沈海仁 鄭傳祥 朱國(guó)輝

(中國(guó)石化集團(tuán)寧波工程有限公司) (浙江大學(xué))

扁平鋼帶交錯(cuò)纏繞式高壓儲(chǔ)氫容器的安全可靠性分析

沈海仁＊鄭傳祥 朱國(guó)輝

(中國(guó)石化集團(tuán)寧波工程有限公司) (浙江大學(xué))

氫能是近年來(lái)研究較多的清潔新能源之一。在氫能利用上,氫的安全儲(chǔ)運(yùn)是整個(gè)氫能利用的關(guān)鍵技術(shù)之一,而氫的儲(chǔ)運(yùn)目前仍然以高壓儲(chǔ)氫為主,高壓儲(chǔ)氫容器是氫的儲(chǔ)運(yùn)關(guān)鍵核心設(shè)備。扁平鋼帶交錯(cuò)纏繞式高壓容器以其制造成本低、可靠性高、易于實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控、失效具有抑爆等特點(diǎn)而有利于應(yīng)用在高壓儲(chǔ)氫。從該類容器的環(huán)向強(qiáng)度、軸向強(qiáng)度、鋼帶預(yù)應(yīng)力控制、疲勞強(qiáng)度、抑爆性能和在線監(jiān)控等方面用實(shí)例加以分析。

扁平鋼帶 纏繞 儲(chǔ)氫 高壓

0 前言

氫氣是來(lái)源豐富、清潔的能源,原料來(lái)源是水,儲(chǔ)量豐富,用之不竭;燃燒產(chǎn)物也是水,潔凈無(wú)污染;具有廣泛的應(yīng)用開(kāi)發(fā)潛在價(jià)值。氫能在宇航研究中具有廣闊的應(yīng)用前景,如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、氫內(nèi)燃機(jī)等;在民用工業(yè)領(lǐng)域,燃料電池 (FC)近年來(lái)發(fā)展迅速,氫能汽車已經(jīng)在多個(gè)城市進(jìn)行示范。氫能的開(kāi)發(fā)和利用首先要解決的是廉價(jià)的氫源,其次是氫能的儲(chǔ)運(yùn),最后是氫能的應(yīng)用,其中氫安全儲(chǔ)運(yùn)是氫能產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)之一。常見(jiàn)的儲(chǔ)氫方法有高壓儲(chǔ)氫、液化儲(chǔ)氫、金屬氫化物儲(chǔ)氫、吸附儲(chǔ)氫等等,高壓儲(chǔ)氫由于方便、成本低、產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)好,是目前使用最廣泛的一種儲(chǔ)氫方式。傳統(tǒng)的鋼制壓力容器設(shè)計(jì)制造成熟、成本低、灌裝速度快、能耗低,主要用在大型儲(chǔ)罐存儲(chǔ)、加氫站,而扁平鋼帶交錯(cuò)纏繞式高壓容器以其低成本、高可靠性、易于在線監(jiān)控、抑爆等特點(diǎn)而有利于應(yīng)用在高壓儲(chǔ)氫容器[1,2]。

