TSG21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》中有关纤维增强塑料压力容器技术内容解读

桑临春 李国树 杨宇清 肖丽娟

(1.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司；2.石家庄开发区技源科技有限公司；3.上海市特种设备监督检验技术研究院)

TSG21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》中有关纤维增强塑料压力容器技术内容解读

桑临春*1李国树2杨宇清3肖丽娟1

(1.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司；2.石家庄开发区技源科技有限公司；3.上海市特种设备监督检验技术研究院)

随着TSG21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》(以下简称《大容规》)的颁布实施，纤维增强塑料压力容器的设计、制造将依据新的技术法规进行监督管理。为使相关技术人员透彻理解《大容规》中有关纤维增强塑料压力容器的技术规定，对其中的技术细则进行了详细解读。

TSG21-2016 纤维增强塑料 压力容器 内容解读

多年来，纤维增强塑料压力容器以优良的防腐蚀性能、较好的设计性能、轻质高强、安装简便及耐老化等性能在化工、石化、石油、有色、电力、冶金、化纤、食品加工及环保等行业中得到了广泛的应用。截止2015年，国内采用机械缠绕成型工艺生产的纤维增强塑料设备年产量已达71.5万吨。近几年，随着我国纤维增强塑料压力容器设计、制造技术水平和原材料性能的不断提高，纤维增强塑料压力容器的质量和承压性能得到很大的提高，市场需求量和应用领域也越来越大。为了保证玻璃钢压力容器的安全运行，保障人民生命和财产安全，促进行业发展，规范纤维增强塑料、石墨、塑料及其内衬等非金属压力容器的设计、制造、检验和验收，2004年，国家技术监督总局制定发布了TSG R0001《非金属压力容器安全技术监察规程》(以下简称《非容规》)。2013年7月，国家质检总局开始将《固定式压力容器安全技术监察规程》(TSG R0004-2009)、《非金属压力容器安全技术监察规程》(TSG R0001-2004)、《超高压容器安全技术监察规程》(TSG R0002-2005)、《简单压力容器安全技术监察规程》(TSG R0003-2007)、《压力容器使用管理规则》(TSG R5002-2013)、《压力容器定期检验规则》(TSG R7001-2013)和《压力容器监督检验规则》(TSG R7004-2013)7个技术法规进行整合，形成新的技术规范TSG21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》(以下简称《大容规》)，并于2016年2月22日发布，2016年10月1日正式实施。作为《大容规》中纤维增强塑料压力容器部分的主要编写人员，笔者对《大容规》中有关纤维增强塑料压力容器部分的技术内容做出全面、详细、透彻的解读，以帮助相关技术人员对此部分技术要求做出正确的理解和执行。

1 总则

《大容规》仅适用于安装在固定位置使用的压力容器，不适用于移动式压力容器、气瓶和氧舱。《大容规》适用于必须同时具备以下条件的压力容器：

a. 工作压力大于或者等于0.1MPa；

b. 容积大于或者等于0.03m3，并且内直径(非圆形截面指截面内边界最大几何尺寸)大于或者等于150mm；

c. 盛装介质为气体、液化气体和介质最高工作温度高于或者等于其标准沸点的液体。

在这里，工作压力是指压力容器在正常工作情况下，其顶部可能达到的最高压力(表压力)。容积是指压力容器的几何容积，即由设计图样标注的尺寸计算(不考虑制造公差)并圆整。一般需要扣除永久连接在压力容器内部的内件体积。

