船用低壓空氣瓶圓筒強度計算及驗收試驗探討

毛小飛 韋文鑫 張建云 黃 希

（1.中航虹波風電設備有限公司 南通226371；

2.南通大學 機械工程學院 南通 226019）

0 引 言

生產船用空氣瓶的制造廠必須獲得船級社的工廠認可及圖紙審批。各船級社對船用空氣瓶的持證要求及產品檢驗比較嚴格，如CCS《鋼質海船入級規范 2009》（以下簡稱“CCS《海規》”）規定：空氣瓶0.7 MPa或0.25 m3以上，出廠需有船檢證書（或等效證明文件），制造廠還需持有工廠認可。因此在提交船級社審批圖紙及技術文件時，技術人員必須具備扎實的壓力容器知識，除了要熟悉各船級社空氣瓶規范相關技術要求，還需要對船級社規范以外的重要技術有所了解。

1 分 級

船用空氣瓶分級與設計壓力p（MPa）、筒體壁厚 δ（mm）、筒體溫度 t（℃）和氣瓶容積 V（L）有關。

·CCS《海規》分級［2］

Ⅰ級的范圍：設計壓力p＞4，或筒體壁厚δ＞40，或筒體溫度 t＞350；

Ⅱ級的范圍：設計壓力4≥p＞1.57，或筒體壁厚40≥δ＞16，或筒體溫度 350≥t＞150；

Ⅲ級的范圍：不是Ⅰ、Ⅱ級的所有空氣瓶。

·GL《2010年船舶入級與建造規范》（以下簡稱“GL 規范”）中的分級［3］

Ⅰ級的范圍：p＞1.6，或 t＞300；

Ⅱ級的范圍：p≤1.6，或 t≤300；

Ⅲ級的范圍：p≤0.7，或 t≤170。

·BV《2007年鋼船分類規則》（以下簡稱“BV規范”）中的分級［4］

Ⅰ級的范圍：p＞100，或 pV＞300；

Ⅱ級的范圍：V＞1和pV＞100和不在Ⅰ級的空氣瓶；

Ⅲ級的范圍：不是Ⅰ、Ⅱ級的所有空氣瓶。

2 設計壓力的確定

設計壓力被制造廠家用于決定筒體壁厚最小尺寸的計算和校核依據，與相應的設計溫度一起作為氣瓶設計載荷條件。如果運行或試驗中充填時引起液柱靜壓，導致氣瓶壁上的載荷增加≥5%，則應予以考慮［5］。

TSG R0004-09《固定式壓力容器安全技術監察規程容規》（以下簡稱“容規”）中規定［6］：裝有超壓泄放裝置的壓力容器，超壓泄放裝置的動作壓力不得高于壓力容器的設計壓力。對于設計圖樣中注明最高允許工作壓力的壓力容器，允許超壓泄放裝置的動作壓力不高于該壓力容器的最高允許工作壓力。

GB 150-2011《壓力容器》中規定，壓力容器裝有安全閥時

（1）根據容器的工作壓力pw，確定安全閥的開啟壓力 pz。 取 pz≤（1.1～1.05）pw；當 pz＜0.18 MPa 時，可適當提高pz相對于pw的比值。

（2）取容器的設計壓力p等于或稍大于開啟壓力 pz，即 p≥pz。

CCS《海規》規定：設計壓力不小于任一安全閥的最高設定壓力。

“BV規范”規定：在正常運行工況下保護壓力容器的安全設備，安全閥應在壓力超過5%最大工作壓力前動作。

所以，當空氣瓶裝有安全閥時，取閥開啟壓力作為設計壓力；當單個氣瓶上無安全閥裝置，而在工藝系統中有安全泄放裝置時，可根據氣瓶在系統中的工作情況，以工作壓力增加適當裕度作為設計壓力。至于該裕度取多少為宜，并無明文規定，但多數設計者往往取工作壓力的1.05～1.1倍為設計壓力，且氣瓶的超壓限度應不大于10%設計壓力或20 kPa中的較大值。