1 扁平鋼帶錯(cuò)繞式高壓容器技術(shù)進(jìn)展

新型薄內(nèi)筒鋼帶交錯(cuò)纏繞式高壓容器自 1965年工業(yè)化產(chǎn)品制造試驗(yàn)獲得成功并在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中開(kāi)始成功推廣應(yīng)用以來(lái),據(jù) 1994年的不完全統(tǒng)計(jì),已在我國(guó)初步成功推廣應(yīng)用于內(nèi)徑達(dá) 1 m、長(zhǎng)度達(dá) 28 m、繞層達(dá) 28層、設(shè)計(jì)內(nèi)壓達(dá) 35 MPa的氨合成塔、甲醇合成塔、氫氣高壓貯罐、水壓機(jī)蓄能器、各種高壓氣體或液體貯罐等 7000多臺(tái)。經(jīng)對(duì)扁平鋼帶交錯(cuò)纏繞式壓力容器多年來(lái)所做的多次工程規(guī)模實(shí)物容器的環(huán)向與軸向及其剛度和熱應(yīng)力等應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試、環(huán)向軸向超壓 “抗爆”破壞與極限強(qiáng)度爆破試驗(yàn)、4萬(wàn)多次反復(fù)升降液壓疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)、薄內(nèi)筒多層鋼帶交錯(cuò)纏繞殼壁大比例開(kāi)孔接管試驗(yàn),在線安全狀態(tài)計(jì)算機(jī)自動(dòng)報(bào)警監(jiān)控試驗(yàn),均表明該新型薄內(nèi)筒鋼帶交錯(cuò)纏繞壓力容器設(shè)備在強(qiáng)度、剛度、疲勞強(qiáng)度、熱應(yīng)力及可監(jiān)控特性等諸多方面均獲得了優(yōu)良結(jié)果,在制造經(jīng)濟(jì)性和工程使用安全可靠性及可靠的在線安全可監(jiān)控等方面具有良好的發(fā)展前景[3,4,5]。

2 新型扁平繞帶式高壓儲(chǔ)氫容器的安全特性

2.1 扁平繞帶式容器內(nèi)壓環(huán)向強(qiáng)度有保障

該薄內(nèi)筒鋼帶交錯(cuò)纏繞式壓力容器曾做過(guò)內(nèi)直徑各不相同的一系列內(nèi)壓環(huán)向極限強(qiáng)度爆破破壞試驗(yàn),以求證其破壞強(qiáng)度的可靠性。試驗(yàn)容器的內(nèi)直徑有:49、147.3、200、450、500、1000 mm等等,而所采用的鋼帶纏繞傾角則曾在 10°～30°之間視試驗(yàn)需要而變化。其中,還有一臺(tái)該繞帶式試驗(yàn)容器 ,其內(nèi)徑為500mm、薄內(nèi)筒厚度為16mm、鋼帶厚度為 4 mm,在三段筒體上分別各纏繞了 10～14層鋼帶、最低設(shè)計(jì)內(nèi)壓為30 MPa、三段繞帶筒體上帶有多個(gè)開(kāi)孔接管,其中在 10層繞帶筒體上最大開(kāi)孔接管孔徑達(dá) 140 mm。所有這些繞帶式試驗(yàn)容器的環(huán)向極限強(qiáng)度爆破內(nèi)壓按文獻(xiàn)[2]中的式 (III-8)計(jì)算分別為 50～210 MPa之間,結(jié)果所有該繞帶式試驗(yàn)容器的極限強(qiáng)度爆破內(nèi)壓均略高于相應(yīng)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度,其安全系數(shù)均大于按規(guī)范要求的設(shè)計(jì)內(nèi)壓的 3倍,并均不低于材質(zhì)相同而設(shè)計(jì)筒壁厚度或重量也基本相同的單層或多層式容器的環(huán)向極限爆破破壞內(nèi)壓強(qiáng)度 (因材質(zhì)相同,薄鋼帶的強(qiáng)度最高,鋼帶交錯(cuò)纏繞筒體的綜合強(qiáng)度均高于材質(zhì)相同,殼壁厚度也相同的單層大厚度或多層的綜合強(qiáng)度),而且所有該繞帶式試驗(yàn)容器的極限爆破破壞方式都是繞帶筒體的環(huán)向,從未發(fā)生繞帶筒體端部斜面焊縫脫裂爆破或內(nèi)筒軸向整體斷裂和如單層結(jié)構(gòu)容器那種筒體爆破裂片拋飛的現(xiàn)象。即使對(duì)內(nèi)徑 1000 mm的該類大型試驗(yàn)容器 (設(shè)計(jì)內(nèi)壓為30 MPa)和內(nèi)徑 500 mm帶 d=140 mm大開(kāi)孔接管的試驗(yàn)容器 (設(shè)計(jì)內(nèi)壓為 32 MPa),結(jié)果都相同。其極限強(qiáng)度爆破內(nèi)壓分別為 91.2 MPa和 111.7 MPa,設(shè)計(jì)安全系數(shù)都達(dá)N≥3的規(guī)范要求,且破壞方式均為環(huán)向,爆破裂縫在鋼帶繞層部位或離開(kāi)大開(kāi)孔接管與繞帶筒殼相聯(lián)的焊縫部位[6]。

