气瓶设计(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：陈祖志、黄强华、薄柯、李邦宪 编著

出版社：化学工业出版社

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气瓶设计试读：

气瓶是一种在正常环境温度下盛装介质的移动式压力容器，可盛装的介质包括压缩气体、低压液化气体、高压液化气体、低温液化气体、溶解气体、吸附气体、标准沸点等于或者低于60℃的液体以及混合气体（两种或两种以上气体）。

气瓶带有压力，具有发生爆炸的风险，而盛装的介质有些可燃、有些有毒，一旦发生泄漏，可能引起火灾、人员中毒等安全事故。我国对气瓶按特种设备进行安全监察和管理，其建造、使用、充装、储存、运输等各环节应满足相应的一系列的法律、法规、部门规章、安全技术规范、标准的要求。

设计是气瓶建造的关键环节，设计质量直接关系到气瓶产品的安全质量。设计工作由气瓶制造厂承担，制造厂对制造的气瓶应提供包括设计任务书、设计计算书、设计说明书、标准化审查报告、使用说明书等在内的完整的设计文件。设计文件应当经过鉴定，其鉴定工作由取得国家质量监督检验检疫总局特种设备安全监察机构授权的检验检测机构承担。气瓶设计文件鉴定工作应在气瓶制造前进行，气瓶制造厂不得将未经鉴定或鉴定未通过的设计文件用于气瓶制造。

本文编者长期从事气瓶设计文件鉴定工作，在工作中强烈地感觉到气瓶行业目前亟须一本设计方面的综合性的参考书，因此组织编写了本书。本书阐述了气瓶设计中的关键问题，主要包括：瓶装气体物性参数，气瓶品种、型号和技术参数，设计选材，结构，壁厚计算，螺纹及强度计算，焊接气瓶开孔及开孔补强，有限元应力分析，容积、重量及最大充装量计算，安全泄压装置选用和计算，低温绝热气瓶热传递计算，气瓶附件要求，主要生产工艺要求，气瓶检验和试验，气瓶标识，气瓶充装、储存、运输和使用要求，设计文件要求。本书的编写参照了大量的气瓶相关标准，对于很多气瓶标准中未明确具体要求和方法的内容，本书通过参照大量相关的标准、文献资料，也作了阐述。

本书的编写以简明实用为原则，充分考虑了制造厂设计部门的实际需要。在编写方式上尽量采用表格的方式表述基本知识，在理论方面只作简略的阐述，对需要计算的部分一般都编写了例题，尽量体现可参考性。

本书主要由中国特种设备检测研究院陈祖志、黄强华、薄柯、李邦宪负责编写，大连理工大学化工机械与安全学院刘培启博士负责了本书第9章的编写。

由于编者水平所限，书中不妥和疏漏之处在所难免，另外对标准的理解上，可能也会有所偏差。对于本书中不当之处，敬请读者批评指正。需要声明的是，本书编写的根本目的是为规范气瓶设计程序、内容、方法提供参考，因此本书与手册还有一定的区别，对于气瓶产品的具体技术要求，设计及设计鉴定工作仍应以标准及规范的要求为准。

谢谢!编者2016年11月第1章　绪论1.1　气瓶概述

气瓶是一种在正常环境温度下盛装介质的移动式压力容器，可盛装的介质包括压缩气体、低压液化气体、高压液化气体、低温液化气体、溶解气体、吸附气体、标准沸点等于或者低于60℃的液体以及混合气体（两种或两种以上气体）。目前，气瓶的类别有无缝气瓶、焊接气瓶、焊接绝热气瓶、缠绕气瓶和内部装有填料的气瓶。

按TSG R0006—2014《气瓶安全技术监察规程》，在我国使用的气瓶适用的正常环境温度为-40～60℃，公称容积范围为0.4～3000L，公称工作压力范围为0.2～35MPa，且压力与容积的乘积大于或者等于1.0MPa·L。超出上述范围时，超出规定的内容应经过全国气瓶标准化技术机构技术评审。

气瓶带有压力，具有发生爆炸的风险，而盛装的介质有些可燃、有些有毒，一旦发生泄漏，可能引起火灾、人员中毒等安全事故。因此，气瓶的安全质量事关人民的生命财产安全，必须得到有效保障。我国对气瓶按特种设备进行安全监察和管理，其在国家质量监督检验检疫总局公布的特种设备目录中的代码为2300（经国务院批准），气瓶的建造、使用、充装、储存、运输等各环节的活动应满足相应的一系列的法律、法规、部门规章、安全技术规范、标准的要求。1.2　气瓶基本要求

气瓶设计、型式试验、制造、充装、运输、储存、使用、定期检验、报废以及安全监察是气瓶寿命周期内的重要环节，每一环节均应严格遵守相关法律、法规、安全技术规范、标准的规定。1.设计

气瓶产品的设计文件应当经过设计文件鉴定，设计文件鉴定工作由取得国家质量监督检验检疫总局特种设备安全监察机构授权的检验检测机构承担。气瓶设计文件鉴定工作应在气瓶制造前进行，气瓶设计单位不得将未经鉴定或鉴定未通过的设计文件用于气瓶制造。气瓶设计文件鉴定的内容和要点、鉴定程序、鉴定机构和人员要求应按照TSG R1003—2006《气瓶设计文件鉴定规则》的规定。

