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1、基于ANSYS的煤气罐壁厚的研究摘要：有限元法是一种离散化的方法来描述数学表述中的连续体问题。它是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算法，ANSYS已经成为机械及压力容器行业分析软件的主流,近十年来,ANSYS软件在压力容器行业发挥着巨大作用，成为压力容器分析设计事实上的标准。有用ANSYS有限元软件对煤气罐壁厚进行优化设计，摒弃了传统结构设计的被动校核方法，进而在可行域内寻求最佳方案，很大程度上减少了设计成本和周期，试产品设。研究结果与实际情况是相吻合的。综合上述分析，有限元模型的建立、分析结果是客观的，较为真实地反映了压力容器管板的受力情况。经分析发现,ANSYS软件分析的结果
2、与真实情况基本一致。整个建模、分析过程充分说明ANSYS软件为压力容器的结构设计提供了可靠、高效的理论依据。关键词：煤气罐; ANSYS;有限元;应力分析;优化设计;Study of the wall thickness of the gas tank based on ANSYS LUO YONG(Grade 08, Class4,Major:, Machine design manufacturing and automation，Shaanxi University of Technology,HanZhong,723003,Shaanxi）Tutor:Peng ChunLeiAbstr
3、act ：The finite element method is a kind of method that is long-lost to turn to describe the continuous body problem in mathematics description. It is a kind of modern calculation method that quickly develops with the development of computer, ANSYS has become machinery and pressure vessel industry a
4、nalysis software mainstream, in the last ten years, software ANSYS in pressure vessel industry has played an important role, become pressure vessel design analysis of the standard. In fact, with ANSYS finite element software to optimize design gas tank, rejected traditional structure design of the p
5、assive checking method, then in the feasible region seek the best solutions, to a great extent, reduce the cost and design cycle, try a product. Research results and actual situation is in line. A combination of the analysis, finite element model, the analysis results is objective, more genuine refl
6、ect the pressure vessel tube plate stress. After analysis discovery, ANSYS software analysis result with real situation basic consistent. The entire modeling, the parsing process showed fully the ANSYS software has provided reliably, the highly effective theory basis for pressure vessels structural
7、design. Key words: the natural gas tank; ANSYS; finite element; stress analysis; optimization design目 录1前言11.1煤气罐简介11.2有限元计算软件ANSYS的介绍21.3优化设计简介51.3.1优化设计中的基本概念51.3.2优化设计的步骤62基于ANSYS的煤气罐壁厚的研究简介102.1新“瓶规”对液化石油气钢瓶设计的规定102.2液化石油气钢瓶型号命名的新规定112.3钢瓶设计的基本参数122.4钢瓶的材料132.5 钢瓶的设计计算132.5.1钢瓶瓶体的设计计算132.5.2 护罩设