容器内介质为最高工作温度低于其标准沸点的液体时，如果气相空间的容积大于或者等于0.03m3，也属于本规程的适用范围。

2 材料

《大容规》中材料部分的基本要求适用于纤维增强塑料压力容器：

a. 压力容器的选材应当考虑材料的力学性能、物理性能、工艺性能和与介质的相容性；

b. 压力容器材料的性能、质量、规格与标志，应当符合相应材料的国家标准或者行业标准的规定；

c. 压力容器材料制造单位应当在材料的明显部位作出清晰、牢固的出厂钢印标志或者采用其他可以追溯的标志；

d. 压力容器材料制造单位应当向材料使用单位提供质量证明书，材料质量证明书的内容应当齐全、清晰并且印制可以追溯的信息化标志，加盖材料制造单位质量检验章；

e. 压力容器制造、改造、修理单位从非材料制造单位取得压力容器材料时，应当取得材料制造单位提供的质量证明书原件或者加盖了材料经营单位公章和经办负责人章的复印件；

f. 压力容器制造、改造、修理单位应当对所取得的压力容器材料和材料质量证明书的真实性、一致性负责；

g. 非金属压力容器制造单位应当有可靠的方法确定原材料或者容器成型后的材料在腐蚀性工况下使用的可靠性，必要时进行试验验证。

3 纤维增强塑料压力容器材料专用要求

纤维增强塑料压力容器指的是以树脂为基体、纤维为增强材料组成的复合材料，俗称玻璃钢，由于纤维增强塑料压力容器的原材料不断发展创新，性能不断提高，种类也不断增加，因此取消了纤维和树脂的种类规定。

新增对纤维增强塑料的具体性能要求。用于压力容器的增强材料品种日趋繁多，需对它与树脂的适应性进行规定。新增了要求纤维材料应当与树脂有良好的浸润性。考虑到树脂性能在不同温度下的衰减速度是不一样的，越接近树脂的热变形温度，衰减速度越快，因此应当规定合理的温度安全空间。新增了要求复验树脂热变形温度，并且热变形温度应高于设计温度20℃以上。基于对纤维增强塑料压力容器需进行二次粘接的考虑，新增了要求粘接所用材料性能不低于被粘接元件所用材料的性能。热塑性塑料指的是以热塑性树脂如PVC、PP及PVDF等为主要成分，并添加各种助剂而配制成的塑料，基于对热塑性衬里与热固性结构层的结合强度要求，新增2.3.2.4 要求热塑性塑料衬里与纤维增强塑料结构层的层间剪切强度不得小于5MPa。

所提出的专用技术要求，具体规定如下：

a. 纤维增强材料。用于纤维增强塑料压力容器的纤维材料应当与树脂有良好的浸润性，并且满足设计要求。制造单位应当检测纤维最小强度，值不得小于纤维制品标称性能的90%。

b. 树脂基体。用于制造纤维增强塑料压力容器的树脂应当与设计选材一致，使用前应当复验其热变形温度，值应当高于压力容器设计温度20℃以上。

c. 粘接材料性能要求。粘接所用材料的性能不得低于被粘接元件所用材料的性能。

d. 热塑性塑料衬里。热塑性塑料衬里与纤维增强塑料结构层的层间剪切强度不得小于5MPa。

4 设计

设计章节主要分通用要求、金属制容器、非金属制容器3部分提出技术要求。

4.1通用要求

《大容规》明确规定纤维增强塑料压力容器不可用于盛装毒性程度为极度或者高度危害介质和液化气体介质。

纤维增强塑料压力容器的设计温度有别于其他压力容器，在通用要求中第10条，设计温度是指压力容器在正常工作条件下，设定的元件温度(沿元件截面温度的平均值)，设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件；由于纤维增强塑料热导率较小，如采用平均壁温则设计偏于危险，因此这里取介质的工作温度。

另外，考虑到当大气环境温度对压力容器壳体有影响时，最低设计温度不得低于-54℃。

4.2纤维增强塑料压力容器的设计类型

参照ASME标准的规定将设计类型按照3种型式划分，分别采用不同的设计、制造方法和相应的实验方法。

纤维增强塑料压力容器的设计分为3种类型，设计者应当根据设计参数、设计方法及制造工艺等确定设计类型并且在设计文件(设计总图)中注明：

a. Ⅰ型容器。采用手糊、喷射成型工艺制造时设计压力不得大于1MPa，采用缠绕成型工艺制造不进行极孔包络时设计压力不得大于10MPa，采用缠绕成型工艺制造并进行极孔包络时设计压力不得大于20MPa；工作温度不超过65℃时取设计温度为65℃，工作温度超过65℃时设计温度不得超过120℃，并且所用树脂的树脂热变形温度应当高于设计温度20℃以上。