气瓶设计的技术要求应符合《气瓶安全监察规定》、TSG R0006—2014《气瓶安全技术监察规程》、TSG R0009—2009《车用气瓶安全技术监察规程》等有关的气瓶安全技术规范以及相应的产品标准（国家标准、行业标准或经评审的企业标准）的规定。境外气瓶制造单位设计的在中国境内使用的气瓶，其气瓶设计文件的技术要求应当符合我国安全技术规范、我国标准或经我国认可的国外标准的要求。2.型式试验

气瓶设计应当经过型式试验验证后才可用于制造，气瓶型式试验应由经过国家质量监督检验检疫总局核准的型式试验机构承担。气瓶型式试验申请、受理、抽样、试验、报告出具等程序以及试验机构和人员等方面的管理规定应按照TSG R7002—2009《气瓶型式试验规则》。

气瓶上所配置的气瓶附件，安全技术规范及相应标准有规定的，应当先进行气瓶附件的型式试验，再进行气瓶型式试验，对瓶阀及安全泄放装置的型式试验与气瓶的型式试验相关时，如车用气瓶及其瓶阀附件，需要更换瓶阀附件时，不仅要选用通过了型式试验的瓶阀，还一定要选用与气瓶一起进行过型式试验的瓶阀，才能保证气瓶与瓶阀附件安全性能的一致性和适配性。

气瓶型式试验的项目、内容、方法、合格判定等方面的技术要求应符合TSG R0006—2014 《气瓶安全技术监察规程》、TSG R0009—2009《车用气瓶安全技术监察规程》、TSG R7002—2009《气瓶型式试验规则》等有关的气瓶安全技术规范以及相应的设计标准（国家标准、行业标准或经评审的企业标准）的规定。3.气瓶制造

气瓶制造单位应取得相应品种的特种设备（气瓶）制造许可证。气瓶制造许可按照《锅炉压力容器制造监督管理办法》（国家质量监督检验检疫总局令第22号）的规定。

气瓶的制造工艺、检验检测、制造质量、出厂资料应满足TSG R0006—2014《气瓶安全技术监察规程》、TSG R0009—2009《车用气瓶安全技术监察规程》等有关的气瓶安全技术规范以及相应的产品标准（国家标准、行业标准或经评审的企业标准）的规定。

气瓶产品的制造过程应当由监检机构进行安全性能监督检验，监督检验按TSG R7003—2011《气瓶制造监督检验规则》，监检机构应当对经监督检验合格的气瓶按批出具《气瓶产品制造监督检验证书》。4.气瓶充装

气瓶充装单位应取得相应的气瓶充装许可证，气瓶充装许可按TSG R4001—2006《气瓶充装许可规则》的规定，气瓶充装站条件应满足GB 27550—2011《气瓶充装站安全技术条件》的要求。

气瓶的充装管理制度、充装过程、设备要求、检查要求、安全基本要求、充装记录等除了应满足TSG R0006—2014《气瓶安全技术监察规程》、TSG R0009—2009《车用气瓶安全技术监察规程》，还应满足相应类别气体充装标准的要求，如：低温液化气体充装应满足GB 28051—2011《焊接绝热气瓶充装规定》、液化气体的充装应满足GB 14193—2009《液化气体气瓶充装规定》、压缩气体的充装应满足GB 14194—2006《永久气体气瓶充装规定》、乙炔气体的充装应满足GB 13591—2009《溶解乙炔气瓶充装规定》。5.使用

所有在用气瓶应向使用登记机关办理使用登记，使用登记由固定充装单位办理，具体按TSG R5001—2005《气瓶使用登记管理规则》的规定。

气瓶设计时，应结合气体物性，并根据TSG R0006—2014 《气瓶安全技术监察规程》、TSG R0009—2009《车用气瓶安全技术监察规程》、相应的气瓶产品标准以及气体安全使用方面的相关标准，编写气瓶《使用说明书》。气瓶《使用说明书》应经过设计文件鉴定机构的鉴定，气体属于危险化学品的，其使用应符合危险化学品使用管理方面的法律法规、安全技术规范及标准的规定。燃气气瓶的使用，还应符合安全生产、公安消防以及燃气行业的有关法律法规、安全技术规范及相应标准的规定。

气瓶充装单位负责对瓶装气体的经销单位和消费者进行安全使用知识的宣传和培训。瓶装气体经销单位及消费者应当建立相应的安全管理制度和操作规程，配备必要的防护用品，指派掌握相关知识和技能的人员管理气瓶，并进行应急演练；发现气瓶出现异常情况时，应当及时与充装单位联系。6.运输

气瓶的设计制造单位应根据瓶装气体性质，严格依照TSG R0006—2014《气瓶安全技术监察规程》、TSG R0009—2009《车用气瓶安全技术监察规程》以及气体安全使用相关法律法规、安全技术规范、标准的规定，在气瓶《使用说明书》中对气瓶的人工搬运、车辆运输、吊装等的安全基本要求、注意事项等作出规定。充装危险化学品的气瓶，其运输还应符合我国危险化学品运输相关法律、法规、规范及标准的规定。气瓶运输单位应对运输人员进行操作规程培训和安全教育。7.储存

气瓶设计制造单位应在气瓶《使用说明书》中对气瓶储存的安全基本要求作出规定。储存气瓶的单位，应根据气瓶《使用说明书》的要求，制定相应的管理制度和安全技术操作规程，并对管库人员进行专业技术培训。8.定期检验

