(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029)
隨著我國(guó)國(guó)力的增強(qiáng),人民生活水平得到提高,中國(guó)已發(fā)展成為世界最大的制冷劑生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó),氣瓶需求量急劇增長(zhǎng),由此給國(guó)內(nèi)鋼瓶制造行業(yè)帶來(lái)了發(fā)展的良機(jī)。1998年頒布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17268—1998《工業(yè)用非重復(fù)充裝焊接鋼瓶》,并于2009年進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)修訂。自GB/T 17268—2009頒布以來(lái),對(duì)該行業(yè)的規(guī)范運(yùn)行、健康發(fā)展起到極大的促進(jìn)作用。目前,全國(guó)按該標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)非重復(fù)充裝鋼瓶的企業(yè)約有15家,主要分布在浙江的金華和衢州地區(qū),各企業(yè)的生產(chǎn)線既能生產(chǎn)符合GB/T 17268要求的鋼瓶,也能生產(chǎn)符合美國(guó)DOT39、韓國(guó)KGS、日本KHK標(biāo)準(zhǔn)的非重復(fù)充裝鋼瓶。全國(guó)年產(chǎn)量從2009年約700萬(wàn)只增長(zhǎng)到2017年約2000萬(wàn)只,成為非重復(fù)充裝鋼瓶的生產(chǎn)大國(guó)。中國(guó)制造的非重復(fù)充裝鋼瓶出口到南北美洲、中東、非洲、亞洲等大部分地區(qū)。但隨著冶金行業(yè)和致冷劑氣體工業(yè)的發(fā)展,標(biāo)準(zhǔn)修訂不及時(shí)的問(wèn)題也暴露出來(lái),限制了行業(yè)的發(fā)展。
制冷劑是在制冷機(jī)中完成熱力循環(huán)的工質(zhì),在低溫下吸取被冷卻物體的熱量,然后在較高溫度下轉(zhuǎn)移給冷卻水或空氣。隨著《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書(shū)》[2]及《京都議定書(shū)》[3]的確定,為了控制臭氧層破壞及控制溫室效應(yīng)等環(huán)保要求,制冷劑生產(chǎn)廠家不斷向天然制冷劑方向研發(fā),至今已有四代產(chǎn)品。隨著新型制冷劑的問(wèn)世,一些環(huán)保型制冷劑的介質(zhì)參數(shù)也發(fā)生變化,如60℃下介質(zhì)的飽和蒸氣壓提高。
2015年9月,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/TC 58/SC3修訂并發(fā)布了ISO 11118:2015《氣瓶——非重復(fù)充裝金屬氣瓶規(guī)范和試驗(yàn)方法》,相比該標(biāo)準(zhǔn)的1999版,2015版主要變化有:
1)在適用介質(zhì)中去掉了溶解氣體;氣瓶的使用環(huán)境溫度由1999版的“全世界極端環(huán)境溫度”修訂為“最低環(huán)境溫度不低于-20℃”;
2)對(duì)氣瓶的適用壓力范圍進(jìn)行了調(diào)整,充裝液化氣體時(shí)Ph≤250bar,充裝壓縮氣體時(shí)Ph≤450bar;(Ph為氣瓶試驗(yàn)壓力);
3)強(qiáng)度計(jì)算公式中的F,取值從1變?yōu)椤?.85;剛度公式做了改變,鐵基材料S≥Do/650+0.5調(diào)整為S≥Do/650+0.4;
4)環(huán)焊縫焊接接頭形式中取消了搭接結(jié)構(gòu);
5)對(duì)水壓爆破試驗(yàn)瓶增加了采用人工時(shí)效處理方法,對(duì)保溫溫度和保溫時(shí)間做了明確規(guī)定:100℃保溫1h,120℃保溫15min或150℃保溫2.5min;
