无缝钢瓶国际标准解析

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1、无缝钢瓶国际标准解析秋长摘要本文对国际标准化组织 ISO/TC58 气瓶技术委员会所制订的 四个无缝钢瓶标准或草案，即 ISO4705、ISO/DIS9809-1、ISO/DIS9809-2 及 ISO/CD9809-3， 作了归纳，比较与分析；结合发达工业国家和中国的技术现状进行了评价。关键词钢质无缝气瓶ISO4705国际标准评价AbstractThe article gives asummary comparison and analysis to the follo wing 4 stands or drafts of seamless steel cylinder made by on

2、：ISO4705，ISODIS 98011，ISODIS98092 and ISOCD98093；an evaluation isISOTC58 Gas Cylinder Commission under International Organization of Stanadardizati made by reference to the technical condition of developed countries and China1前言全世界有 1 亿余个高压无缝气瓶在服役，其中约一半在美国。我国在役无缝气瓶总数约500 多 万，数量与英国相当。无缝气瓶中 90%以上是钢质无缝

3、气瓶。移动式无缝钢瓶经过大半个世纪的发展，水压试验压力最高 60MPa，水容积最大接近 3m 3，装运氧气最多约600m31 。世界上使用的无缝钢瓶发展至今，大体上经过几个阶段。见表 1。以最通用的 4050L水 容积钢瓶为例，工作压力的增高，材料和制造工艺的改进，使装气量/瓶重之比约净提高了 三倍多。工业发达国家多用淬火加回火铬钼钢瓶，亚洲多用淬火加回火锰钢瓶。80 年代始， 美国和欧洲批量制造中容量高强度钢瓶，安全服役无一事故。另一方面，低强度厚壁钢瓶仍 在各地使用，如氯、氨等气体运输，压力低，不要求用贵的合金钢；另外，以刚度设计为主 或装卸粗暴的地方仍可使用。表 1发展阶段 A B 常用

4、工作压力，MPa 615 615 15 20(15) 30代表性材料 碳钢 A 类锰钢 B 类锰钢 铬钼钢铬钼钒钢铬镍钼 钢(高强钢瓶)热处理 正火 正火 淬火加回火 淬火加回火 淬火加回火装载率(装气量/瓶重)(m3kg)0.05 0.11 0.14 0.18 0.21适用国际标准草案 ISO/CD9809-3 ISO/CD9809-3 ISO/DIS9809-1 ISO/DIS9809-1 ISO/DIS9809-22标准发展简介 国际标准化组织 ISO/TC58 气瓶技术委员会于 1983 年发布了国际标准 ISO4705 钢质无缝气瓶 2。至今仍有效。它起初是基于西欧国家无缝钢瓶标准的

5、设计观念起草的。那时美国并不积极参与。标准的主要部分(不包括附录 D)，仅仅是设计、制造和试验的规定，而不涉及使用。标准对 服役条件没有涉及，例如，充装压力对试验压力的关系，充装对气体的关系。也就是说，它仅是普通的工业气瓶“制造”标准。各成员国对标准的条款存在不少的不同意见，如对爆破压力存在明显的反对意见，对冲击试 验值的认识也有不小分歧。美国要求限制应力水平和纳入水压容积膨胀试验。奥地利要求允 许水作为淬火介质等。最后专家组统一了爆破试验要求和冲击试验值，并制订了附录 D，作 为气瓶在服役时能通过国界的一致条件。附录 D 也包含了对氢气等应力腐蚀气体钢瓶的特殊规定。水作为淬火介质则不予同意。

6、容积膨胀试验也纳入作为水压验证试验的另一替代试验 。ISO4705 尽管存在不少不同意见，但终究被多数成员国同意，获得通过。有的专家认为这是 一个好标准，中国就是这样一个国家。在 ISO4705 发布后数年的一次调查中反映出，几乎全世界的钢瓶大国都不执行 ISO4705，包括投赞同票的那些国家，而中国却是实实在在地将 ISO 4705 的准则纳入到国标 GB5099-1985 钢质无缝气瓶-中国第一个气瓶国家标准之中。80 年代以来，全世界气瓶的制造和使用得到发展，其中可以高强度钢瓶和复合材料气瓶为代 表，气瓶国际标准的制订也加快了步伐。到 1997 年底，ISO/TC58 已出版国际标准约