在用气瓶应进行定期检验，定期检验由经过核准的检验机构承担，核准按TSG Z7001—2004《特种设备检验检测机构核准规则》的规定，定期检验工作应按照核准的检验范围进行。

气瓶定期检验机构和人员、检验程序、定期检验周期、定期检验项目内容和方法等方面的要求除了应符合TSG R0006—2014 《气瓶安全技术监察规程》、TSG R0009—2009《车用气瓶安全技术监察规程》等有关的气瓶安全技术规范的规定，还应满足相应品种气瓶定期检验标准（国家标准、行业标准或经评审的企业标准）的规定，如呼吸器用复合气瓶的定期检验应符合GB 24161—2009《呼吸器用复合气瓶定期检验与评定》，汽车用压缩天然气钢瓶的定期检验应符合 GB 24162—2009《汽车用压缩天然气金属内胆纤维环缠绕气瓶定期检验与评定》的规定，长管拖车、管束式集装箱用大容积气瓶的定期检验应满足TSG R0005—2011《移动式压力容器安全技术监察规程》的规定。9.报废

气瓶的使用期限应符合TSG R0006—2014 《气瓶安全技术监察规程》、TSG R0009—2009《车用气瓶安全技术监察规程》等有关的气瓶安全技术规范以及相应的产品标准（国家标准、行业标准或经评审的企业标准）的规定。使用期限超过设计使用年限的气瓶一般应予以报废，对于有关安全技术规范规定的可以经安全评定后延长使用期的气瓶，其延长使用期限应满足相应的规定。气瓶定期检验结论为不合格的，应予以报废。

对于报废气瓶应进行消除使用功能处理，消除报废气瓶使用功能的处理由当地质监部门指定单位负责。消除使用功能处理应当采用压扁或者将瓶体解体等不可修复的方式，不得采用钻孔或者破坏瓶口螺纹的方式。承担气瓶消除使用功能处理的机构或者单位应当将消除使用功能处理的气瓶进行登记，并每年向所在市级质监部门报告。报废气瓶应当由气瓶产权单位办理气瓶使用登记注销手续。气瓶充装单位或者检验机构不得将未进行消除使用功能处理的报废气瓶转卖他人。10.安全监察

气瓶的设计、型式试验、制造、充装、运输、储存、使用、定期检验、报废各环节均应接受国家质检总局和各级质监部门负责气瓶的安全监察工作。气瓶制造、充装单位和检验机构等，应当按照安全技术规范及相应标准的规定，及时将有关制造、使用登记、充装、检验等数据输入有关特种设备信息化管理系统。1.3　气瓶事故案例统计分析

将气瓶作为特殊种类的设备进行管理，建立专门的安全保障法规标准体系对其建造质量、充装使用、检验检测等进行规范，主要是因为气瓶存在发生泄漏、爆炸等安全事故的风险。国家质检总局特种设备事故调查处理中心与中国特种设备检测研究院组织编写的《特种设备典型事故案例集（2005—2013）》一书收录了2005～2013年间发生的192起气瓶典型事故，该书就事故气瓶品种、事故发生环节、事故特征对这192起事故进行了统计分析。

不同品种气瓶发生的事故案例数占总案例数的比例见图1.1，其中氧气瓶事故案例数占总事故案例数的46.3%，液化石油气钢瓶事故案例数占总事故案例数的25.5%，车用CNG气瓶事故案例数占总事故案例数8.1%，其余气瓶占20%。《特种设备典型事故案例集（2005—2013）》一书中对多数事故案例的原因并没有给出，本书对其中原因也不作分析，上述统计结果提示气瓶行业对氧气瓶、液化石油气钢瓶、车用CNG钢瓶等品种事故发生率较高的气瓶的建造和使用应予以关注。

事故的基本形式有爆炸和泄漏两种，统计得到的爆炸和泄漏事故的比例见图1.2 ，爆炸所占的比例为89.8%，泄漏事故所占的比例为10.2%，大多数泄漏事故最终都演化为燃烧和爆炸事故。不同服役环节发生的事故案例的比例见图1.3，其中充装事故大多数都是由气体错装、混装引起的，运输环节发生的事故多数都是由装卸、搬运时野蛮操作导致的，使用环节发生的事故多数是不按规程操作引起的，而储存环节发生的事故很多是由气瓶超期未检等原因引起的，这些统计结果提示了在气瓶的相应服役环节对上述问题应尤为注意。图1.1　不同品种气瓶事故案例比例（2005—2013）图1.2　不同特征事故案例比例（2005—2013）图1.3　不同服役环节气瓶事故案例比例（2005—2013）1.4　气瓶失效模式

对于承压设备，掌握其失效模式，在建造阶段即采取有效的防止措施，是保证产品本质安全的关键所在。气瓶虽然结构简单，但服役条件较为复杂，不但要承受内部介质引起的压力、腐蚀等作用，还可能承受外部环境的机械力作用、化学作用、热作用、光作用等，因此气瓶的失效模式并不简单。气瓶标准体系中直接或间接考虑的失效模式主要有以下几种。1.脆性断裂