6)水壓爆破試驗(yàn)爆破壓力合格標(biāo)準(zhǔn)降低:由大于等于2倍Ph值修改為大于等于1.6倍Ph值;對(duì)爆破試驗(yàn)瓶增加了外觀檢查,不得有拉伸應(yīng)變痕;
7)增加了附錄D屈服點(diǎn)延伸,以協(xié)助該標(biāo)準(zhǔn)的使用者更清晰的理解材料出現(xiàn)屈服點(diǎn)延伸現(xiàn)象的原因、特征、危害。
GB/T 17268—2009《工業(yè)用非重復(fù)充裝焊接鋼瓶》 是在對(duì)比了ISO 11118:1999,Gas cylinders—Non-refillable metallic gas cylinders—Specification and test methods和美國(guó)聯(lián)邦管理?xiàng)l例49卷178.65(DOT-39 非重復(fù)充裝氣瓶)[5]的基礎(chǔ)上刪減了釬焊結(jié)構(gòu)、無(wú)縫結(jié)構(gòu)和鋁合金結(jié)構(gòu)等內(nèi)容,將充裝介質(zhì)限定在毒性按GB/T 7778劃為A類制冷劑(限低壓液化氣體)的基礎(chǔ)上起草制定的。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)的適用范圍遠(yuǎn)小于這些國(guó)外標(biāo)準(zhǔn),因此難以實(shí)現(xiàn)等效采用,但在該標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍內(nèi),已經(jīng)達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。這可以從我國(guó)氣瓶生產(chǎn)廠同一條氣瓶生產(chǎn)流水線可生產(chǎn)不同國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的氣瓶并在國(guó)際市場(chǎng)擁有強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)力方面得以佐證。綜合GB/T 17268—2009在我國(guó)的實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀,以及與ISO 11118:2015及DOT39的對(duì)比,在合理可行的基礎(chǔ)上,有必要對(duì)GB/T 17268—2009進(jìn)行修訂。
符合ISO 11118:2015標(biāo)準(zhǔn)的氣瓶產(chǎn)品可以充裝試驗(yàn)壓力Ph低于25MPa的液化氣體和試驗(yàn)壓力Ph低于45MPa的壓縮氣體;并從安全考慮,限制了Ph·V≤100MPa·L;并將Ph>35bar、V≤5L放寬至Ph>45bar、V≤ 5L。
DOT39標(biāo)準(zhǔn)限制范圍為:在設(shè)計(jì)壓力低于 625psig(4.31MPa), 也即工作壓力低于500psig(3.45MPa)時(shí), 鋼瓶的容積最大可為55lbs(24.9L); 在設(shè)計(jì)壓力大于4.31MPa時(shí),水容積為10lbs(4.5L)。設(shè)計(jì)壓力為介質(zhì)在環(huán)境溫度54.4℃時(shí)的飽和蒸氣壓力,工作壓力為介質(zhì)在環(huán)境溫度21.1℃時(shí)的飽和蒸氣壓力,工作壓力不得超過(guò)設(shè)計(jì)壓力的80%。最小試驗(yàn)壓力PT取介質(zhì)在55℃下的最大壓力或1.2MPa二者中較高者。
GB/T 17268—2009規(guī)定:適用于在環(huán)境溫度-40℃~60℃下使用的,試驗(yàn)壓力PT≤6.2MPa(表壓)、容積V≤25L(當(dāng)PT>3.5MPa時(shí),V≤5L),非重復(fù)充裝毒性按GB/T 7778劃為A類制冷劑(限低壓液化氣體)的鋼瓶。
試驗(yàn)壓力為鋼瓶所充介質(zhì)在60℃時(shí)的飽和蒸汽壓與2.3 MPa二者中之大值。