7、23 个，正 在编制约 48 个。其中，ISO/TC58 在 1997 年和 1998 年，先后出台了无缝钢瓶3 个国际标准草案 ，即：ISO/DIS 9809-1抗拉强度小于 1100MPa 的淬火回火无缝钢瓶 3 ，ISO/DIS 9809-2抗拉强度大于 1100MPa 的淬火回火无缝钢瓶 4 ，ISO/CD 9809-3正火无缝钢瓶 5 。如果上述 3 个标准草案得到通过，则 ISO4705 就会被替代和淘汰，这将开创一个无缝钢瓶国际 标准的新阶段，以新面貌走向 21 世纪。关于上述 3 个国际标准草案的主要内容，以及对它们的评议，简介如下。3适用范围表 2 列出了 3 个国际标准草案

8、的适用范围，相当的工业国家标准举例和相当的中国国家标准。由于装运气体量需求越来越高，使钢瓶的工作压力不断提高，而对中容量移动式钢瓶来说， 质量不允许随工作压力的大幅提高而大幅度增加，例如 4050 升水容积的钢瓶，无论工作压力是 15，20 或 30MPa，重量基本在人们能搬运得动的 4565kg 之间，所以，只有通过材 料本身和热处理性能的不断改进来实现的。三个国际标准草案适用不同的无缝钢瓶抗拉强度范围，以适应愈来愈增大的工作压力，使保 证安全的前提下，达到经济的平衡。表 2适用范围国际标准草案 抗拉强度 MPa 常用工作压力 MPa相当的工业国 家标准举例 相当的中国标准ISO/CD 98

9、09-3(1998) 800 以下 max15 JIS B 8241-1889(日本)6 GB5099-199410ISO/DIS 9809-1(1997) 1100 以下 m ax20 TRG 801(德)784/525/EEC8 (欧共体) GB5099- 1994ISO/DIS 9809-2(1997) 1100 以上 max30 DOT E 94219 -1985(美) -中国国内使用的中容量无缝钢瓶，大部分处在A 的阶段，即对应于 ISO/CD 9809-3，目前， 第B 和第阶段的钢瓶正在逐步发展，即对应于 ISO/DIS 9809-1。国家标准 GB-5099 包容 IS O/C

10、D9809-3 和 ISO/DIS9809-1，但还没有一个国家标准来规范正在出现的第阶段钢瓶。美国政府的豁免令 DOT-E9421 可作为参考，美国按该豁免令制造的中容量无缝钢瓶已达数 10 万只，运行至今无一发生事故。 4材料在 ISO/DIS9809-1 和 ISO/CD9809-3 两个国际标准草案中，对所认可的钢种和热处理性能作了 详细的规定，见表 3。表 3化学成分%ISO/DIS 9809-1元素 ISO/CD9809-3 锰 钢 铬钼钢 ISO/DIS9809-2C 0.45 0.38 0.25-0.38 最大-最小0.04Mn 1.70 1.35-1.75 0.40-1.00

11、 最大-最小0.20Si - 0.10-0.35 0.10-0.40 最大-最小0.15Cr 0.20 - 0.80-1.20 最大-最小0.30Ni 0.20 - - 最大-最小0.30Mo - - 0.15-0.40 最大-最小0.15V - - - -Al 0.015 - - -Cu 0.020 - - -S 0.020 0.020 0.010 0.010P 0.020 0.020 0.020 0.015SP 0.030 0.030 0.025 0.020机械性能热处理 正火 淬火加回火 淬火加回火外径140 以上外径140 以下抗拉强度，MPa 800 以下 1030 以下 1100

