DOT和ISO11120两种标准体系关于气瓶壁厚计算的探讨

郭淑芬，宋新海，刘玉红,冀建平

DOT和ISO11120两种标准体系关于气瓶壁厚计算的探讨

郭淑芬1，宋新海1，刘玉红1,冀建平2

(1.石家庄安瑞科气体机械有限公司，石家庄 051430；2.河北天山实业集团，石家庄 050000)

主要针对DOT和ISO11120两种标准体系关于气瓶壁厚计算公式的推导进行了论述，并且从计算压力和工作压力的关系以及材料的机械性能方面讨论了计算压力和瓶壁应力对气瓶壁厚的影响。结果表明，对于DOT气瓶，通过增加强度来减薄壁厚是徒劳的，对于ISO11120气瓶，可以通过提高强度来减薄壁厚。

瓶壁应力；壁厚；计算压力

目前依据DOT和ISO标准设计的气瓶在出口气瓶中占有较大比例，很多设计者对两种标准的区别理解并不是很透彻，所以在选择标准或者设计双标的气瓶时会比较困惑。本文通过壁厚公式的推导和对壁厚的影响因素的分析，从源头上解释了两种标准的区别。

随着工业气体的发展和气体生产规模的扩大，在国外工业气体比较发达的国家，异地之间的气体的运输普遍使用的方式是通过介于管网和小气瓶之间的长管拖车或集装管束[1]。目前常用的出口长管拖车或集装管束所用的气瓶多为DOT或ISO标准设计的。本文主要介绍了两种标准对壁厚的规定以及影响壁厚的因素。

1 两种标准体系壁厚公式的推导

1.1 DOT体系壁厚计算公式

DOT体系壁厚计算公式采用Bach公式[2]，该公式是由拉美应力解和第二强度理论联合导出。计算过程如下：

拉美应力解中的三个主应力分别为:

(1)[3]

式中，σ1，σ2，σ3为3个主应力，P为压力，K为径比，D为外径，d为内径。

应用第二强度理论，其等效应力的计算为：

σr=σ1-μ(σ2+σ3)

(2)

式中，σr为等效应力；μ为泊松比，对于碳钢，μ=0.3。

将公式(2)代入公式(1)得:

σr=σ1-0.3×(σ2+σ3)

(3)

(4)

式中，σr相当于DOT标准中的瓶壁应力S，49CFR§178.37《3AA和3AAX无缝钢瓶规范》中规定瓶壁应力不能超过钢材最小保证拉伸强度的67%，且不得超过70 000 psi(483 MPa)，49CFR§178.45《3T无缝钢瓶规范》规定瓶壁应力不能超过钢材最小保证拉伸强度的67%，且不得大于90 500 psi(624 MPa)。即

(4-1)

d=D-2t

(5)

式中，t为气瓶的壁厚。

将公式(5)代入公式(4)，得到

简化得：

(1.6P+4S)t2-(1.6PD+4SD)t+1.7PD2=0

求解关于t的方程简化得到

(6)[4]

1.2 ISO11120体系壁厚计算公式

ISO11120采用的是修正的Von-Mises公式，该公式是由拉美应力解和第四强度理论联合导出。计算过程如下：

第四强度理论为

(7)

将公式(1)代入公式(7)得到

(8)

在ISO11120标准中，等效壁应力

(9)

式中，F为设计应力系数，Reg为屈服强度。

将公式(9)代入公式(7)，得到

(10)[5]

2 两种标准体系壁厚影响因素讨论

2.1 计算压力

通过公式(6)和公式(10)可以看出气瓶壁厚与计算压力有关系。与一般的固定式压力容器设计不同，各国气瓶设计的计算压力一般都取水压试验压力，也就是说在气瓶的正常使用过程中，气瓶的最大瓶壁应力不能超过水压试验压力时的瓶壁应力。ISO规定水压试验压力是工作压力的1.5倍，DOT规定水压试验压力是工作压力的5/3倍。在实际使用过程中，充装压力不能超过工作压力，通过这两个系数我们可以得出，DOT体系的气瓶比ISO的安全裕量大。

2.2 壁应力

通过公式(6)和公式(10)可以看出气瓶壁厚与壁应力有关系。在不同的标准体系中，壁应力的影响因素不同，为了便于理解，以下的解释以4130X材料为例讨论壁应力的影响因素。

2.2.1 ISO11120体系的壁应力

在ISO体系中关于壁厚的计算有第7节和第12节，以下以第12节(关于盛装氢脆介质设计)为例进行讨论。

壁应力计算公式为σr=10FReg，标准规定：

(11)