隨著HFC類致冷劑的廣泛使用后,以第三代制冷劑R410A、R32為例:
表1 制冷劑飽和蒸氣壓
從表1可以看出,如果要充裝R410A、R32這類的制冷劑,采用 ISO 11118:2015、DOT39標(biāo)準(zhǔn)的氣瓶均可以使用V大于5L的氣瓶,而采用GB/T 17268—2009氣瓶,則受到標(biāo)準(zhǔn)條款“當(dāng)PT>3.5MPa時(shí),V≤5L”的限制。由于氣瓶的常用規(guī)格按照集裝箱尺寸設(shè)計(jì),國(guó)際通用規(guī)格為水容積13.4L、22.3L,因此用GB/T 17268—2009氣瓶充裝R410A、R32類制冷劑,極大提高了物料的噸包裝成本,缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
建議修訂GB/T 17268—2009標(biāo)準(zhǔn)時(shí),采用與ISO 11118:2015標(biāo)準(zhǔn)一樣的規(guī)定,將“PT>3.5MPa時(shí),V≤5L”修改為“PT>4.5MPa時(shí),V≤5L”。同時(shí)從安全管理的角度,規(guī)定PTV≤100MPa·L,限制該類鋼瓶發(fā)生事故后可能產(chǎn)生危害的最大能量。經(jīng)統(tǒng)計(jì)比對(duì),目前已知制冷劑最大的PTV值約為62MPa·L。
●3.2.1 瓶體材料深沖壓要求
1)ISO 11118—2015標(biāo)準(zhǔn)對(duì)材料的要求:
用于氣瓶瓶體制造的鋼材須采用電爐或氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉,采用鋁或硅脫氧的無(wú)時(shí)效性充分鎮(zhèn)靜鋼。
用于冷深拉成形的無(wú)縫、焊接或釬焊鋼瓶瓶體的碳鋼具有無(wú)時(shí)效性,使用時(shí)無(wú)拉伸應(yīng)變痕,采用鋁或硅脫氧的充分鎮(zhèn)靜。
對(duì)冷拉深成形的焊接或釬焊氣瓶用的碳鋼具有無(wú)時(shí)效性,并滿足化學(xué)成分的要求:C≤0.12,Mn ≤ 0.50, P ≤ 0.025, S≤ 0.025。
附錄D 屈服平臺(tái),對(duì)材料出現(xiàn)屈服平臺(tái)現(xiàn)象的原因、特征、危害進(jìn)行了闡述。
2)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DOT39的材料要求:
化學(xué)成分C≤0.12, P≤0.04, S≤0.05。
對(duì)不進(jìn)行熱處理的DOT39鋼瓶,在進(jìn)行化學(xué)成分要求的同時(shí),要求使用充分鎮(zhèn)靜鋼,且符合深拉伸質(zhì)量的鋼材。冷軋薄板相對(duì)熱軋板,具有優(yōu)異的拉伸性能。
3)GB/T 17268—2009規(guī)定:鋼瓶瓶體材料應(yīng)采用深沖壓完全鎮(zhèn)靜鋼,具有良好的焊接性能?;瘜W(xué)成分 C ≤ 0.12, P ≤ 0.025, S ≤0.020。
對(duì)比上面三個(gè)標(biāo)準(zhǔn),可以看出對(duì)瓶體材料的要求相近。但瓶體采用的冷軋板,國(guó)內(nèi)對(duì)應(yīng)材料標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 5213《冷軋低碳鋼板及鋼帶》[6]。在GB/T 5213中,規(guī)定DC04適合深沖用,DC01適合一般用途;而國(guó)內(nèi)各制造廠在制造DOT氣瓶時(shí)均采用DC01,也通過(guò)了DOT的檢驗(yàn),出口的千萬(wàn)只氣瓶未發(fā)生安全事故,可見(jiàn)冶金行業(yè)的深沖與氣瓶行業(yè)的深拉伸控制尺度不一樣。這就造成氣瓶制造廠在做DOT氣瓶時(shí)采用DC01,做國(guó)內(nèi)產(chǎn)品尤其是換證時(shí)采用DC04。DC04價(jià)格比DC01高,造成了國(guó)內(nèi)產(chǎn)品材料成本比國(guó)外產(chǎn)品高,同時(shí)制造廠生產(chǎn)中需要使用兩種牌號(hào)材料,也不利于批量生產(chǎn)管理。