2.2 扁平繞帶容器軸向強(qiáng)度略強(qiáng)于環(huán)向強(qiáng)度

該薄內(nèi)筒繞帶壓力容器的內(nèi)壓軸向強(qiáng)度更是其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度技術(shù)突破的一個(gè)關(guān)鍵。德國(guó)的薄內(nèi)筒復(fù)雜型槽鋼帶單向扣合纏繞高壓容器就因?yàn)槔@層對(duì)內(nèi)筒有一種必然的扭力作用,內(nèi)壓越高、這種扭力作用就越大,因而其層間軸向就可能發(fā)生脫扣,單靠?jī)?nèi)筒強(qiáng)度顯然不足以對(duì)抗內(nèi)壓升高后強(qiáng)大的軸向作用力而終將導(dǎo)致容器內(nèi)筒發(fā)生軸向斷裂爆破的危險(xiǎn)。

為此,曾專門(mén)針對(duì)這一問(wèn)題作了試驗(yàn)研究。所做的三臺(tái)材質(zhì)相同的試驗(yàn)繞帶容器:容器內(nèi)徑147.3 mm,由三段組焊而成的內(nèi)筒殼壁厚度 2.5 mm,外面纏繞的 4層厚度為 3.5 mm的扁平鋼帶繞層共 14 mm,所以其內(nèi)筒所占容器總壁厚的比例均只為相當(dāng)小,僅約 15%。三臺(tái)試驗(yàn)容器鋼帶纏繞傾角都相當(dāng)小,分別為 10°、15°、20°。對(duì)三臺(tái)繞帶容器所作的爆破試驗(yàn)結(jié)果,爆破壓力分別為 51、58.8、60.3 MPa,鋼帶傾角越大,爆破內(nèi)壓越高。三臺(tái)試驗(yàn)容器爆破破壞的方式,鋼帶傾角為 15°和20°的明顯為繞層部位內(nèi)筒環(huán)向破裂,尤其鋼帶傾角為 20°的容器雖經(jīng)過(guò)嚴(yán)酷的爆破破壞試驗(yàn),然其容器筒體卻仍基本保持原狀,顯示出鋼帶繞層對(duì)內(nèi)筒有極強(qiáng)的抑爆保護(hù)作用,特別是三臺(tái)試驗(yàn)容器兩端封頭斜面焊縫部位都還保持完好無(wú)損。只有鋼帶傾角為 10°的容器略近端部處內(nèi)筒發(fā)生了內(nèi)筒軸向斷裂方式,但其鋼帶繞層均仍保持相連狀態(tài),并未發(fā)生像德國(guó)的那種復(fù)雜型槽鋼帶容器內(nèi)筒爆破斷裂成兩段拋飛的現(xiàn)象。試驗(yàn)充分表明,該新型繞帶容器,即便其內(nèi)筒很薄 (壁厚僅占容器總壁厚度的15%),鋼帶交錯(cuò)纏繞的傾角相當(dāng)小 (分別僅為10°、15°、20°),其軸向強(qiáng)度也足夠。

