一氟三氯甲烷（CFC-11）钢桶设计参数的取值与结构创新

王达仁（淅江巨化集团公司）

【摘要】把目前国内外正在试用的CFC-11钢桶作为特殊压力容器，对平盖进行应力试验分析，提出主要设计参数的取值及新的平盖结构。

【关键词】薄平盖，设计温度，设计压力，挠度控制

1 概述

CFC-11沸点23.7℃，临界温度197.78℃，过去一直使用10kgf/cm2级钢瓶包装，现在国外已改用一次性钢桶包装。国内各单位也先后试用GB325一级钢桶包装，钢桶结构尺寸与国外一样，直径560mm，容积200L，每桶盛装CFC-11有250 kg。
通常情况钢桶为常压容器，当环境或库房温度达到45℃，CFC-11蒸汽压力为0.203MPa（A），钢桶承压已大于0.1MPa（G）。按照“压力容器安全技术监察规程”第3条规定，钢桶已属于压力容器范围。夏天钢桶上下盖有较大的凸变形，影响安全运输和使用。因此研究改进薄平盖结构，缓解平盖受力不连续性，提高耐压性能，是解决钢桶代气瓶的关键课题。
CFC-11的不同温度与饱和蒸汽压如表1所示。

表1 CFC-11不同温度之饱和蒸汽压

2 设计温度与设计压力

按照《容规》第25条规定：盛装临界温度高于50℃的液化气体的压力容器，如无保冷设施，其最高工作压力不得低于该液化气体在50℃时的饱和蒸汽压力。

按照这个规范，设计温度应为50℃，50℃时CFC-11饱和蒸汽压为0.235MPa，扣除一个标准大气压，设计压力应为0.14MPa（G），但是国内外目前使用的钢桶均达不到这个指标。

3 应力分析与平盖变形控制

使用钢桶盛装CFC-11，由于平盖受力的不连续性，国内外钢桶都存在薄平盖受力变形问题，制造钢桶时，上下盖与桶体连接采用机械卷封工艺，最大板厚都是1.5mm。现在以此为基础对平盖实际受力进行试验分析，以便改进结构设计，改盖平盖边缘受力状况，以达到控制平盖的变形量（即平盖中心最大挠度值）。

从国外引进的多数钢桶和国内GB325钢桶一样，平盖比卷边支承圈低18～20mm。因此，当平盖中心挠度变形不大于20mm，平盖的凸变形就不会凸出卷边支承圈，钢桶可平稳堆放，运输过程也是安全的。为此，我们把20mm作为平盖变形的控制值。

上述钢桶应变应力的测试结构果：当内压到达0.05MPa，平盖边缘已屈服，但平盖整体应力水平很低，而平盖中心挠度为18.5～19.0mm。这个变形量已接近控制值，相当于设计温度35℃，设计压力0.05MPa（见表1）。

日本制造的钢桶，提高卷边支承圈的高度为25mm（即平盖比支承圈低25mm），应力测试结果：当内压达到0.08MPa时，平盖边缘局部应变接近屈服应变量ε的二倍，而其余部分应力水平尚在弹性范围。这时平盖中心挠度为24.9mm。这说明日本人设计的钢桶控制变形量为25mm。相当于设计温度40℃，设计压力0.08MPa（见表1）。

当内压继续升高到0.14MPa，平盖边缘部应变量继续大幅度增加，但平盖其余部分应力水平均未达到屈服限，平盖中心最大挠度为47.2mm。

上述试验结果，从平盖边缘应变应力状态及中心最大挠度指标进行分析，国内GB325一级钢桶和意大利、台湾、德国等地区来的钢桶，从运输安全角度看，只适宜不大于35℃的环境，而日本钢桶适宜不大于40℃的环境。

为了使钢桶代气瓶盛装CFC-11得以实现，我们按照设计温度50℃，设计压力0.14MPa考虑。平盖边缘效应引起的局部应力水平，满足变量不超过屈服限应变量ε二倍，同时平盖局应力和弯曲应力引起的中心最大挠度不超过20mm。按照上述参数设计平盖，但由于卷封工艺限制，不可能增加板厚，而是改变平盖结构。在平盖边缘压一道凹形环，采用检证性试验方法，改变局部结构尺寸。经过反复试验，已能满足上述要求，达到相应的控制指标。我们设计的钢桶，目前已大批量投入使用，并有部分出口国外。
比较国内GB325钢桶，我们设计温度提高了15℃，比较日本钢桶，我们的设计温度提高了10℃。改盖了平盖受力状况，减少了挠度变形，夏天运输安全区域可以大幅度提高。

4 制造厂试验压力取值

按照压力容器的有关规范，低压容器耐压试验压力取“1.25P”和“P+0.1”二者中较大值。现在P=0.14MPa。1.25P=0.175MPa，P+0.1=0.24MPa，因此取液压试验压力为0.25MPa，这个指标与GB325规定相一致。

气密性试验，按规范应为设计压力，即为0.14MPa，我们设计的钢桶，要求制造厂按此指标作气密性试验。

5 材料选择与防腐涂层

目前各地使用的钢板材料有如下几种：

（1）日本产SPCC冷轧钢板；

（2）国产冷轧薄钢板；

（3）国产镀锌薄钢板。

国产薄钢板材质钢号为08。日本产SPCC薄钢板机械性能和化学成份与国产薄板接近。钢板应以热处理状态（退火）交货。从使用性能看，冷轧板表面质量比较好，其它几种钢板也可以用，制造厂为了降低成本，就地取材，以不降低设计控制指标为原则。
目前各地根据各自的工装条件，降腐内涂层分别采用：

（1）聚偏氟乙烯；

（2）镀锌；

（3）镀锌钢板。

由于CFC-11化学稳定性比较好，不腐蚀钢板，国外进来的就有不加内涂层钢桶。因此不宜限定只能用某种涂层。考虑到国内薄板从思制到钢桶厂制造用料，中间环节时间比较长，我们仍要求钢板必须经过酸洗处理后加防腐涂层，涂聚偏氟乙烯或镀锌，两种涂层钢桶我厂同时使用。

6 结束语

CFC-11从气瓶包装改用钢桶，是一次大变革。某厂曾作过核算，改革后每吨产品销售成本可降低700元左右。全国年产量给15000吨，一年就可节约1000万元人民币。经济效新车比较明显，同时用户又感到使用方便，减少管理运输环节。

我国部分地区，由于夏天气温超过40℃，库房温度和运输车箱温度有时会超过45℃，因此研究平盖结构形状于改善受力状况，减少挠度变形，以适应较高使用温度。先前按45℃0.11MPa设计，钢桶试用过一段时间情况良好。

在钢桶制造厂的配合下，进一步研究试验取得比较满意的结果：把钢桶设计温度定为50℃，设计压力定为0.14MPa，平盖中央挠度不超过20mm，即变形不超出卷边支承圈，这样可以与GB325钢桶衔接，适用于国内各钢桶制造厂现有工装条件，便于实施。

CFC-11钢桶设计参数的确定，结构的创新，为其它液化气的包装变革提供了前景。50℃饱和蒸汽压不超过0.25MPa的非毒性液化气，改气瓶为钢桶包装，将会受到更多人的关注和欢迎。