b. Ⅱ型容器。筒体必须采用缠绕成型工艺，封头可采用手糊、喷射或者缠绕成型；采用规则设计法时，内压与内径乘积不得大于2.4MPa·m，最大设计压力不得大于1.6MPa，最大的设计内径不得大于4.8m；采用分析设计法时或者采用规则设计法与分析设计法结合设计时，设计压力不得大于0.6MPa，内径不得大于4m；设计温度不得超过120℃，并且所用树脂的热变形温度应当高于设计温度20℃以上。

c. Ⅲ型容器。必须采用缠绕成型工艺并且进行极孔包络制造，设计压力不得大于100MPa并且不得低于20MPa；设计温度不得超过85℃，并且所用树脂的树脂热变形温度应当高于设计温度20℃以上。

4.3设计方法和安全系数

根据纤维增强塑料压力容器的3种型式，给出不同的设计方法(规则设计法、分析设计法及试验设计法等)和最低的安全系数：

a. Ⅰ型容器。应当制作原型容器，对原型容器进行10万次的压力疲劳试验，压力波动范围从常压至设计压力，疲劳试验完成后，进行压力试验，试验压力不得小于6.00倍设计压力，容器在试验过程中不得渗漏、破裂。

b. Ⅱ型容器。采用规则设计法或者规则设计法与分析设计法相结合的设计方法，并且用声发射检测方法验收；Ⅱ型容器设计安全系数需要考虑载荷条件、成型工艺、使用环境、温度、预期使用年限及材料离散等因素，无法进行声发射检测时应当提高安全系数；采用应变控制准则设计时，设计许用应变不得大于0.1%，外压安全系数不得小于5.0。

c. Ⅲ型容器。应当制作原型容器，根据设计条件决定是否进行疲劳试验，疲劳试验完成后，进行压力试验，采用碳纤维制造时试验压力不低于设计压力的2.25倍，采用玻璃纤维制造时试验压力不低于设计压力的3.50倍，容器在试验过程中不得渗漏、破裂。

4.4铺层设计

纤维增强塑料(玻璃钢)的强度、刚度与其铺层结构密切相关，其功能是由层合结构的构成决定的，应在设计过程进行详细铺层设计。

4.5粘接设计

纤维增强塑料压力容器的粘接属于二次成型，是整体结构的关键点，必须保证接点处的安全可靠。

4.6耐压试验

试验一般采用液压试验，试验介质应当为清洁水或者其他合适液体；对于不适合液压试验的压力容器，可采用气压试验。试验内压不得低于1.10倍设计内压，试验外压不得低于设计外压。Ⅱ型容器，耐压试验时应当进行声发射检测。当无法进行声发射检测时，试验内压不得低于1.25倍设计内压，试验外压不得低于1.10倍设计外压但不得大于0.1MPa。

5 制造

5.1纤维增强塑料压力容器的制造环境要求

纤维增强塑料压力容器的制作环境对产品的质量起着重要的作用，因此在《大容规》中对于环境温度和湿度要求进行了规定，以便生产符合纤维增强塑料的工艺特点，保证产品质量。纤维增强塑料压力容器的制造环境温度不得低于10℃并且不得超过35℃，相对湿度不得大于80%，避免在阳光直射下制作。

5.2原材料的使用要求

树脂及其助剂应当在阴凉处存放，避免受热，超过保存期后不得使用；纤维增强塑料的原材料中树脂的保存期较短，尤其是在受热后更会缩短，因此提出了存放和使用要求。

严禁促进剂与固化剂同时加入树脂中。不饱和聚酯树脂和乙烯基酯树脂常温固化时所采用的固化剂均系过氧化物(如过氧化甲乙酮、过氧化环己酮等)，与它配套的促进剂多为钴盐(如环烷酸钴等)直接混合将会发生剧烈的化学反应引起燃烧，严重时甚至会发生爆炸事故，危及工作人员的生命和财产安全，因此严禁固化剂和促进剂同时加入，二者相遇就会发生爆炸，玻璃钢制造企业中已有多次类似的事故发生，必须引起高度重视，确保生产安全。