為充分驗(yàn)證薄內(nèi)筒鋼帶交錯(cuò)纏繞式容器軸向強(qiáng)度,曾專門(mén)做過(guò)一次工程規(guī)模的新型繞帶容器軸向強(qiáng)度破壞試驗(yàn)。試驗(yàn)容器為一臺(tái)經(jīng)工程使用 8年多因定期檢查發(fā)現(xiàn)存在嚴(yán)重超標(biāo)原始焊接缺陷而報(bào)廢的氨合成塔,內(nèi)徑 450 mm,內(nèi)筒厚度 14 mm,容器筒體長(zhǎng)度約 6.5 m,外交錯(cuò)纏繞 4層厚度 3.5 mm、寬 80 mm的扁平鋼帶,纏繞傾角α=18°,設(shè)計(jì)內(nèi)壓為 15 MPa,設(shè)計(jì)極限爆破內(nèi)壓為 48 MPa。利用搪孔機(jī)床從容器內(nèi)部將其內(nèi)筒離最端部環(huán)焊縫約800 mm處搪切挖出一條深 12 mm、寬 20 mm的內(nèi)環(huán)槽,以使內(nèi)筒嚴(yán)重削弱到僅剩余 2 mm壁厚 (實(shí)際最薄處僅剩約 1.65 mm),以僅起試驗(yàn)時(shí)對(duì)內(nèi)部水壓的密封作用。此時(shí)忽略繞帶層間的摩擦力加強(qiáng)作用,該容器的軸向極限爆破強(qiáng)度按內(nèi)筒環(huán)槽剩余壁厚和鋼帶繞層橫截面材料極限強(qiáng)度軸向分量之和計(jì)算僅約 15 MPa。然當(dāng)試驗(yàn)內(nèi)壓升至該容器原設(shè)計(jì)內(nèi)壓或搪切內(nèi)環(huán)槽后的軸向極限爆破內(nèi)壓 15 MPa時(shí),該容器除徑向尤其軸向伸長(zhǎng)變形略顯加大之外,觀察其容器外形與壓力表顯示等都看不出有什么變化。但當(dāng)再次升壓直達(dá)設(shè)計(jì)內(nèi)壓的 1.25倍即 18.75MPa時(shí)容器卻突然在開(kāi)挖了內(nèi)部環(huán)槽的外部帶層縫間發(fā)生了氣勢(shì)很小、降壓緩慢的噴射泄漏,壓力試驗(yàn)就此終止。這時(shí)該容器除顯示其軸向有較大的伸長(zhǎng)殘余變形之外,容器整體和鋼帶外形與外層鋼帶層間狀態(tài)均看不出有多大肉眼可見(jiàn)的變化,直至打開(kāi)試驗(yàn)容器封頭才發(fā)現(xiàn)在內(nèi)筒內(nèi)部開(kāi)挖的環(huán)槽底部最薄處有一條長(zhǎng)約 25 mm最大寬度約0.4 mm的環(huán)向裂紋,壓力為 18.75 MPa的試壓水就是通過(guò)這條不大的裂紋再經(jīng) 4層繞帶層間的曲折通道向外噴射緩慢泄壓的。

以上這些試驗(yàn)充分表明,只要繞帶纏繞傾角設(shè)計(jì)得當(dāng),即使內(nèi)筒相當(dāng)薄 (如內(nèi)筒環(huán)槽處僅有 2 mm),這種繞帶容器的軸向強(qiáng)度也完全充足可靠。在通常工程設(shè)計(jì)制造中,實(shí)際應(yīng)用的內(nèi)筒壁厚比均大于或等于 20%,鋼帶繞層纏繞平均傾角通常均約為或大于 23.5°。在此情況下,其軸向強(qiáng)度必然完全充足可靠。即使內(nèi)筒軸向嚴(yán)重開(kāi)裂泄漏,其外部多層繞帶對(duì)較薄內(nèi)筒也必然會(huì)有充分可靠的“抑爆保護(hù)”作用[7]。