式中，Rmmax≤890 MPa时，f=0.65，Rmmax≥890 MPa时，f=0.61；并且Reg/Rmg≤0.85，Rmmax-Rmg≥100 MPa。

公式(11)中，f为设计应力系数常数，Reg为最小保证屈服强度，Rmg为最小保证拉伸强度，Rmmax为最大保证拉伸强度。

4130X材料的最大抗拉强度为Rmmax=950 MPa，为了保证气瓶的合格率，一般取110 MPa的强度区间，所以最小保证拉伸强度为Rmg=840 MPa。

1.当Rmmax≤890 MPa时，

第2种等效壁应力最大，所以优先选取第2种，Reg≥642.35 MPa。

2.当890

第2种等效壁应力最大，所以优化选取第2种，Reg≥638.7 MPa。

通过上述论述可以得出，不管强度处于哪个区间，等效壁应力最大时，

(12)

从计算式(12)中可以看出，等效壁应力的大小只与抗拉强度有关。

2.2.2 DOT体系的壁应力

当选用4130X时，需要按照§178.37进行设计。DOT规定瓶壁上的瓶壁应力不得超过力学试验确定的钢材最低抗拉强度的67%，且不得超过70 000 psi (483 MPa)。从该条规定可以看出，瓶壁应力与材料的抗拉强度有关，但是由于规定了上限值，所以限制了通过提高材料的强度来增加瓶壁应力。`

3 实 例

为了对2个公式进行比较，可以将公式中的参数定位同一值，结果见表1。

但是在实际设计中，用户条件给出的是工作压力，而且不同设计体系的瓶壁应力取值不同，以4142为例进行计算，计算结果见表2。

4 结 论

1.从表1可以看出，单独分析公式(6)和公式(10)，在等效壁应力和计算压力一定的情况下，DOT体系算出的壁厚比ISO体系的壁厚薄。

2.两种体系中计算压力和工作压力的关系可以看出，ISO体系采用较低的计算压力。

3.通过两种体系壁应力的对比可以看出，DOT体系中壁应力不能无限制增大，壁应力是有上限值的，即采取增大强度来减小壁厚是徒劳的。ISO体系中壁应力和材料的抗拉强度有关系，该体系对壁应力没有限制，所以可以采用增大强度来减小壁厚。

4.从表2可以看出，由于计算压力和瓶壁应力的不同，最终使得ISO体系的壁厚比DOT的壁厚要薄。

综上所述，虽然ISO体系的公式比DOT公式的计算壁厚大，但是由于ISO采用了低的计算压力和较高的壁应力，从而使最终ISO体系的壁厚比DOT体系壁厚薄。

表1 公式比较Table 1 Formula comparison

表2 体系比较Table 2 System comparison

[1] 王洪海.DOT-3AAX气瓶及其运输设备的安全设计[J].化工设备与管道，2000,37(1): 10-14.

[2] 秋长鋆.管式拖车气瓶壁厚计算—拖车气瓶介绍之二[J].中国锅炉压力容器安全，1999,16(3): 28-29.

[3] 郑津洋，董其伍，桑芝富，等.过程设备设计[M].北京：化学工业出版社，2010.

[4] DOT 49CFR§178.37 3AA和3AAX无缝钢瓶规范(2016版)[S].

[5] ISO11120 气瓶—水容积为150～3000 L的可重复使用的无缝气瓶的设计、构造和试验(2015)[S].

Discussion on the Calculation of Cylinder Wall Thickness By DOT and ISO11120 Standard System

GUO Shufen1,SONG Xinhai1,LIU Yuhong1，JI Jianping2

(1.Shijiazhuang ENRIC Gas Equipment Co.,Ltd.,Shijiazhuang 051430,China; 2.Hebei Tianshan Co.,Ltd.,Shijiazhuang 050000,China)

In this paper,formula derivation of DOT and ISO was discussed,and the effects of calculation pressure and wall stress on wall thickness were introduced from the relation between calculation pressure and fillable pressure and the mechanical properties.It was shown that it is useless to reduce wall thickness by increasing strength for DOT cylinder and the wall thickness of ISO11120cylinder can be reduced by increasing strength.

wall stress; wall thickness;calculation pressure

2017-04-27

TH49

A

1007-7804(2017)04-0005-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2017.04.002

郭淑芬(1986)，女，硕士，工程师，主要从事压力容器的设计工作。