3 工作溫度

船用低壓空氣瓶的工作溫度一般＜50℃。在備車使用壓縮空氣管路系統，進入空氣瓶的壓縮空氣極限溫度不應超過60℃。在空氣壓縮機后空氣瓶前的管路中安裝油水分離器及空氣冷卻器，日常維護管理使用溫度在40℃以內，未經冷卻的壓縮空氣禁止充入空氣瓶，防止壓縮機氣缸油混入空氣瓶內，產生油氣后遇高溫而爆炸。

在JB/T 6430-2002《一般用噴油螺桿空氣壓縮機》中規定［7］：“水冷螺桿空壓機組的供氣溫度不超過40℃；其額定排氣壓力范圍在0.7～1.4 MPa”。

GB/T 12928-2008《船用中低壓活塞空氣壓縮機》中規定［8］：“水冷空壓機，進入空氣瓶的空氣溫度不超過進水溫度加30℃；額定排氣壓力范圍0.7～4.0 MPa；在標準吸入狀態下冷卻水進口溫度15℃”。所以，活塞式水冷空壓機進入空氣瓶的溫度不超過45℃。

不同程序中權利要求保護范圍理解和解釋的基本規則............................................................................................劉 鵬 12.41

而對于高壓空氣瓶的工作溫度不高于60℃,GB/T 12929-2008《船用高壓活塞空氣壓縮機》［9］中明確規定：空壓機后冷卻器出口處的空氣溫度應不高于55℃；額定排氣壓力范圍15～40 MPa。GJB 1491-1992《艦用電動高壓往復活塞空氣壓縮機通用規范》［10］則規定：空壓機后冷器出口壓縮空氣溫度不高于60 ℃；壓力范圍15～40 MPa。

4 許用應力與安全系數

CCS《海規》對于空氣瓶構件的許用應力［σ］，按金屬壁溫度區分：

（1）當金屬溫度≤50℃時，空氣瓶構件的許用應力［σ］=Rm/2.7，［σ］=ReH/1.5，取其中較小值。 其中設計溫度低于20℃時，取材料20℃時的許用應力。其中：Rm為材料在環境溫度下的抗拉強度，N/mm2；

ReH為材料在環境溫度下的屈服點，N/mm2。

（2）當金屬溫度＞50℃時，空氣瓶構件的許用應力［σ］=Rm/2.7，［σ］=RTeH/1.5，［σ］=RmT100000/1.5，取其中較小值。其中：RTeH為材料在構件金屬溫度下的屈服點或規定非比例伸長應力，N/mm2；RTm100000為材料在構件金屬溫度下的105h平均破斷應力，N/mm2。

GB 150與CCS《海規》計算許用應力時，采用的安全系數不同。

（1）常溫或中溫時，材質為碳素鋼或低合金鋼：空氣瓶構件的許用應力：

（2）超過420℃高溫時，材質為碳素鋼或低合金鋼，空氣瓶構件還必須考慮高溫持久強度或蠕變強度，許用應力為：［σ］=σDt/1.5； ［σ］=σnt/1.0。其中：σb為材料標準抗拉強度下限值，N/mm2；

σs為材料標準常溫屈服點，N/mm2；

σDt為材料在設計溫度下經105h斷裂的持久強度的平均值，N/mm2；

σnt為材料在設計溫度下經105h蠕變率為1%的蠕變極限，N/mm2。

ASME規范［11］第Ⅷ卷 第1分冊最大許用應力取下述中的最低值：

（1） 在室溫（-20℉～100℉）（-29℃～40℃）下，取最小抗拉強度的1/3.5倍；

（2）在設計溫度下，取ASME規范第Ⅱ卷D篇表U中抗拉強度的1/3.5倍；

（3）在室溫（-20℉～100℉）下，取最小屈服強度的1/1.5倍；

（4）在設計溫度下，取ASME規范第Ⅱ卷D篇表Y-1中屈服強度的1/1.5倍。

綜上看出，各標準規范中規定的安全系數有所不同，主要依據的是經驗、試驗考據和理論分析，同時與其規定的原材料性能質量、設計計算精確性、制造要求和檢查驗收相適應。表1為各標準規范所使用的安全系數區別。