2.3 鋼帶纏繞預(yù)應(yīng)力控制效果測(cè)試

新型繞帶容器的制造是在室溫環(huán)境下,通過(guò)簡(jiǎn)易鋼帶纏繞裝置及其所附小型鋼帶拉緊矯形工具的合理設(shè)置對(duì)鋼帶實(shí)施適當(dāng)?shù)睦鋺B(tài)預(yù)應(yīng)力貼合纏繞的。這不僅極大地簡(jiǎn)化了各種大型高壓厚壁容器的制造,而且還將通過(guò)預(yù)應(yīng)力纏繞對(duì)厚筒筒壁帶來(lái)應(yīng)力狀態(tài)的優(yōu)化合理改善。為證驗(yàn)鋼帶預(yù)應(yīng)力纏繞的效果,曾對(duì)一臺(tái)工程應(yīng)用繞帶容器作過(guò)實(shí)際測(cè)試。該容器內(nèi)徑 500 mm,筒體長(zhǎng)度 1.6 m,內(nèi)筒壁厚 18 mm,外繞 12層厚 4 mm鋼帶共厚 48 mm。按新型繞帶容器優(yōu)化設(shè)計(jì)理論,對(duì)該容器從內(nèi)層到外層實(shí)施從 200MPa到 100MPa適當(dāng)合理變化的預(yù)應(yīng)力纏繞。該容器經(jīng) 1.25倍設(shè)計(jì)內(nèi)壓的超壓試驗(yàn)后,結(jié)果仍發(fā)現(xiàn) 500 mm的內(nèi)徑仍有約超 0.5 mm的平均縮小值,1.6 m的筒體長(zhǎng)度仍有約超 1.6 mm的平均縮短值,其變形率均約達(dá) 0.1%(通過(guò)制造過(guò)程的最終超壓試驗(yàn)以后層間貼合程度會(huì)有某些調(diào)整,其預(yù)壓縮效果將有某些“損耗”,此值通常僅約為0.01%左右)。顯然,這是對(duì)內(nèi)筒環(huán)向和軸向一個(gè)相當(dāng)可觀的預(yù)壓縮應(yīng)變,對(duì)改善容器的受力狀態(tài)和抗疲勞特性都十分有利。實(shí)踐也已表明,容器直徑越大,筒體長(zhǎng)度越長(zhǎng),因繞帶層間更易貼緊,鋼帶纏繞預(yù)壓縮效果也會(huì)更好。當(dāng)然,合理的鋼帶纏繞預(yù)應(yīng)力大小應(yīng)通過(guò)這種繞帶壓力容器的優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)確定。對(duì)較大型容器的鋼帶纏繞通常應(yīng)采用相對(duì)較小的預(yù)應(yīng)力。由于鋼帶纏繞對(duì)內(nèi)筒所產(chǎn)生的“機(jī)械外壓”和通?！傲黧w外壓”的作用效果完全不同,通常較薄的內(nèi)筒不會(huì)因按適當(dāng)?shù)匿搸ьA(yù)應(yīng)力纏繞而發(fā)生壓癟失穩(wěn)[1]。

2.4 扁平繞帶容器抗疲勞性能好

為驗(yàn)證扁平繞帶壓力容器的抗疲勞強(qiáng)度,曾專門(mén)對(duì)一臺(tái)經(jīng)工程實(shí)際使用 8年多因定期檢查發(fā)現(xiàn)存在嚴(yán)重超標(biāo)原始焊接缺陷而報(bào)廢的氨合成塔進(jìn)行了工程規(guī)模內(nèi)壓反復(fù)升、降抗疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)。該試驗(yàn)容器內(nèi)徑 450 mm,內(nèi)筒厚度 14 mm,容器筒體長(zhǎng)度約 6.5 m,外面交錯(cuò)纏繞 4層厚度 3.5 mm、寬 80 mm的扁平鋼帶,纏繞傾角α=18°,設(shè)計(jì)內(nèi)壓為 15 MPa,設(shè)計(jì)極限爆破內(nèi)壓為 48 MPa。經(jīng)檢測(cè)在內(nèi)筒縱向和環(huán)向焊縫上發(fā)現(xiàn)有如最長(zhǎng)達(dá) 45 mm、寬約 4 mm的原始焊接超標(biāo)深埋裂紋等缺陷,并在外層鋼帶上和內(nèi)筒內(nèi)壁上作了若干直徑 8 mm、深達(dá) 4 mm的人工鉆孔,以模擬嚴(yán)重腐蝕削弱內(nèi)筒內(nèi)壁。對(duì)這臺(tái)已經(jīng)使用 8年多之久的繞帶容器按 0～15～0 MPa的內(nèi)壓進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)近一個(gè)月的 40700次反復(fù)升、降液壓疲勞試驗(yàn)后,經(jīng)再次的應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)和上述缺陷部位檢測(cè),其應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)和深埋裂紋與鉆孔等部位,包括筒體兩端端部繞層斜面分散聯(lián)接焊縫部位,都未發(fā)現(xiàn)有任何肉眼可見(jiàn)的變化。試驗(yàn)與分析研究和長(zhǎng)期工程實(shí)際應(yīng)用表明,這種繞帶容器的多層交錯(cuò)繞帶筒體及其兩端端部繞層斜面分散聯(lián)接焊縫部位的抗疲勞強(qiáng)度,非常優(yōu)異可靠。在中國(guó)有超過(guò) 200臺(tái)內(nèi)徑 500 mm、內(nèi)部長(zhǎng)度約 8 m、設(shè)計(jì)內(nèi)壓為 20～30 MPa的薄內(nèi)筒扁平繞帶式壓力容器作為油壓或水壓機(jī)的蓄能器,應(yīng)用于多種機(jī)械制造廠家的產(chǎn)品制造中。這些繞帶式高壓蓄能器是處于一種循環(huán)反復(fù)升降液壓狀態(tài)下工作的,屬于疲勞工作狀態(tài)的容器設(shè)備。也有一些類似規(guī)模的繞帶高壓容器被用作石油開(kāi)采工程中由高壓空氣推動(dòng)的水、氣高壓貯罐,以利在石油開(kāi)采過(guò)程中向地下鉆井反復(fù)注水采油。在過(guò)去的 40年期間,這些繞帶式蓄能器及高壓水、氣貯罐都成功安全地經(jīng)受住了長(zhǎng)期疲勞循環(huán)工作狀態(tài)的嚴(yán)峻考驗(yàn)。這些實(shí)際工程實(shí)踐也充分表明,這種繞帶式高壓容器具有優(yōu)良的抗疲勞特性[8,9]。