5.3制造工艺要求

对于纤维增强塑料压力容器而言，内衬层主要起到防腐蚀防渗漏的作用，多采用织物喷射或手糊成型，同层织物必须保证搭接的宽度不得少于10mm，避免出现缝隙，造成渗漏隐患；结构层作为主承力结构，多采用缠绕成型，缠绕过程中的重点一方面是缠绕角必须严格按照设计要求，一旦缠绕角偏差过大，容器的整体力学性能将会极大改变，无法保证设计承载力，另一方面便是缠绕线型的完整，既不能重叠也不能产生间隙。

5.4原型容器

Ⅰ型和Ⅲ型纤维增强塑料压力容器应当制作原型容器，对原型容器的各项检验、试验合格后，方可进行制造。

5.5制造成型工艺

Ⅰ型和Ⅲ型纤维增强塑料压力容器成型工艺规程应当按照制作原型容器的工艺制定；Ⅱ型纤维增强塑料压力容器的成型和粘接工艺规程应当根据已评定合格的工艺制定。

5.6工艺评定人员要求

纤维增强塑料容器的质量稳定性很大程度上依赖于操作人员的技术水平、综合素质，因此在《大容规》中提出对成型和粘接工艺评定人员的要求，确保评定合格的工艺符合企业的实际水平和可操作性。成型和粘接工艺评定应当由制造单位的操作人员(经过培训考核合格，不允许借用外单位人员)按照拟定的工艺指导书进行操作、制作。

5.7制造检查

每台纤维增强塑料压力容器应当进行出厂检验，检验项目包括：外观质量、几何尺寸(厚度、直径、锥度及高度等)、固化度、树脂含量、总质量和力学性能。热塑性塑料衬里与结构层不得分层。

5.8耐压试验

按照设计要求进行耐压试验，压力升降速度每分钟不得超过2%的试验压力。

6 结论

6.1本次《大容规》的编写充分借鉴了国外的先进技术和相关标准，同时兼顾了我国纤维增强塑料压力容器的实际生产情况，相信必将对纤维增强塑料压力容器的设计、制造及检验等起到良好的监督管理作用。

6.2纤维增强塑料压力容器近年来得到了快速发展，但作为一种新型材料，与传统的金属材料制压力容器相比差异很大，目前尚没有与《大容规》配套的纤维增强塑料压力容器标准，在对纤维增强塑料压力容器进行监督检验时缺少必要的依据；制造企业在设计、制造、检验、验收中，以及用户在采购时，也缺少可依据的标准。因此，加快制定符合我国目前的设计和制造水平的系统完善的纤维增强塑料压力容器标准国家标准，对规范玻璃钢压力容器设计、制造、检验意义重大。

InterpretationofTechnologiesforFiberReinforcedPlasticsPressureVesselsStipulatedinTSG21-2016SupervisionRegulationonSafetyTechnologyforStationaryPressureVessel

SANG Lin-chun1, LI Guo-shu2, YANG Yu-qing3, XIAO Li-juan1

(1.TianhuaChemicalMachineryandAutomationInstituteCo.,Ltd.,Lanzhou730060,China;2.ShijiazhuangJiyuanTechnologyCo.,Ltd.,Shijiazhuang050091,China; 3.ShanghaiSpecialEquipmentSupervisionandInspectionInstitute,Shanghai200333,China)

With the enforcement of TSG21-2016SupervisionRegulationonSafetyTechnologyforStationaryPressureVessel, both design and manufacture of fiber reinforced plastic pressure vessels has to abide by newly-issued supervision and inspection methods. For purpose of benefiting technical staves in full understanding of it, its technical contents concerned were discussed in detail.

TSG21-2016, fiber reinforced plastics, pressure vessel,interpretation

*桑临春，男，1967年2月生，教授级高级工程师。甘肃省兰州市，730060。

TQ050.1

A

0254-6094(2016)06-0710-04

2016-06-20)