表1 安全系數區別

5 受內壓圓筒強度計算

5.1 各船級社壁厚計算公式

CCS《海規》對船用空氣瓶筒體理論計算厚度（單位：mm）為：δ=pDo/（2［σ］ψ-p），筒體最小需要厚度δmin=δ+0.75（注：僅適用于計算所得的厚度不大于0.5筒體內半徑的情況）。在任何條件下船用空氣瓶筒體最小厚度，且同時符合δ=3+Do/1 500。式中：p為設計壓力，MPa；Do為氣瓶筒體內徑，mm；［σ］為許用應力，N/mm2；ψ為筒體最小強度系數。0.75 mm為考慮防腐減薄、材料厚度下偏差（為負值時）和工藝減薄的附加厚度。

而GB 150對附加厚度的防腐裕量規定：介質為壓縮空氣的碳素鋼或低合金鋼制容器，防腐裕量不小于1 mm。

GL規定對腐蝕和磨損余量通常取1 mm；對厚度≥30 mm的不銹鋼板和其他耐腐蝕材料板，可不放余量。所以GB 150和GL對附加厚度的說法一致。

GB 150和GL規定：用碳素鋼、低合金鋼制容器，在殼體加工成形后不包括防腐裕量的最小厚度不小于3 mm。

表2為各船級社規范對空氣瓶筒體理論計算厚度一覽。

表2 各規范筒體理論計算厚度一覽

GB 150和CCS《海規》的圓筒理論厚度計算公式中，兩者的適用范圍均一樣，GB150圓筒計算厚度的公式適用：設計壓力 p≤0.4［σ］tψ（相當于外徑與內徑比值 K≤1.5）；CCS 則為 δ≯0.5·（Do/2）。

5.2 薄壁公式和中徑公式的區別

（1）內部產生的應力沿壁厚均勻分布時（邊緣區域除外），受內壓的圓筒為薄壁容器。采用“薄壁公式”強度計算。

圓筒軸向應力：σz=pDo/4δ；當控制 σz≤［σ］tψ 時，則：δ1=pDo/4［σ］ψ（即按圓筒軸向應力計算的壁厚公式）。其中：σz為軸向應力；其他符號意義同上。

圓筒環向應力：σt=pDo/2δ；當控制 σt≤［σ］tψ 時，則：δ2=pDo/2［σ］ψ（即為內壓圓筒的內徑公式）。 其中：σt為環向應力；其他符號意義同上。

圓筒徑向應力：σr=0（徑向應力與軸向應力、環向應力相比很小，因此在薄壁圓筒中忽略不計）。

上述薄壁圓筒器壁中任意一點可視為二向應力狀態，則計算公式將應力沿圓筒壁厚均勻分布分析。由于環向應力為軸向應力的兩倍，所以圓筒厚度通常以環向應力進行計算，即δ2=pDo/2［σ］ψ。該式為常規的薄壁圓筒內徑計算公式，簡稱“薄壁公式”。

（2）內部產生的應力沿壁厚不均勻分布，且圓筒在K≤1.5的情況下時，不均勻程度并不嚴重，可以采用“中徑公式”進行強度計算。

將圓筒計算內徑改為中徑，以（Do+δ）代入薄壁公式中，則有：

此即GB 150和CCS《海規》中的內壓圓筒公式，稱“中徑公式”。中徑公式由于增大了計算內徑，使計算應力得到提高。當K=1.5時，該式應力計算值與拉美公式環向最大應力（內壁處）的計算值相差僅為0.038倍，此誤差在工程設計的允許范圍內，因此中徑公式廣為工程設計標準所采用。

6 筒體最小強度系數ψ

在不受管孔減弱的焊接時，CCS《海規》規定：Ⅰ級對應焊縫減弱系數ψ=1；Ⅱ級對應焊縫減弱系數ψ=0.85；Ⅲ級對應焊縫減弱系數ψ=0.6（無縫筒體強度系數取ψ=1）；