2.5 扁平繞帶容器具有抑爆抗爆特性

薄內(nèi)筒鋼帶交錯(cuò)纏繞式壓力容器的確具有優(yōu)異的“抑爆抗爆”安全特性,除不少小型試驗(yàn)容器的事例外,工程規(guī)模容器的破壞試驗(yàn)或應(yīng)用過(guò)程中也表現(xiàn)出來(lái)“抑爆抗爆”特性。一臺(tái)用作爆破試驗(yàn)用繞帶容器,內(nèi)徑 450 mm,設(shè)計(jì)內(nèi)壓 15MPa,內(nèi)筒厚度 14 mm,內(nèi)筒外壁交錯(cuò)纏繞 3.5 mm鋼帶僅 4層,纏繞傾角為 18°,外面未包扎焊接外保護(hù)薄殼,以便作容器內(nèi)外壁及鋼帶層間的應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)測(cè)量。其設(shè)計(jì)計(jì)算爆破內(nèi)壓為 48 MPa。當(dāng)試驗(yàn)水壓升至 51.3 MPa時(shí),發(fā)現(xiàn)其最外層鋼帶縫間發(fā)生試壓水不大的噴射泄漏而卸壓,容器外觀已有明顯“鼓肚”變化。打開(kāi)封頭檢查內(nèi)部發(fā)現(xiàn),內(nèi)筒第二筒節(jié)縱向焊縫上出現(xiàn)了一條肉眼可見(jiàn)長(zhǎng)約 150 mm的穿透裂紋擴(kuò)展。作開(kāi)挖補(bǔ)焊并做檢查合格后再行升壓試驗(yàn),直至內(nèi)壓達(dá) 51.8 MPa時(shí)容器發(fā)生爆破,內(nèi)筒縱向原補(bǔ)焊處開(kāi)裂,破口并不太大,鋼帶繞層也發(fā)生正常斷裂破壞。先后兩次爆破的試驗(yàn)壓力均達(dá)容器極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求,相差僅 0.5 MPa,繞層也僅僅 4層而已,但爆破破壞后果卻完全不同。前一次只泄漏而未爆,后一次內(nèi)壓僅升高了 0.5 MPa就發(fā)生縱向爆破。這充分說(shuō)明,當(dāng)外部鋼帶繞層(或即外一殼層)直至達(dá)到其極限強(qiáng)度仍然保有某一強(qiáng)度之前,內(nèi)筒就會(huì)受到一種意義重大的“保護(hù)作用”而達(dá) “抑爆抗爆”效果,“只漏不爆”。