建議GB/T 17268—2009修訂時(shí)去除瓶體板材深沖壓要求,按照ISO 11118—2015標(biāo)準(zhǔn)改為“采用電爐或轉(zhuǎn)爐冶煉的鎮(zhèn)靜鋼,并具有良好的壓延和焊接性能?!?/p>
●3.2.2 瓶體材料化學(xué)成分要求
Mn能輕微增加鐵素體的強(qiáng)度,是控制鋼的強(qiáng)度和硫化物析出的重要手段。材料冶煉時(shí)采用Al脫氧,有利于減小鋼的時(shí)效性,提升材料的沖擊韌性,提高安全性。GB/T 5213標(biāo)準(zhǔn)對(duì)材料化學(xué)成分有Al元素的要求。
建議瓶體材料化學(xué)成分按照ISO 11118—2015標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定增加Mn元素的要求,同時(shí)按照GB/T 5213增加Al的要求。
●3.2.3 屈服點(diǎn)延伸(YPE)
根據(jù)ISO 11118—2015 附錄D,具有YPE的冷軋板拉伸時(shí)形成拉伸應(yīng)變痕,成因是材料具有YPE特征引起的。
1)在力學(xué)性能拉伸曲線中的表現(xiàn)。
圖1 具有YPE特征的應(yīng)力應(yīng)變曲線
圖2 無(wú)YPE特征的應(yīng)力應(yīng)變曲線
在力學(xué)性能拉伸試驗(yàn)的曲線上,可明顯的觀察到:具有YPE特征的冷軋板的應(yīng)力應(yīng)變曲線具有屈服平臺(tái);而無(wú)YPE特征的應(yīng)力應(yīng)變曲線沒(méi)有屈服平臺(tái),曲線平滑過(guò)渡。YPE特征可以通過(guò)檢查材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線來(lái)確定。
2)具有YPE特征的冷軋板瓶體拉深后的表面特征。
YPE是冷軋板在塑性流動(dòng)開(kāi)始后在近似恒定載荷下發(fā)生的不連續(xù)屈服延伸。在呈現(xiàn)屈服點(diǎn)的冷軋板材料中,YPE是試樣在不連續(xù)屈服開(kāi)始時(shí)和結(jié)束時(shí)的伸長(zhǎng)之差(即應(yīng)變?cè)黾佣鴳?yīng)力不增加的區(qū)域)。無(wú)YPE特征的冷軋板材料拉伸應(yīng)變曲線中屈服現(xiàn)象不明顯。冷軋板中的YPE特征通常與板材退火后沒(méi)有足夠的平整有關(guān),連續(xù)退火的鋼比間歇退火的材料更容易受到Y(jié)PE的影響。為了消除YPE,冷軋鋼退火后應(yīng)進(jìn)行平整軋制(通常大于1.5%),平整軋制通常是生產(chǎn)冷軋鋼的制造過(guò)程的最后一步。
圖3 水壓爆破試驗(yàn)
具有YPE特征的冷軋板在瓶體拉伸變形、爆破過(guò)程中會(huì)呈現(xiàn)出拉伸應(yīng)變痕。拉伸應(yīng)變痕的存在會(huì)造成未進(jìn)行退火的氣瓶瓶體厚度減薄,應(yīng)力集中、削弱瓶體的強(qiáng)度,造成在低于爆破片爆破壓力下鋼瓶意外破裂,存在安全隱患。所以需對(duì)拉伸應(yīng)變痕進(jìn)行控制。
按照GB/T 5213的規(guī)定,只有DC06以上牌號(hào)才能保證無(wú)拉伸應(yīng)變痕,DC01、DC04均有時(shí)效性,這樣就給氣瓶制造廠在材料使用時(shí)造成困難。出于成本考慮,制造廠不會(huì)采用DC06以上的鋼板,而使用前的有時(shí)效性鋼板從軋制時(shí)間到采購(gòu)、倉(cāng)儲(chǔ)等環(huán)節(jié)如何能保證板材無(wú)YPE現(xiàn)象?為此有制造廠做了大量的試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在使用前對(duì)板材進(jìn)行力學(xué)性能復(fù)驗(yàn),并記錄拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線,通過(guò)應(yīng)力—應(yīng)變曲線是否平滑過(guò)渡來(lái)事先判定將投料材料是否具有YPE特征,進(jìn)而保證鋼瓶質(zhì)量的方法是有效可行的。