断裂时不发生明显变形（塑性变形）的断裂称为脆性断裂。气瓶发生脆性断裂失效时，无明显的形状变化，没有直径的增大及壁厚的减薄，断裂后一般都会产生碎片。

发生脆性断裂时，气瓶内压力可能远低于最高允许工作压力，断面的名义应力远小于材料的屈服强度。脆性断裂的根本原因是断裂处材料的塑性或韧性不充足，具体诱因可能是材料存在缺陷、应力集中、冲击、低温、残余应力、硬度过高等。

几乎所有品种气瓶设计时均考虑了脆性断裂失效模式，所采取的防止措施主要有：选用具有良好韧性和塑性的原材料，焊接气瓶焊后进行回火或消除应力热处理并对焊缝进行冲击试验，无缝气瓶成型后进行退火或回火热处理，对气瓶进行无损检测，瓶体以及焊缝均要求采用尽可能圆滑的结构，通过水压爆破试验验证断裂形式及断裂时的变形量，通过跌落、枪击、爆炸冲击等试验验证气瓶的抗冲击性能，对瓶体进行弯曲和压扁试验验证变形能力，对热处理后的硬度上限值进行控制，限定气瓶的使用环境温度，等等。2.延性断裂

断裂时有明显变形（塑性变形）的断裂称为延性断裂。气瓶发生延性断裂时，瓶壳的整体或较大局部区域内有肉眼可见的宏观变形，会伴随着直径的增大（出现鼓胀）、壁厚的减薄，瓶体整体出现鼓胀，断裂后一般不会形成碎片，断口形状一般有一定的规律。

延性断裂的根本原因是载荷产生的应力达到或接近材料的抗拉强度，具体原因可能是内压过高或壁厚过薄。造成内压过高的原因又有液化气体气瓶充装过量，气瓶意外受热，瓶内发生燃烧、聚合、分解等化学反应；造成壁厚过薄的可能原因有瓶体腐蚀、磨损、冲击或挤压变形等。

所有品种气瓶设计均考虑延性断裂失效模式，所采取的防止措施主要有：选用强度符合要求的原材料，对瓶体结构强度进行分析计算，规定材料的强度保证值并通过拉伸试验进行验证，对瓶体壁厚进行检测，考虑腐蚀裕量，对气瓶的充装量进行控制，通过水压试验验证气瓶的整体强度，通过爆破试验验证气瓶的爆破压力，等等。3.疲劳断裂

在交变载荷作用下，经一定循环次数后产生裂纹和瞬时发生断裂失效的过程，称为疲劳断裂。气瓶发生疲劳断裂时，瓶体无明显的整体屈服变形，断裂的位置不固定，一般只是裂开一道较小的缝后泄放出介质，不会裂成碎片。

疲劳断裂是由在交变应力作用下形成的疲劳裂纹的失稳扩展引起的。疲劳应力较低时（在弹性范围内），失效时经历的循环次数较多，一般称为高周疲劳（弹性疲劳）；疲劳应力较高时，失效时经历的循环次数较少，一般称为低周疲劳（弹-塑性疲劳）；当疲劳应力很高，超出材料屈服极限的2倍时，结构处于不安定状态，经过很少的循环次数就会发生疲劳断裂，一般称为塑性疲劳。气瓶发生疲劳断裂的具体原因有结构不良造成的应力集中，气瓶存在制造缺陷，热冲击，振动等。疲劳断裂的位置不固定，但总是在应力集中部位首先开始。

多数气瓶的设计考虑了疲劳失效模式，所采取的防止措施有：瓶体结构要求尽可能圆滑，通过疲劳试验、振动试验验证气瓶的抗疲劳性能，对气瓶的设计使用年限进行限制，等等。4.失稳失效

容器在压应力的作用下，突然失去其原有的规则几何形状引起的失效，称为失稳失效。发生失稳失效时，容器会出现压瘪、扭曲等形状上的明显变化。

失稳失效是由压应力超过其临界值引起的，产生压应力的原因有环境外压力、轴向外力、局部径向挤压力。失稳时容器中的压应力未超过材料屈服点的，称为弹性失稳；失稳时容器中的压应力超过材料屈服点的，称为塑性失稳。弹性失稳的临界载荷主要取决于容器的尺寸和材料的弹性性质，临界压力与强度无关。塑性失稳的临界载荷与材料的强度有关。

大多数品种气瓶设计时均考虑了失稳失效，钢质无缝气瓶、钢质焊接气瓶、铝合金无缝气瓶等均考虑了轴向外力引起的失稳，纤维缠绕复合气瓶考虑了内胆受缠绕层外压力引起的失稳，低温绝热气瓶考虑了外壳受大气压力引起的失稳。所采取的防止措施有：通过外压结构设计方法防止整体失稳；通过局部的应力分析和评定，控制局部的塑性失稳；对瓶体的直线度、圆度，内压封头的形状系数、尺寸公差等通过试验验证进行控制，等等。5.腐蚀失效

因为材料腐蚀引起的失效，称为腐蚀失效。腐蚀是材料由于环境的作用而引起的破坏和变质，腐蚀的形态分为均匀腐蚀（全面腐蚀）和局部腐蚀，局部腐蚀又分为电偶腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、剥蚀、选择性腐蚀、丝状腐蚀等。腐蚀要么导致承载截面积的减小，要么导致承载截面结构连续性的破坏，最终引起材料的断裂。腐蚀失效多数都伴随着生锈、结垢等表面可见痕迹，也有一些腐蚀表面看不到任何痕迹，如晶间腐蚀。腐蚀所引起的断裂一般有明显的塑性变形，具有延性断裂的特征。