BV規定筒體最小強度系數：無縫殼體和Ⅰ級容器殼體取焊縫系數ψ=1；Ⅱ級分兩種狀態：

（1）對焊接處進行部分聲波檢查時，焊縫系數ψ=0.85；

（2）對焊接處不進行聲波檢查，且筒體最小厚度≤15 mm時，焊縫系數ψ取0.75；BV對Ⅲ級壓力容器不需要圖紙認可，但BV保留對Ⅲ級壓力容器應用該社規范C篇第1章第3節所有要求和部分規定的權利。

7 驗收試驗

7.1 原材料檢驗

（1）用于制造船用空氣瓶的鋼板、鋼管和焊接材料應持有中國船級社及其他船級社簽發的產品證書或等效的證明文件（焊接材料有認可標記即可），且材料的型號、級別、規格應與審批的圖紙一致。

（2）型號、級別、規格相同，無船檢證書或等效證明文件的原材料代用，鋼板和鋼管應具備產品質量證明書，且質量證明書中記載的鋼板交貨狀態、化學成分、力學性能符合標準要求，且驗船師在場進行取樣試驗，符合本廠提交船級社批準圖紙文件《受壓件材料理化性能一覽表》對應。

7.2 外觀檢查

（1）目測筒體，封頭等不得有裂紋、焊瘤、咬邊、氣孔、夾渣、弧坑以及未填滿等缺陷，閥座、接管的角焊縫的幾何形狀應圓滑過渡到母材表面。

（2）用焊縫測量尺測量筒體環、縱焊縫寬度和加強高的尺寸，同一焊縫應至少測量3次，且同一焊縫最寬最窄處之差不大于4 mm。

7.3 制造主要尺寸測量

用卷尺和卡尺測量空氣瓶的制造主要尺寸應包括氣瓶的總長、總高、筒體直徑、筒體不圓度等。

7.4 無損檢測［12］

檢查作型式試驗的空氣瓶無損檢測類別、數量、部位等按船級社批準的焊接工藝文件的要求。且符合船級社規范無損檢測部分的規定，如入級中國船級社符合該社現行《材料與焊接規范2009》（以下簡稱“CCS《材規》”）第 3 篇 第 7 章 7.5.4。

7.5 焊接試板試驗

入級中國船級社空氣瓶焊接試板應按CCS《材規》第3篇 第7章7.2.2-7.2.3條規定截取試樣和試驗，試驗結果必須符合CCS《材規》第3篇 第7章表7.2.4.1要求。入級中國船級社空氣瓶Ⅲ級免做焊接試板。

7.6 液壓試驗

按GB/T 11037《船用輔鍋爐及受壓容器強度及密性試驗方法》［13］?？諝馄勘倔w及接管組裝完畢，經無損檢測合格，焊接試板力學性能結果全部合格后（需進行熱處理的空氣瓶本體，液壓試驗應在熱處理后進行）進行液壓試驗。試驗壓力1.5p且試驗壓力不超過試驗溫度下的90%屈服力，保壓至少10 min，然后降至工作壓力進行檢查。合格標準：所有的焊縫和金屬壁、附件連接處無滲漏，不允許有異常變形。試驗允許返修，返修合格后仍按上述規定重新進行液壓試驗。

7.7 密性試驗

按GB/T 11037《船用輔鍋爐及受壓容器強度和密性試驗方法》?？諝馄勘倔w經液壓試驗合格并在所有附件安裝完畢后方可進行密性試驗。試驗壓力為氣瓶的工作壓力，采用浸水法或涂液法進行檢查。

（1）浸水法。將試件浸入水槽中，試件的任何部位離水面最小深度均應大于50 mm。緩慢轉動試件，觀察各部位有無氣泡出現。發現有固定氣泡，應將其抹去，觀察是否繼續出現氣泡。浸水時不大于3 min。