又一臺(tái)試驗(yàn)繞帶容器,內(nèi)徑 1000 mm,設(shè)計(jì)內(nèi)壓 30 MPa,內(nèi)筒厚度 20 mm,內(nèi)筒外壁交錯(cuò)纏繞 4 mm厚鋼帶 20層,外面也未包扎焊接外保護(hù)薄殼,以便作容器內(nèi)外壁及鋼帶層間的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量。其設(shè)計(jì)計(jì)算爆破內(nèi)壓為 90 MPa。當(dāng)試驗(yàn)水壓先后兩次升至約 50MPa和 70MPa時(shí),發(fā)現(xiàn)其一端與法蘭相焊的環(huán)焊縫部位最外層鋼帶縫間發(fā)生試壓水相當(dāng)嚴(yán)重的噴射泄漏而卸壓,容器外觀變化并不很明顯。切割打開(kāi)該端封頭檢查內(nèi)部發(fā)現(xiàn)內(nèi)筒與端部法蘭相聯(lián)的環(huán)向焊縫發(fā)生了嚴(yán)重裂紋擴(kuò)展而幾乎斷裂。究其原因是因?yàn)樵摱瞬糠忸^鍛件材料挑用失誤,碳含量超標(biāo),焊接時(shí)預(yù)熱溫度不夠,焊后便有焊接裂紋產(chǎn)生,故在兩次較高試驗(yàn)內(nèi)壓時(shí)便發(fā)生環(huán)向開(kāi)裂。決定只從內(nèi)筒內(nèi)部開(kāi)挖和提高封頭預(yù)熱溫度焊補(bǔ)并做檢查合格后再行升壓試驗(yàn),直至內(nèi)壓達(dá)到略超 3倍設(shè)計(jì)內(nèi)壓的 91.2 MPa時(shí)容器發(fā)生爆破,內(nèi)筒縱向開(kāi)裂,破口較大,鋼帶繞層也發(fā)生正常的拉伸斷裂。這更充分說(shuō)明,在實(shí)際內(nèi)壓略超 1.25倍設(shè)計(jì)內(nèi)壓即 37.5 MPa設(shè)計(jì)內(nèi)壓時(shí),當(dāng)外部鋼帶繞層直至達(dá)到其極限強(qiáng)度仍然保有某一強(qiáng)度之前,內(nèi)筒與容器端部封頭的斜面焊接聯(lián)接部位即便先后發(fā)生兩次內(nèi)筒環(huán)向焊縫的嚴(yán)重?cái)嗔?其斜面焊縫依然完好,和內(nèi)筒相聯(lián)的端部封頭仍會(huì)被鋼帶繞層強(qiáng)力拉住,起到了一種意義更為重大的保護(hù)作用,即:內(nèi)筒環(huán)縫軸向開(kāi)裂,繞層也仍有“抑爆抗爆”效果[10]。

2.6 繞帶容器在線安全狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警試驗(yàn)