8、计152.5.3 底座设计152.5.4 瓶阀座设计152.6 瓶阀的要求152.7各种规格的液化石油气钢瓶设计主要尺寸162.8制造技术工艺要求162.9钢瓶的使用管理173.煤气罐壁厚的优化设计分析过程203.1压力容器设计概述203.2环境设置203.3定义单元材料213.4创建模型233.4.1 生成球壳部分子午面：233.4.2 生成筒体部分子午面：253.4.3 面相加253.5划分网格263.6施加载荷与约束273.7求解293.8 后处理/POST1.293.9优化分析313.10.计算结果及讨论324.小结37致 谢38参考文献39II1前言1.1煤气罐简介现在家居生活经常使
9、用到液化气，学名液化石油气，大家俗称的煤气罐就是装载液化石油气的一种器皿。“煤气罐”是钢制的移动式压力容器，具有爆炸危险，它的壁厚仅2.5毫米左右（新钢瓶出厂标定壁厚），非常簿，它时刻都承受着来自内部介质产生的压力，正常使用时内部压力(即压强) 0.51.2兆帕斯卡(合512公斤力/平方厘米)，整个横截面要承受1000公斤左右的拉力。 图1.1 煤气罐外形图煤气罐一般来说都是用GB6653焊接气瓶用钢板当中的材料，民用煤气瓶用的是HP295钢。液化石油瓶的拼音缩写 Y= YE HUA S= SHI YOU P= PING但是，专用钢材要比非专用钢材每吨至少要贵400多元，为了牟取私利，一些厂家
10、就用其它钢材取而代之，以降低成本。按照强制性标准，5公斤重的煤气罐用2.5毫米厚的专用钢材、10到15公斤重的煤气罐用3毫米厚的专用钢材、50公斤重的用3.5毫米厚的专用钢材。有的生产厂家即使用了专用钢材，也往往用一些专业钢材生产企业生产的厚度不合格的钢材，现实情况表明，许多10公斤重的煤气罐用的大多是2.5毫米厚的钢材。此外，焊接工艺不过关，存在砂眼、气孔等，也是家用煤气罐常见的质量问题。GB8334液化石油气钢瓶定期检验与评定规定，除YSP-50型钢瓶为每三年检验一次外，其余型号钢瓶前三次检验周期为四年，在使用过程中发现有严重腐蚀、损伤或对其安全可靠性有怀疑时应提前检验，对使用期限超过的1
11、5年的任何类型钢瓶登记后不予检验。然而深圳市钢瓶检验有限公司的检测数据显示，深圳市使用的液化石油气瓶中的90%未达到国家允许15年的使用期，经2-3个检验周期(612年)，便因不能满足安全使用标准不得不提前判废，造成资源的巨大浪费。本文通过对近3年该检验公司YSP15型钢瓶(现为YSP355)提前报废的原因的分析，提出了相应的应对措施，以提高钢瓶的使用寿命。从保障人民生命安全出发，国务院颁布的特种设备安全监察条例将液化石油气钢瓶列为法定受监察设备。“煤气罐”不是永久耐用品，专业技术人员经过对大量事故案例分析和科学试验，测得“煤气罐”安全使用期限只有15年，在此期间每4年还要进行一次定期检验，以
12、便查出存在的缺陷，这是对您和家人的安全保证，也是气瓶安全技术监察规程规定的液化石油气瓶的使用安全关系到千家万户的生命财产安全，为确保其安全可靠性，提高其使用寿命，根据上述分析，提出如下应对措施：(1)加强制造环节的监察和管理，消除先天性缺陷。在材质的选择上要严格执行国家标准，有针对性选择相应牌号的主材，并严格执行材质抽验和功能性试验制度，避免因材质质量问题导致加速腐蚀，此外，应将新出厂钢瓶油漆喷涂质量作为监检工作的重点，杜绝油漆涂敷质量不好的钢瓶出厂进入流通环节。(2)合理设计底座，在保证底座强度和刚性的前提下，增大通风孔尺寸，此外用户可采用适当的方法垫高并架空底部以保证钢瓶底部的通风和空气流
13、动。(3)在使用环节，应保证钢瓶使用环境的通风和干燥，杜绝形成电化学腐蚀的条件。同时，避免使用、运输过程中的野蛮作业，保证钢瓶油漆的完好。(4)在检验环节，不仅要根据钢瓶的实际状况作出合理的检验结论，同时还要做好除锈和油漆涂敷的检验工作。1.2有限元计算软件ANSYS的介绍 ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件,是典型的CAE(Computer Aid Engineering)软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDE
14、AS, AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了
15、100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。目前版本为ANSYS5.4版，其微机版本要求的操作系统为Windows 95或Windows NT,也可运行于UNIX系统下。微机版的基本硬件要求为：显示分辨率为1024768，显示内存为2M以上，硬盘大于350M，推荐使用17英寸显示器。其前处理器(pre-processor)能够建立被分析对象的几何模型,并进行有限元网格自动划分以及各种材料属性和求解单元的设置;强大的求解器(solution)可对各种加载进行分