腐蚀机理主要有：化学腐蚀、电化学腐蚀、冲蚀、微生物腐蚀。化学腐蚀是金属与环境介质发生化学反应，生成金属化合物的腐蚀；电化学腐蚀是金属与电解质溶液发生氧化-还原电池反应，金属被氧化同时有电流伴生的腐蚀；冲蚀是金属材料表面与腐蚀流体冲刷的联合作用，而引起材料局部的金属腐蚀；微生物腐蚀是材料表面在某些微生物的影响下所发生的腐蚀。气瓶的腐蚀分为内壁腐蚀和外壁腐蚀，内壁腐蚀由盛装介质引起，外壁腐蚀由环境流体引起。腐蚀取决于介质与金属材料的相容性，冲蚀还取决介质的流向、流速，介质中的颗粒性质等。

所有气瓶的设计均考虑腐蚀失效模式，采取的防止措施有：选用与盛装介质相容的材料，壁厚计算时考虑腐蚀裕量，结构设计时考虑防积液、防冲刷等防腐蚀措施，对介质以及试验液体的纯度、腐蚀成分含量等进行控制，刷防腐涂层，储存时考虑防腐蚀措施，通过试验堆材料的晶间腐蚀敏感性进行验证，等等。6.应力作用下的腐蚀断裂（1）应力腐蚀（SCC）断裂

应力腐蚀断裂是金属材料在固定拉应力和某种特定腐蚀介质中发生的断裂。应力腐蚀断裂是一种典型的低应力滞后断裂，滞后断裂过程分为裂纹孕育期（由于腐蚀导致应力集中，产生裂纹源成核的萌生阶段）、裂纹扩展期（裂纹源成核后逐渐扩展直至临界尺寸）、快速断裂期（裂纹到达临界尺寸后，由于纯力学作用使裂纹失稳而导致断裂）三个阶段。应力腐蚀断裂的容器整体无宏观的塑性变形，断裂处壁厚基本不减薄，一般不产生碎片，断口呈脆性断裂形貌。

应力腐蚀断裂是应力和腐蚀介质的共同作用形成的，特定的金属只有在特定的腐蚀介质中才能产生，如碳钢或低合金钢在湿硫化氢环境中，钢在一氧化碳中，碳钢和低合金钢在含氧和二氧化碳的液氨中。导致应力腐蚀开裂的名义应力值，要比没有腐蚀介质存在时材料断裂所需要的小得多。应力腐蚀对残余应力等不均匀的应力最为敏感，因此应力腐蚀多发生于有残余应力的部位。

气瓶的设计考虑了应力腐蚀断裂，采取的防止措施有：选用具有相容性的材料，对盛装有应力腐蚀倾向介质的钢质气瓶的材料的抗拉强度上限值、屈强比、断后伸长率提出特殊要求，对材料的S、P含量进行限定，通过应力腐蚀试验对材料的抗应力腐蚀能力进行验证，通过热处理消除焊接残余应力，等等。（2）氢脆（HE）断裂-+

氢脆是由于氢扩散到金属中以固溶态（氢以H、H、H的形态，固溶于金属中）存在或生成氢化物，使材料的韧性下降，在残余应力或外部载荷的作用下形成裂纹进而断裂的现象。氢脆引起的开裂以表面开裂为主，也可能发生在表面下，氢脆断裂断口主要呈现脆断形貌。

氢脆断裂来源于氢和应力的共同作用，氢可能是设备中原来就存在，也可能是电镀或酸洗过程中氢渗入钢中，还可能是使用后由介质中吸收进入的，如氢气、甲烷、天然气、硫化氢中所含的氢就可能渗入钢中。介质中含氢的容器是否会发生氢脆，取决于操作温度、氢分压、作用时间和钢的化学成分。

气瓶的设计考虑氢脆断裂失效模式，采取的防止措施有：选用耐氢脆性合金，对盛装氢气、甲烷、天然气等有氢脆倾向的钢质气瓶的材料的抗拉强度上限值、曲强比、断后伸长率提出特殊要求，对材料的S、P含量进行限定，通过氢脆试验对材料的抗氢脆能力进行验证，通过热处理消除残余应力，等等。7.接头泄漏失效

介质在接头处泄漏引起的失效，称为接头泄漏失效。泄漏不仅可能引起中毒、燃烧和爆炸等事故，而且会造成环境污染。气瓶的结构简单，接头一般只有瓶阀与瓶口或阀座、易熔合金塞与塞座之间少数的接头。

泄漏的根本原因是接头出现了间隙。具体原因可能有连接结构不合理，螺纹牙过度变形，密封材料选用不合理等。

所有气瓶设计均考虑接头泄漏失效，采取的防止措施有：选用标准的螺纹连接接头，对螺纹连接强度进行校核，对密封材料提出要求，对上阀扭矩进行规定，通过气密性试验对接头的致密性进行验证，等等。8.纤维缠绕气瓶缠绕层的失效（1）过载断裂失效