（2）涂液法。在充氣到試驗壓力的試件的待查部位上涂檢查液，觀察有無氣泡逸出。帶液保壓時間不小于3 min。

試驗不合格允許返修，返修合格后仍按上述規定重新進行密性試驗。

如果工廠采用氣密性試驗方法確實有困難，可用液壓試驗代替氣密性試驗，試驗壓力為1.25倍設計壓力，試驗方法和驗收標準同“液壓試驗”規定。

7.8 易熔塞試驗

按 GB 8337《氣瓶用易熔合金塞》［14］。 每批抽查2%進行易熔塞抗擠出試驗及易熔塞動作溫度測定試驗，一般易熔塞動作溫度為95±5℃。在試樣與氣瓶內部介質接觸的一端施加壓縮空氣，壓力達到3.4 MPa，并在不低于60℃的條件下保持24 h，然后在另一端進行檢查，無滲漏和易熔合金無可見擠出為合格。如果試驗項目有一個不合格，則從該批中加倍抽取試樣重新該項試驗，全部合格后，則認為該批易熔塞合格。

7.9 安全閥試驗

按 GB/T 14087《船用空氣瓶安全閥》［15］。

（1）開啟試驗：安全閥開啟壓力應大于工作壓力且小于設計壓力，試驗次數不少于3次。

（2）回座試驗：安全閥回座壓力應不小于0.85倍開啟壓力，試驗次數也不少于3次。

（3）氣密性試驗在工作壓力下應無滲漏。

7.10 焊接工藝認可試驗

依照船級社規范按批準的工藝文件。

8 結 論

上述只是筆者針對船用空氣瓶圓筒強度計算及驗收試驗，對船級社規范壓力容器章節的許多難點進行解釋和分析。送審設計人員在設計時還需要考慮封頭、人孔、手孔、接管、法蘭的強度，液壓試驗時的薄膜應力，安全閥通徑、易熔塞泄放量，受壓元件的結構型式，附件布置要求，焊接、制造、組裝工藝和熱處理等方面要求，從而提高企業產品質量，做好工廠認可、圖紙審批、產品制造檢驗等工作。

［1］CB/T 493-1998.低壓空氣瓶［S］.北京：中國船舶工業總公司.1998.

［2］中國船級社.鋼質海船入級規范2009（第3分冊）［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［3］GERMANISCHER LLOYD.Rules for classification and constructionofships2006［M］.Hamburg：GERMANISCHER LLOYD，2006.

［4］BUREAU VERITAS.Rules for the classification of steel ships 2007［M］.France：BUREAU VERITAS，2007.

［5］GB 150-1998.鋼制壓力容器［S］.北京：全國壓力容器標準化技術委員會.1998.

［6］TSG R0004-2009.固定式壓力容器安全技術監察規程［S］.北京：國家質量監督檢驗檢疫總局.2009.

［7］JB/T 6430-2002.一般用噴油螺桿空氣壓縮機［S］.北京：國家經濟貿易委員會發布.2002.

［8］GB/T 12928-2008.船用中低壓活塞空氣壓縮機［S］.北京：國家質量監督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會.2008.

［9］GB/T 12929-2008.船用高壓活塞空氣壓縮機［S］.北京：國家質量監督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會.2008.

［10］GJB 1491-1992.艦用電動高壓往復活塞空氣壓縮機通用規范［S］.北京：國防科學技術工業委員會批準.1992.

［11］ASME.鍋爐及壓力容器規范 國際性規范 Ⅷ 第1冊壓力容器建造規則2007［M］.北京：中國石化出版社，2008.

［12］中國船級社.材料與焊接規范2009［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［13］GB/T 11037-2000.船用輔鍋爐及受壓容器強度及密性試驗方法［S］.北京：國家質量技術監督局.2000.

［14］GB 8337-1996.氣瓶用易熔合金塞［S］.北京：國家技術監督局.1996.

［15］GB/T 14087-1993.船用空氣瓶安全閥［S］.北京：國家技術監督局.1993.