系壁厚影響因素討論

2.1 計(jì)算壓力

通過公式(6)和公式(10)可以看出氣瓶壁厚與計(jì)算壓力有關(guān)系。與一般的固定式壓力容器設(shè)計(jì)不同，各國氣瓶設(shè)計(jì)的計(jì)算壓力一般都取水壓試驗(yàn)壓力，也就是說在氣瓶的正常使用過程中，氣瓶的最大瓶壁應(yīng)力不能超過水壓試驗(yàn)壓力時的瓶壁應(yīng)力。ISO規(guī)定水壓試驗(yàn)壓力是工作壓力的1.5倍，DOT規(guī)定水壓試驗(yàn)壓力是工作壓力的5/3倍。在實(shí)際使用過程中，充裝壓力不能超過工作壓力，通過這兩個系數(shù)我們可以得出，DOT體系的氣瓶比ISO的安全裕量大。

2.2 壁應(yīng)力

通過公式(6)和公式(10)可以看出氣瓶壁厚與壁應(yīng)力有關(guān)系。在不同的標(biāo)準(zhǔn)體系中，壁應(yīng)力的影響因素不同，為了便于理解，以下的解釋以4130X材料為例討論壁應(yīng)力的影響因素。

2.2.1 ISO11120體系的壁應(yīng)力

在ISO體系中關(guān)于壁厚的計(jì)算有第7節(jié)和第12節(jié)，以下以第12節(jié)(關(guān)于盛裝氫脆介質(zhì)設(shè)計(jì))為例進(jìn)行討論。

壁應(yīng)力計(jì)算公式為σr=10FReg，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：

(11)

式中，Rmmax≤890 MPa時，f=0.65，Rmmax≥890 MPa時，f=0.61；并且Reg/Rmg≤0.85，Rmmax-Rmg≥100 MPa。

公式(11)中，f為設(shè)計(jì)應(yīng)力系數(shù)常數(shù)，Reg為最小保證屈服強(qiáng)度，Rmg為最小保證拉伸強(qiáng)度，Rmmax為最大保證拉伸強(qiáng)度。

4130X材料的最大抗拉強(qiáng)度為Rmmax=950 MPa，為了保證氣瓶的合格率，一般取110 MPa的強(qiáng)度區(qū)間，所以最小保證拉伸強(qiáng)度為Rmg=840 MPa。

1.當(dāng)Rmmax≤890 MPa時，

第2種等效壁應(yīng)力最大，所以優(yōu)先選取第2種，Reg≥642.35 MPa。

2.當(dāng)890

第2種等效壁應(yīng)力最大，所以優(yōu)化選取第2種，Reg≥638.7 MPa。

通過上述論述可以得出，不管強(qiáng)度處于哪個區(qū)間，等效壁應(yīng)力最大時，

(12)

從計(jì)算式(12)中可以看出，等效壁應(yīng)力的大小只與抗拉強(qiáng)度有關(guān)。

2.2.2 DOT體系的壁應(yīng)力

當(dāng)選用4130X時，需要按照§178.37進(jìn)行設(shè)計(jì)。DOT規(guī)定瓶壁上的瓶壁應(yīng)力不得超過力學(xué)試驗(yàn)確定的鋼材最低抗拉強(qiáng)度的67%，且不得超過70 000 psi (483 MPa)。從該條規(guī)定可以看出，瓶壁應(yīng)力與材料的抗拉強(qiáng)度有關(guān)，但是由于規(guī)定了上限值，所以限制了通過提高材料的強(qiáng)度來增加瓶壁應(yīng)力。`

3 實(shí) 例

為了對2個公式進(jìn)行比較，可以將公式中的參數(shù)定位同一值，結(jié)果見表1。

但是在實(shí)際設(shè)計(jì)中，用戶條件給出的是工作壓力，而且不同設(shè)計(jì)體系的瓶壁應(yīng)力取值不同，以4142為例進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

4 結(jié) 論

1.從表1可以看出，單獨(dú)分析公式(6)和公式(10)，在等效壁應(yīng)力和計(jì)算壓力一定的情況下，DOT體系算出的壁厚比ISO體系的壁厚薄。

2.兩種體系中計(jì)算壓力和工作壓力的關(guān)系可以看出，ISO體系采用較低的計(jì)算壓力。

3.通過兩種體系壁應(yīng)力的對比可以看出，DOT體系中壁應(yīng)力不能無限制增大，壁應(yīng)力是有上限值的，即采取增大強(qiáng)度來減小壁厚是徒勞的。ISO體系中壁應(yīng)力和材料的抗拉強(qiáng)度有關(guān)系，該體系對壁應(yīng)力沒有限制，所以可以采用增大強(qiáng)度來減小壁厚。

4.從表2可以看出，由于計(jì)算壓力和瓶壁應(yīng)力的不同，最終使得ISO體系的壁厚比DOT的壁厚要薄。

綜上所述，雖然ISO體系的公式比DOT公式的計(jì)算壁厚大，但是由于ISO采用了低的計(jì)算壓力和較高的壁應(yīng)力，從而使最終ISO體系的壁厚比DOT體系壁厚薄。

表1 公式比較Table 1 Formula comparison

表2 體系比較Table 2 System comparison

[1] 王洪海.DOT-3AAX氣瓶及其運(yùn)輸設(shè)備的安全設(shè)計(jì)[J].化工設(shè)備與管道，2000,37(1): 10-14.

[2] 秋長鋆.管式拖車氣瓶壁厚計(jì)算—拖車氣瓶介紹之二[J].中國鍋爐壓力容器安全，1999,16(3): 28-29.

[3] 鄭津洋，董其伍，桑芝富，等.過程設(shè)備設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[4] DOT 49CFR§178.37 3AA和3AAX無縫鋼瓶規(guī)范(2016版)[S].

[5] ISO11120 氣瓶—水容積為150～3000 L的可重復(fù)使用的無縫氣瓶的設(shè)計(jì)、構(gòu)造和試驗(yàn)(2015)[S].

Discussion on the Calculation of Cylinder Wall Thickness By DOT and ISO11120 Standard System

GUO Shufen1,SONG Xinhai1,LIU Yuhong1，JI Jianping2

(1.Shijiazhuang ENRIC Gas Equipment Co.,Ltd.,Shijiazhuang 051430,China; 2.Hebei Tianshan Co.,Ltd.,Shijiazhuang 050000,China)

In this paper,formula derivation of DOT and ISO was discussed,and the effects of calculation pressure and wall stress on wall thickness were introduced from the relation between calculation pressure and fillable pressure and the mechanical properties.It was shown that it is useless to reduce wall thickness by increasing strength for DOT cylinder and the wall thickness of ISO11120cylinder can be reduced by increasing strength.

wall stress; wall thickness;calculation pressure

2017-04-27

TH49

A

1007-7804(2017)04-0005-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2017.04.002

郭淑芬(1986)，女，碩士，工程師，主要從事壓力容器的設(shè)計(jì)工作。