氟里昂（F11）包装钢桶的破裂及结构设计

王达仁

【摘要】通过对三种不同结构的钢桶平盖的应力和中心挠度测试比较, 本文推荐性能好, 结构简单的K 型钢桶。

【关键词】氟里昂；包装；钢桶设计

F11为无色无毒易挥发液体,不可燃,沸点23.7℃比重1.494,临界温度197.78℃,临界压力44.6kg·f/cm2。

F11的包装,过去都使用设计压力10kg·f/cm2的钢瓶,半吨装钢瓶空瓶重265kg左右。空瓶需返回使用,这不仅不方便而且也不经济。

国外已采用一次性钢桶包装,我厂目前F11产量约占全国的一半,自然也要试用钢桶包装以降低销售成本。由于F11包装钢桶尚无标准,化工部规定按照山东省某制桶厂的行业标准制作钢桶先行试用。我们先后向北京,烟台、上海、广州等地发运,有火车运输也有汽车运输,结果各地不同数量发生底部平盖直筋破裂,F11泄漏事故。制造厂坚持说钢桶是好的,为此我们对钢桶结构设计做了研究, 并对三种不同结构的钢桶平盖作了应力及中心挠度的测试,现在分别介绍如下。

一、GB325重型钢桶(简称A型钢桶)

目前各地试用的F11包装钢桶,都是在GB325《包装容器 钢桶》的基础上演变而来。A型钢桶的结构如图1

d=560mm,H=850mm,容积200升,承装F11净重250kg。常温使用。桶身和桶盖(包括上盖和下盖,下同)均为1.5mm厚。由于国内1.5mm冷轧薄板供货比较困难,目前制造厂普遍使用日本产spcc冷轧薄板,其化学成份及机械性能与国内08钢号相近。

图1

钢桶上、下盖与桶身连接结构采用三重圆卷边卷封。按照GB325规定,每只钢桶都要做30kPa气密性试验,另外抽样液压试验250kPa不渗漏为合格。实际使用过程随着环境气温升高,F11蒸汽压逐渐升高,桶盖也不断弯曲变形,形成类似凸形封头。当环境气温45℃ 时,Fl1饱和蒸汽压为0.203MPa(绝压)。我们以表压O.11MPa为考核基础进行分析。应力测试结果表明, 这种薄平盖结构, 刚性较差, 在均布载荷作用下,一经受压即发生变形,平盖中心区域应力不太大;而平盖边缘测点随载荷增大应变增加较快,径向受拉应变,环向受压应变,应变值很高,已呈现屈服状态。中心挠度测量,当内压为O.11MPa时,中心挠度34.8mm,(见表1 )。已超出桶缘16.8mm(桶缘高18mm)。因此夏天运输过程钢桶不能平稳放置。从国外进口的F11,其包装钢桶与A型钢桶相似。

表1 平盖中心最大挠度测量数据表（单位：mm）

二、山东省某制桶厂的钢桶(简称B型钢桶)

B型钢桶桶盖结构如图2。桶身结构,桶身与桶盖连接卷封都与A型钢桶一样。为了克服A型钢桶桶盖中心挠度过大,在直径上增加一条直筋,在边缘处增加一个环筋。化工部指定这种钢桶为F11包装试用钢桶。

图2

B型钢桶的应力测试结果说明平盖上的直筋和环筋增加了平盖的抗弯截面模数,提高了平盖的刚性,使中心挠度大为减少。从应力分布看,由于直筋的约束和加强,直筋上径向应变大幅度增加,呈屈服状态,而边缘区域的应变相对有较多降低。进一步的爆破试验表明,当内压增加到0.75MPa,钢桶在桶盖与桶身连接的卷封处破裂。观察桶盖,直筋的凸形接近被拉平, 但未发现有裂纹痕迹, 试验过程也未发现有漏液。这说明B型钢桶桶盖结构在静载情况,承装F11是安全可靠的, 当库房温度达到45℃时,桶盖中心有少量凸出桶缘。

但是正是有了这条直筋,使平盖的受力情况变得比较复杂,造成局部应力集中,在长途运输过程,由于冲击振动产生的交变应力作用下,致使底部直筋中段应力集中区,也是挠度最大区段,发生疲劳脆性断裂。发生断裂时的环境气温为10℃～-10℃,属常温范围,这时钢桶底部承压只有0.01MPa。显然B型钢桶桶盖结构不适应动载荷。

三、结构改进后的钢桶(简称K型钢桶)

吸收了上述两种钢桶的经验,我们与浙江省某制桶厂合作试制了新的钢桶。

1、桶盖结构的改进

取消桶盖上的直筋,改边缘处凸形环筋为凹形环筋,加工尺寸及过渡圆弧都作了调整。平盖结构如图3。

图3

测试结果,承压O.lMPa时,桶盖中心最大挠度18.7mm,超出桶缘只有0.7mm, 多数情况未超出桶缘。基本上解决了夏天气,温高,桶盖变形过大钢桶放置不平稳现象。

从应力分布情况看,中心区域与A型钢桶接近,应力较小;边缘与B型钢桶接近,比A型钢桶平盖边缘应变有较多的降低。

2、桶身的改进

桶身厚度核算:

最高工作压力：0.11MPa

取设计压力：P=0.15MPa

钢桶内径：Di=560mm

材料抗拉强度：σb>275 MPa（实测340MPa）。

安全系数：nb=3 材料质量系数0.9。

材料许用应力：[σ]= 775/3×0.9=82.5 MPa。

焊缝系数:Φ=0.6

钢板负偏差:Cl=0.1mm

腐蚀裕量:C2=O

加工减薄量:C3=0.1mm

计算厚度δ=1.05mm 取δ=1.25mm

桶身厚度减薄后,应力测试表明,8#,9# 测点实际应力水平仍比较低。进一步的爆破试验,当压力升到0.59MPa时,钢桶在桶身与桶盖连接卷封处发生破裂。这说明钢桶的薄弱点在卷封处,但已足够安全。

四、讨论意见

1、钢桶最大承压0.11MPa,属压力容器范围,按压力容器计算平盖厚度为11.2mm。但平盖与桶身的卷封连接工艺,最大厚度为1.5mm。

2、若按照弹性圆平板理论分析,平盖与桶身的连接是弹性连接,介于周边刚性固定与周边简支之间。接相应公式计算平盖中心最大挠度、边缘最大应力或中心最大应力,都与测试结果差别较大。

3、钢桶是一次性使用,在夏天当气温达到40～45℃时,钢桶内压力达到0.08～0.llMPa。因此钢桶设计只要求保证夏天存放及运输安全即可;而允许平盖中心有比较多的变形,允许平盖边缘有比较大的局部应力。A型钢桶及国外钢桶与上述考虑相吻合。

4、为了克服平盖中心变形过大,国内同行对桶盖结构做了各种研究和试验, 除本文介绍外,还有其它几种不同结构,我们也试制过另外两种结构,经测试比较, 还是K型钢桶情能比较好,结构也比较简单,而桶身结构尺寸的改进,比A型和B型降低了制造成本,由于批量大,一年就为我厂节约包装成本费60余万元,经济效益也比较明显。

参考文献

1、GB 150《钢制压力容器》,学苑出版社

2、圆柱形压力容器平封头的应力分析,化工设备设计,2010年第3期