由于气瓶内部载荷超过缠绕层所能承受的极限载荷时所发生的断裂，称为过载断裂失效。缠绕层过载断裂的具体形态受纤维缠绕线型及承受的载荷形式的影响，主要表现为脆性断裂特征，具体的又有脆性断裂、附带有纤维拔出的脆性断裂、带有纤维拔出和截面基体剪切破坏以及组分脱胶的脆性断裂三种。缠绕层断裂的典型过程为：首先在最薄弱的横截面上纤维发生起始断裂，然后随着载荷的增加，更多的纤维发生断裂，随后由于纤维断裂数目的增加，纤维层某一个横截面变得太薄弱，支撑不了增长着的载荷，最后导致整个材料的断裂，因此纤维层的断裂失效是一个渐进的过程。

过载的原因可能是介质内压力超过气瓶最高允许工作压力，也可能是缠绕层内部出现了损伤，损伤的形式有纤维断裂、基体微观开裂、纤维与基体分离（脱胶）、复合材料中铺层彼此分离（分层）等，损伤累积到一定程度后就会影响材料的宏观性能。

所有品种的纤维缠绕气瓶设计时均考虑了过载断裂失效模式，所采取的防止措施主要有：通过有限元方法分析缠绕层强度，对缠绕层材料强度保证值进行限定并通过拉伸试验和剪切试验进行验证，通过水压试验、水压爆破试验验证气瓶的静强度和爆破强度，通过枪击试验、跌落试验验证缠绕层强度对冲击载荷的敏感性，等等。（2）疲劳断裂

纤维缠绕气瓶缠绕层也会出现疲劳断裂失效。各向异性的复合材料的疲劳失效过程比金属材料复杂得多，其很少出现单一裂纹控制的破坏机理，而是由多重裂纹并行扩展最终导致材料性能降低到一定程度后破坏。复合材料初始损伤或缺陷的尺寸比金属大，但多种损伤形式和增强纤维的牵制作用使复合材料呈现出良好的断裂韧性和低的缺口敏感性，因此纤维缠绕复合材料的疲劳寿命长于金属材料。

纤维缠绕复合材料的疲劳性能与纤维和树脂材料的性能、纤维所占的体积分数、纤维缠绕结构、纤维与树脂胶结界面性能、载荷的形式、平均应力、加载频率等因素有关。目前对缠绕层的疲劳失效还没有理论分析方法，复合材料的疲劳设计仍依靠大量的试验。

纤维缠绕气瓶的设计考虑了疲劳断裂失效模式，所采取的防止措施有：通过常温压力循环试验、极限温度压力循环试验验证气瓶常温、高温、低温条件下抗疲劳性能，通过热循环试验验证气瓶的抗热冲击疲劳性能，通过裂纹容限试验验证缠绕层疲劳对裂纹的敏感性，等等。（3）蠕变断裂

蠕变断裂是固体材料在应力长时间作用下缓慢发生变形最终引起的断裂。树脂基体在长期静载荷作用下会产生较大的蠕变，而纤维的蠕变量很小，因此纤维缠绕复合材料的蠕变主要是由基体引发的，其受应力方向、应力水平、温度等因素的影响。试验表明：当应力主要作用在纤维方向时（如纵向拉伸或弯曲蠕变），其蠕变量很小；而当应力方向与纤维方向呈现45°时，蠕变量最大；当应力大于纤维静强度50%时，蠕变断裂在一定的时间内就会发生；由基体性能控制的复合材料性能的蠕变随温度的升高而增大。

纤维缠绕气瓶的设计考虑了蠕变断裂失效，所采取的防止措施有：对纤维的应力比进行控制，如呼吸器用复合气瓶一般控制气瓶工作压力下的纤维应力不超过爆破压力下的纤维应力的30%，此时蠕变一般可以忽略，此外还通过加速应力破裂试验、高温蠕变试验验证蠕变性能。9.低温绝热气瓶的绝热失效

低温绝热气瓶的关键在于其绝热性能，一旦发生绝热失效，不但导致气瓶失去盛装低温液化气体的功能，还可能引起气瓶爆炸等安全事故。绝热失效一般表现为内部升压速率过快、安全卸压装置频繁起跳，瓶体外壳表面异常结霜或结露等。

低温绝热气瓶采用的绝热形式为高真空多层绝热，绝热失效可能的原因有真空夹层致密性破坏、绝热层溃散、真空丧失或真空度降低等。绝热失效是低温绝热气瓶设计时考虑的主要失效模式之一，采取的防止措施主要有：设计时对气瓶总热传递进行计算，对绝热材料的性能明确要求，对真空夹层真空度、漏放气速率、漏率明确要求并进行试验测试验证，对气瓶静态蒸发率进行限定并通过试验测试验证，通过火烧试验验证气瓶在极度工况条件下的绝热性能，通过振动试验、跌落试验验证真空夹层抗破坏能力，等等。1.5　气瓶损伤模式

气瓶事故是由气瓶的失效引起的，而失效又主要是由原始制造缺陷的扩展或损伤的累积造成的。掌握气瓶的损伤模式并在气瓶的储存、运输、使用、充装等各个阶段采取有效的预防措施，是气瓶安全保障的重要方面。