一種新型特殊的壓力容器在線安全自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警和泄漏介質(zhì)自動(dòng)收集與導(dǎo)引處理裝置,于 1984年在鋼帶交錯(cuò)纏繞高壓容器上成功進(jìn)行了工程規(guī)模的試驗(yàn)研究。該試驗(yàn)容器內(nèi)徑 500 mm,設(shè)計(jì)內(nèi)壓32MPa,內(nèi)筒厚度 16 mm,內(nèi)筒外壁交錯(cuò)纏繞 4 mm厚的鋼帶 12層,且在其內(nèi)筒內(nèi)壁制作了一條長(zhǎng)約150 mm、寬約 0.8 mm的相當(dāng)寬大的人工縱向貫穿裂紋 (用適當(dāng)薄片加以填蓋以使容器內(nèi)部升壓時(shí)起密封和試驗(yàn)內(nèi)壓下的承壓作用),而在繞層之外再覆蓋包扎焊接了一層外保護(hù)薄殼,其上帶有一個(gè)開(kāi)孔內(nèi)徑 25 mm的接管上裝有一套簡(jiǎn)易感受內(nèi)部介質(zhì)泄漏的“感壓”元件的在線安全狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警與卸壓導(dǎo)引處理裝置。在實(shí)驗(yàn)室成功做了高壓空氣介質(zhì)的上述試驗(yàn)之后,再移至一合成氨工廠現(xiàn)場(chǎng)成功做了灌注生產(chǎn)實(shí)際所用的高壓氮?dú)浠旌蠚獾脑囼?yàn)。當(dāng)試驗(yàn)容器內(nèi)壓升高至 28 MPa時(shí),人工裂紋密封薄片突然爆破,高壓氮?dú)浠旌蠚鈴膬?nèi)筒如此寬大的人工裂紋中沖出,但通過(guò) 12層交錯(cuò)纏繞的鋼帶之間的曲折縫隙后,其內(nèi)壓降低顯得有些緩慢,同時(shí)發(fā)出報(bào)警并將可燃易爆的氮?dú)浠旌蠚庾詣?dòng)卸壓排放到了高空,直至內(nèi)部介質(zhì)排放完畢,試驗(yàn)容器和周圍環(huán)境安然無(wú)恙。試驗(yàn)獲得了完全成功。類似的一套在線安全狀態(tài)自動(dòng)報(bào)警監(jiān)控與介質(zhì)泄漏導(dǎo)引處理裝置還被成功安裝使用在一大型化工生產(chǎn)企業(yè)的一臺(tái)內(nèi)徑 1000 mm、內(nèi)高約 20 m、設(shè)計(jì)內(nèi)壓 13.4MPa的繞帶式甲醇合成塔上。該裝置通過(guò)某種適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)單可靠的 “感壓”或化學(xué)成分 “超標(biāo)報(bào)警”等感受元件,來(lái)感受通過(guò)內(nèi)筒裂紋滲漏或泄漏出來(lái)的內(nèi)部介質(zhì),自然非常簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)可靠。容器在“抑爆抗爆”的前提條件下即使內(nèi)筒發(fā)生裂紋擴(kuò)展,通常都有一個(gè)因工作循環(huán)而使內(nèi)筒殼壁裂紋不斷擴(kuò)展而出現(xiàn)內(nèi)部介質(zhì)發(fā)生微量滲漏的一定時(shí)間過(guò)程。因而就可通過(guò)在線安全狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)控裝置中感受某一壓力或某種化學(xué)成份變化的元件發(fā)出“超標(biāo)”報(bào)警[2]。

3 結(jié)論

通過(guò)近 40年扁平鋼帶交錯(cuò)纏繞式高壓容器的長(zhǎng)期安全應(yīng)用和幾十臺(tái)不同大小的繞帶容器多方面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞試驗(yàn)研究表明,該容器應(yīng)用于新能源氫的儲(chǔ)運(yùn)方面具有許多優(yōu)勢(shì)。

由于扁平鋼帶對(duì)容器環(huán)向和軸向均有加強(qiáng)作用,容器焊縫得到大大減少,制造得到簡(jiǎn)化,成本得到降低,鋼帶的預(yù)應(yīng)力優(yōu)化控制使筒壁的應(yīng)力水平得以優(yōu)化;容器殼壁具有抑爆抗爆的安全性,在操作或設(shè)計(jì)內(nèi)壓作用條件下容器內(nèi)筒發(fā)生任何裂紋嚴(yán)重?cái)U(kuò)展的最壞情況就是內(nèi)筒只會(huì)泄漏,容器不會(huì)整體爆破;容器可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可靠的在線安全狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)控,并可實(shí)現(xiàn)大量?jī)?chǔ)氫容器的計(jì)算機(jī)集中自動(dòng)安全監(jiān)控。故該類容器符合高壓儲(chǔ)氫容器制造簡(jiǎn)易、成本降低、使用安全的發(fā)展方向。

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＊沈海仁,男,1966年 10月生,高級(jí)工程師。寧波市,315103。

2010-01-08)