GB/T 17268—2009對(duì)材料復(fù)驗(yàn)僅規(guī)定按爐進(jìn)行化學(xué)成分復(fù)驗(yàn),因此建議增加瓶體板材按批進(jìn)行力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)的要求,通過(guò)拉伸試驗(yàn)檢驗(yàn)板材的符合性及控制時(shí)效性。
●3.3.1 ISO 11118—2015在設(shè)計(jì)中的變化
1)強(qiáng)度公式不變,以第四強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)。但式中參數(shù)取值變化。
式中:
D——外徑,mm;
F——試驗(yàn)壓力下的壁應(yīng)力與保證的最小屈服應(yīng)力之比,反映了氣瓶的應(yīng)力水平。(該定義解釋見(jiàn)EN 12205—2001《可運(yùn)輸氣瓶—金屬非重復(fù)氣瓶》[7]);
Ph——試驗(yàn)壓力,bar(表壓);
Reg——鋼瓶瓶體屈服強(qiáng)度的最小保證值,MPa;
F取值從1變?yōu)椤?.85,主要考慮了ISO標(biāo)準(zhǔn)與歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 12205的一致。
2)剛度公式變化。
鐵基材料S≥Do/650+0.5 調(diào)整為S≥Do/650+0.4:
3)水壓爆破試驗(yàn)壓力合格標(biāo)準(zhǔn)降低:水壓爆破試驗(yàn)值大于等于1.6倍Ph值。ISO標(biāo)準(zhǔn)的安全系數(shù)進(jìn)行調(diào)整:爆破安全系數(shù)Pb/Ph從2調(diào)整為1.6;屈服強(qiáng)度的安全系數(shù)從1調(diào)整為至少1.17。ISO標(biāo)準(zhǔn)變化后,則設(shè)計(jì)厚度取值按強(qiáng)度公式確定。設(shè)計(jì)思路是設(shè)計(jì)厚度符合強(qiáng)度的要求即可。在原材料確保拉伸質(zhì)量和安全裕量的前提下,充分發(fā)揮材料拉伸后的力學(xué)性能。經(jīng)測(cè)算,采用該公式瓶體的壁厚有所減薄。
●3.3.2 美國(guó)DOT39設(shè)計(jì)計(jì)算公式:
DOT39 的 計(jì) 算 公式 為σ=PT(1.3D2+0.4d2)/(D2-d2),強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式以第二強(qiáng)度理論為基礎(chǔ),計(jì)算當(dāng)量壁應(yīng)力,要求其值不超過(guò)材料的最小保證屈服強(qiáng)度值。其爆破安全系數(shù)是2。
DOT39氣瓶設(shè)計(jì)壁厚按照第二強(qiáng)度理論換算的壁厚計(jì)算公式:
未考慮進(jìn)行剛度計(jì)算,將設(shè)計(jì)壁厚計(jì)算值直接作為氣瓶的設(shè)計(jì)壁厚。
●3.3.3 GB/T 17268 的設(shè)計(jì)計(jì)算公式
GB/T 17268—2009和ISO 11118—2015標(biāo)準(zhǔn)采用的設(shè)計(jì)計(jì)算公式一致,設(shè)計(jì)厚度取強(qiáng)度公式和剛度公式的計(jì)算最大值。區(qū)別在于:一是ISO采用外徑的計(jì)算公式;GB/T 17268采用內(nèi)徑的計(jì)算公式;二是確定許用應(yīng)力[σ]的安全系數(shù)的取值不同。
GB/T 17268—2009標(biāo)準(zhǔn)的安全系數(shù):爆破安全系數(shù)Pb/Ph為2;屈服強(qiáng)度的安全系數(shù)為1.3。相對(duì)于ISO 11118—2015 中的F=0.77, 符合F≤0.85的要求。