国家标准《承压设备损伤模式识别》（GB/T 30579—2014）将承压设备损伤模式分为五大类，分别是腐蚀减薄、环境开裂、机械损伤、材质劣化及其他损伤。气瓶使用条件与该标准所针对的设备的使用条件有所不同，因此损伤模式也存在不同。气瓶的损伤模式可参考GB/T 30579—2014标准进行分类，气瓶使用和检验中所考虑的损伤模式类别见表1.1。表1.1　气瓶常见损伤损伤模式损伤类别腐蚀减薄均匀腐蚀，局部腐蚀；外腐蚀，内腐蚀；化学品腐蚀，电化学腐蚀环境开裂瓶口裂纹，瓶体裂纹，硫化氢应力腐蚀开裂凹陷，凹坑，磕伤，划伤，凿伤，变形（圆度、直线度变化），裂纹（疲机械损伤劳），变形，磨损，撞击损伤，擦伤，冲击伤，螺纹缺口材质劣化热损伤，火焰损伤，弧疤，焊迹，电弧烧伤其他损伤鼓包，凹陷，老化（适用于复合材料气瓶）第2章　常用瓶装气体物性参数2.1　引言

常用瓶装压缩气体的种类有100余种，每种气体都具有自己独特的物理性质。气体的物性参数是气瓶设计的重要依据，气瓶的公称工作压力确定、选材、结构设计、充装量计算、安全泄压装置选用及泄放面积计算等均需要考虑气体的物性参数。

气瓶设计时需要重点考虑的物性参数主要有相态、腐蚀性、毒性、燃烧性、可压缩性、密度、饱和蒸汽压力、汽化潜热、绝热指数等。2.2　物质的相及相变

物质随温度和压力的变化，可能以不同的聚集状态存在，如图2.1所示，共有四种聚集状态，分别是气态、固态、液态、超临界态。其中，气态没有一定的形状和体积；固态既有一定的形状，也有一定的体积；液态有一定的体积，但是没有一定的形状；物质处于超临界态时，没有一定的形状和体积，这一特点与气体相同，但是又有很多与液态相近的性质，如密度、溶解度等。图2.1　物质相图示意图

随着温度、压力的变化，物质在气态、液态、固态之间会发生相互转化。物质由气态变为液态的过程称为液化，由液态变为气态的过程称为汽化，由液态变为固态的过程称为凝固；由固态变为液态的过程称为熔化，由固态变为气态的过程称为升华，由气态变为固态的过程称为凝华。汽化、熔化、升华是吸热过程，液化、凝固、凝华过程是放热过程。对于瓶装气体，主要涉及气态和液态之间的变化，即汽化或液化，其中汽化过程又包括蒸发和沸腾。

图2.1中的T表示临界温度，p表示临界压力。临界温度是使物cc质由气态变为液态的最高温度，也是物质以液态存在的最高温度，在临界温度以上，无论怎么增大压强，气态物质都不会液化。每种物质都有唯一的临界温度，物质的临界温度越低，其越难液化。通常把在临界温度以上的气态称为“气体”，把在临界温度以下的气态称为“汽体”。临界压力是在临界温度时使气体液化所需要的最小压力。在临界温度和临界压力之下，气态和液态已无明显差别，超过临界压力时，温度降至临界温度以下就全部变成液体，没有相变阶段和相变潜热，反之的汽化过程也是如此。

图2.1中的T是三相点温度，p是三相点压力，分别是物质气态、rr固态、液态三相共存时的温度值和压力值。2.3　气体状态变化规律

气体的状态可用压力p、温度T、体积V表示，其中体积V有时也用密度ρ或比体积ν（单位质量气体的体积）代替，气体的压力p、温度T、体积V满足一定的关系式，称为气体状态方程式。气体状态发生变化时也满足一定的规律。1.理想气体

理想气体是从微观角度来看，分子本身体积与分子间作用力都可以忽略不计的气体。在压力不太高、温度较高、密度较小、流速较小的场合（离液态较远），气体可近似按理想气体考虑。理想气体状态方程满足如式（2.1）所示的克拉贝隆（Clapeyron）方程（2.1）式中　p　——气体压强，Pa；3

　ρ　——气体密度，kg/m；

　R　——气体常数，J/（kg·K），采用式R=µR计算；m-1-1

　R——通用气体常数，R =8314J·kmol·K；m　m

　µ　——气体分子量，kg/kmol；

　T　——气体温度，K。

理想气体状态由状态1变化到状态2时，对于定容过程（容积保持不变的过程）、定压过程（压力保持不变的过程）、定温过程（温度保持不变的过程）、绝热过程（介质与外界不发生热量交换的过程），两个状态下的状态参数分别满足式（2.2）、式（2.3）、式（2.4）、式（2.5）。

定容过程：（2.2）

定压过程：（2.3）

定温过程：（2.4）

绝热过程：（2.5）式中：

K——绝热指数，K是气体定压比热容和定容比热容之比，即K=C/C。pv2.实际气体

实际气体的分子本身体积与分子间作用力都不可忽略，并且随着压力的增大、温度的降低，分子间距离减小，分子本身所占据的体积比例增大，分子间作用力增大，分子的活动空间变小，实际气体物性将偏离理想气体更远。实际气体能否看作理想气体处理，不仅取决于实际气体的种类，而且取决于气体所处的状态。

实际气体的状态方程有通过理论分析得到的、经验和半经验的众多公式，但还没有适用于所有介质的准确度高的公式。实际气体有影响的状态方程是如式（2.6）所示的范德瓦尔方程。式（2.6）中的a、b为与介质种类有关的试验参数。（2.6）2.4　常用瓶装气体分类及名称、分子式、分子量

常用瓶装气体可以分为压缩气体、低压液化气体、高压液化气体、低温液化气体、溶解气体和吸附气体。（1）压缩气体

压缩气体是指在-50℃时加压后完全是气态的气体，包括临界温度（T）低于或者等于-50℃的气体，也称永久气体。常用瓶装压缩c气体名称、分子式、分子量见表2.1。（2）低压液化气体