12、以下1100-1300 1100-1400设计屈强比 0.75 0.90 0.90扁试样 20 14 12伸长率% 圆试样 22 16 14这些规定的钢种基本符合美国、欧洲、日本等工业国家的实践，显示了各成员国对国际上已 成熟的钢种表现出充分的信心，与 ISO4705 对钢材化学成分未作详细规定相比较，ISO/DIS98 09-1 与 ISO/CD9809-3 要严格得多。但在具体成分上，ISO/CD9809-3 所允许的含碳量上限(0. 45%)，与 ISO/DIS9809-1Mn 钢允许的含锰上限(1.75%)略高了些，宜各降低0.05%。与此关联的 ISO/DIS9809-1 的 Mn

13、钢抗拉强度，宜相应降低。ISO/DIS9809-2 中，未对化学成分作出具体规定，可能是国际上对高强钢经验不多，有待于进一步实践来充实。但对高强度钢瓶而言，伴 随着强度的提高，必定引起塑性和韧性的降低，高强钢材的选择，首先要确保足够的塑性和 韧性，其次，应有足够的能力来抵抗裂纹扩展、疲劳和应力裂纹等。为达到此目的，ISO/DIS9809-2 中具体化学成分的选择，除应提高淬透性，确保整个壁厚从 外到里彻底完成马氏体的转变，以确保淬火性能外，同时还要消除淬火裂纹的可能性，和改 进钢的回火性能。另外，还要规定较窄的化学成分范围。实际上，ISO/DIS9809-2 所允许的高低限范围，比 ISO /

14、DIS9809-1 要窄得多，这样的规定应是合理的。从制造方面，热挤压和冲击工艺易使钢瓶产生各向异性倾向，即在高强度同时存在横向韧性 降低。为提高横向韧性，夹杂物的含量应减少，尤其要限制硫含量少于 0.01%，并用铝脱氧 。对夹杂物的形态也要加以限制。待条件成熟，ISO/DIS9809-2 应规定具体的化学成分，从 I SO/DIS9809-1 的化学成分适当延伸是好办法。 5强度与塑性上述 3 个国际标准草案，对抗拉强度作了限制，同时对设计屈强比作了规定，这意味着对屈 服强度也作了限制。对强度由低到高作了分类，以使无缝钢瓶能适合高低不同的工作压力( 见表 1)。这种观点和做法，基本来自欧洲的

15、钢瓶实践，使大量使用的中容量钢瓶(水容积自 4 050L)的高度和重量，基本上适合人体工程学的需求(4565kg)。3 个国际标准草案 对钢材伸长率的规定，是随着强度的增高而降低的。对当前大量使用的第B 和第阶段的 钢瓶而言，伸长率 14%(扁试样)已使用有 20 年。但对高强度钢瓶，12%(扁试样)的伸长率规定 ，已经是可能的最下限值。国内有的钢瓶制造厂对此未给予充分重视，在钢瓶试制中将伸长 率规定到可达 10%以下，于是发生了型式试验通不过的情况。上述情况正是说明 ISO/DIS9809-2 国际标准草案实际上并不认为高强度钢瓶制造时可以自由 选择钢种和热处理，而是由试制时要求的型式试验的

16、实际要求来确定钢种和热处理。这些指 标值不是孤立的，而是相关的，是首先由使用要求来决定的。6韧性3 个国际标准草案对冲击韧性值的规定，见表 4。表 4钢瓶外径，mm 140 140冲击试验方向 横向 纵向试样宽度，mm 35 57 .5 7.510 35试验温度， -50(ISO/CD9809-3 也可-20 )ISO/CD9809-3 35/28 40/32ISO/DIS9809-1 30/24 35/28 40/32 60 /48冲击试验值Jcm 2三个试样平均值/单个试样值ISO/DIS 40/28 50/35 60/42 40/429809-2表 5国际标准草案 ISO/CD 9809-3 ISO/DIS 9809-1 ISO/DIS 9809-2超声波检验指标：5%壁厚50mm