建議GB/T 17268修訂時(shí)不按照ISO 11118—2015調(diào)整安全系數(shù)。原因:一是國(guó)內(nèi)有的生產(chǎn)企業(yè)主體責(zé)任意識(shí)淡薄,自律不強(qiáng),材料控制、拉伸工藝等水平不高,產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性較差,安全得不到有效保障;二是考慮若爆破壓力采納1.6倍的安全系數(shù),若爆破片的質(zhì)量及焊接質(zhì)量控制不佳,會(huì)產(chǎn)生鋼瓶爆開(kāi)而安全裝置未起作用的風(fēng)險(xiǎn);三是目前如美國(guó)、日本等國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的爆破安全系數(shù)都為2,中國(guó)企業(yè)在生產(chǎn)一次性鋼瓶時(shí),最佳的模式是同條生產(chǎn)線,同種材料、安全泄放部件及生產(chǎn)工藝條件下,生產(chǎn)的鋼瓶在能符合GB/T 17268要求的同時(shí),也能滿足國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的要求。
ISO 11118—2015標(biāo)準(zhǔn)增加了樣瓶在水壓爆破試驗(yàn)前,須按下列要求進(jìn)行人工時(shí)效處理:
1)時(shí)效溫度100℃,至少恒溫1h;
2) 時(shí)效溫度120℃,至少恒溫15min;
3) 時(shí)效溫度150℃,至少恒溫2.5min。
并規(guī)定水壓爆破試驗(yàn)后的鋼瓶,不得有拉伸應(yīng)變痕。
人工時(shí)效處理目的是對(duì)YPE現(xiàn)象的控制及其危害的預(yù)判。時(shí)效性材料在長(zhǎng)期使用狀態(tài)下,因存在間隙原子如C、N、O,可能會(huì)導(dǎo)致材料性能的變化,如強(qiáng)度、硬度隨時(shí)間推移而增大,而塑性則有所下降。而此處的時(shí)效處理的作用(時(shí)效溫度與時(shí)間的配合下),雖不能有效消除冷作硬化與焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力,但可以通過(guò)溫度的作用,來(lái)評(píng)估鋼瓶長(zhǎng)期使用后是否存在時(shí)效性。
建議GB/T 17268—2009修訂時(shí),此項(xiàng)規(guī)定與ISO 11118—2015一致,增加水壓爆破后的外觀檢查,如有拉伸應(yīng)變痕則該批鋼瓶不合格,保證產(chǎn)品的安全質(zhì)量。
為貫徹TSG 07—2019《特種設(shè)備生產(chǎn)及和充裝單位許可規(guī)則》[8]《國(guó)務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)事中事后監(jiān)管的指導(dǎo)意見(jiàn)》(國(guó)發(fā)〔2019〕18號(hào))和《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于加快推進(jìn)重要產(chǎn)品追溯體系建設(shè)的意見(jiàn)》(國(guó)辦發(fā)〔2015〕95號(hào))的要求,以落實(shí)氣瓶制造單位、充裝單位、檢驗(yàn)單位追溯管理責(zé)任為基礎(chǔ),提升氣瓶質(zhì)量安全與公共安全為目標(biāo),統(tǒng)一追溯標(biāo)準(zhǔn),強(qiáng)化信息互通共享,提高監(jiān)管效能,實(shí)現(xiàn)氣瓶來(lái)源可查、流向可追、責(zé)任可究的體系。
建議GB/T 17268—2009修訂時(shí),應(yīng)增加對(duì)每批氣瓶電子合格證上傳到信息平臺(tái)的內(nèi)容,通過(guò)二維碼及電子合格證使每只非重復(fù)充裝鋼瓶的制造、充裝信息達(dá)到可追溯的目的。