低压液化气体是指临界温度高于65℃的气体，在温度高于-50℃时加压后部分是液态。常用瓶装低压液化气体名称、分子式、分子量见表2.2。（3）高压液化气体

高压液化气体是指临界温度在-50～65℃的气体，在温度高于-50℃时加压后部分是液态。常用瓶装高压液化气体名称、分子式、分子量见表2.3。（4）低温液化气体

低温液化气体是指在运输过程中由于深冷低温而部分呈液态的气体，临界温度（T）一般低于或者等于-50℃，也称为深冷液化气体c或者冷冻液化气体。常用的低温液化气体有液化空气、液氩、液氦、液氮、液化天然气、液氖、液氧。（5）溶解气体

溶解气体是在压力下溶解于溶剂中的气体。溶解乙炔气体是最常用的溶解气体。（6）吸附气体

吸附气体是在压力下吸附于吸附剂中的气体。对于H、天然2气，科技界正在研究其吸附储存方式。表2.1　常用瓶装压缩气体名称、分子式、分子量表2.2　常用瓶装低压液化气体名称、分子式、分子量续表表2.3　常用瓶装高压液化气体名称、分子式、分子量续表2.5　常用瓶装气体的燃烧性、毒性及腐蚀性1.燃烧性

根据燃烧的潜在危险性，气体可分为不燃（惰性）、助燃（氧化性）、易燃（在空气中爆炸下限值小于10%的气体）、自燃（易燃气体在空气中的自燃温度小于100℃）、强氧化性、分解或聚合几个类型。常用瓶装压缩气体、低压液化气体、高压液化气体的燃烧性分别见表2.4、表2.5、表2.6。2.毒性

采用LC表征气体的毒性，LC表示在动物急性毒性试验中，5050使受试动物半数死亡的毒物浓度。对于LC＞5000ppm（V/V）的，50为无毒；对于200ppm（V/V）＜LC≤5000ppm（V/V）的，为毒；对50于LC≤200ppm（V/V）的，为剧毒。常用瓶装压缩气体、低压液化50气体、高压液化气体的毒性分别见表2.4、表2.5、表2.6。3.腐蚀性

腐蚀性是指气体对于一些物体如金属、人体器官等具有溶解能力或者反应活性。气体的腐蚀性可分为无腐蚀、酸性腐蚀（卤氢酸腐蚀和非卤氢酸腐蚀）、碱性腐蚀。酸性腐蚀是析氢腐蚀，碱性腐蚀是吸氧腐蚀，前者主要发生于比较活泼的金属，后者主要发生于不太活泼的金属。常用瓶装压缩气体、低压液化气体、高压液化气体的腐蚀性分别见表2.4、表2.5、表2.6。表2.4　常用瓶装压缩气体燃烧性、毒性及腐蚀性表2.5　常用瓶装低压液化气体燃烧性、毒性及腐蚀性表2.6　常用瓶装高压液化气体可燃性、毒性及腐蚀性2.6　气体压缩因子

气体压缩因子也称为压缩系数，是描述气体压缩性大小的物理量。压缩因子的定义为式（2.7）。（2.7）式中：

Z——压缩因子，无量纲；

p——气体压强，Pa；3

V——气体体积，m；

n——气体物质的量，mol；3-1-1

R——通用气体常数，8.314Pa·m·mol·K；

T——气体温度，K。

压缩因子反映了实际气体偏离理想气体的程度。理想气体的压缩因子取值为1。实际气体的Z值可能大于1，也可能小于1，Z＞1表明实际气体比理想气体难压缩，Z＜1表明实际气体比理想气体容易压缩，Z偏离1越远，则表明气体偏离理想气体越远。气体在压力较高及流动计算时，一般必须考虑其压缩因子。

压缩因子既是状态的函数，也与物性有关。工程上对特定的某种介质，在已知其压力、温度时，可通过图2.2 压缩因子图查取Z值。图2.2　气体压缩因子图2.7　液化气体密度、饱和蒸汽压及汽化潜热

液化气体的密度是指其单位体积的质量。容器内气相空间和液相之间处于相对稳定的共存状态时（平衡态），即由液体表面逸出进入气相的分子与从气相空间由于受到液体分子的应力和气体压力的作用回到液体中去的分子数量相等时，气相空间的压力称为饱和蒸汽压，气瓶充装完液化气体后放置一定的时间，内部即达到平衡状态。汽化潜热是指温度不变时，单位质量的某种液体物质在汽化过程中所吸收的热量。

液化气体的密度、饱和蒸汽压及汽化潜热均是随温度而发生变化的物性参数，设计时应查阅有关标准、手册确定，并在设计文件中给出数据来源。1.低压液化气体

由于篇幅所限，本书只收集了部分低压液化气体在部分温度下的密度、饱和蒸汽压及汽化潜热数据，见表2.7。表2.7　常见瓶装低压液化气体的密度、饱和蒸汽压及汽化潜热续表续表续表续表续表续表续表续表2.高压液化气体

本书收集了部分高压液化气体在部分温度下的密度、饱和蒸汽压及汽化潜热数据，见表2.8。表2.8　常见瓶装高压液化气体的密度、饱和蒸汽压及汽化潜热

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