16、步求解;功能丰富的后处理器(general Processor)提供了对结果进行有效分析的工具(如下图)。大大地简化了设计人员在有限元分析完成后的数据处理和结果分析,缩短了设计周期。本文利用有限元分析软件ANSYS对煤气罐进行应力分析。图1.2 ANSYS应力云图ANSYS优化设计的对象很广泛,比如,尺寸(如厚度)、形状(过渡圆角的大小)、支撑位置、制造费用、自然频率、材料特性等。实际上,所有可以参数化的ANSYS选项都可以作为优化设计。ANSYS程序提供了两种常用优化设计的方法,即零阶方法和一阶方法,这两种方法可以处理绝大多数的优化问题。零阶方法是一个很完善的处理方法,能有效地处理大多数的工
17、程问题。一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感程度,因此更加适合于精度的优化分析。对于上述两种方法, ANSYS软件提供了一系列的分析-评估-修正的循环过程。就是对于初始设计进行分析,对分析结果就设计要求进行评估,然后修正设计。这一循环过程重复进行直到ANSYS的可靠性分析功能:ANSYS的概率分析的参数包括随机输入参数和随机输出参数。随机输入参数指影响分析结果的结构和载荷数据，如弹性模量、载荷、结构几何尺寸等。随机输出参数指有限元分析的结果，通常是随机输入参数的函数，如应力、应变等。ANSYS的概率分析功能可实现可靠性设计。概率敏感性分析将随机输入变量分为对随机输出变量有显著影响的和相对影响不
18、大的两组变量。这个功能将有助于设计者得到更可靠和质量更好的产品，并能提高计算分析效率，降低成本。ANSYS可靠性分析的常用方法有蒙特卡罗法、响应面法等。其中，蒙特卡罗法是一种适用面最广的方法，只要建模准确，模拟次数足够多，该方法所得结果可信度较高。ANSYS进行可靠性分析的一般过程包括：选择、定义输入变量及输入变量之间的相关系数，确定各输入变量服从的分布类型、分布函数及其参数；指定输出结果变量；选择分析工具和方法；执行可靠性分析循环。ANSYS软件的主要技术特点包括以下12个方面：1) ANSYS软什可实现前后处理、分析、求解以及多次分析中数据库相统一的有限元分析。2) ANSYS软件可进行建
19、模、加载与求解和分析结果输出。3) ANSYS软件是具有快速求解器和最早采用并行计算技术的FEM软什。4) ANSYS软件具有智能网格划分功能。5) ANSYS软件具有强大的非线性分析功能。6) ANSYS软件支持从微机、工作站到大型计算机乃至巨型计算机的所有硬件平台， 且用户界面是统一的。7) ANSYS软件可实现在微机、工作站到大型计算机乃至巨型计算机的所有硬件平台上的数据文件兼容。8) ANSYS软件可与大多数CAD软件进行数据交换。9) ANSYS软件具有良好的用户自己开发环境和自动生成分析报告等功能10）ANSYS软件是具有独一无二的优化功能以及流场优化功能的分析软件。11） ANS
20、YS软件具有多层次、多种类的计算分析模块。12） ANSYS软件是唯一具有多场及多场耦台功能的大型通用有限元分析软件。1.3优化设计简介ANSYS优化设计的对象很广泛,比如,尺寸(如厚度)、形状(过渡圆角的大小)、支撑位置、制造费用、自然频率、材料特性等。实际上,所有可以参数化的ANSYS选项都可以作为优化设计。ANSYS程序提供了两种常用优化设计的方法,即零阶方法和一阶方法,这两种方法可以处理绝大多数的优化问题。零阶方法是一个很完善的处理方法,能有效地处理大多数的工程问题。一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感程度,因此更加适合于精度的优化分析。对于上述两种方法, ANSYS软件提供了一系列的
21、分析-评估-修正的循环过程。就是对于初始设计进行分析,对分析结果就设计要求进行评估,然后修正设计。这一循环过程重复进行直到所有的设计要求都满足为止。1.3.1优化设计中的基本概念在介绍优化设计过程之前，我们先给出一些基本的定义：设计变量，状态变量，目标函数，合理和不合理的设计，分析文件，迭代，循环，设计序列等。1）设计变量（DVs）为自变量，优化结果的取得就是通过改变设计变量的数值来实现的。每个设计变量都有上下限，它定义了设计变量的变化范围。2）状态变量（SVs）是约束设计的数值。它们是“因变量”，是设计变量的函数。状态变量可能会有上下限，也可能只有单方面的限制，即只有上限或只有下限。3）目标
22、函数（OBJ）是要尽量减小的数值。它必须是设计变量的函数，也就是说，改变设计变量的数值将改变目标函数的数值。在ANSYS优化程序中，只能设定一个目标函数。4）设计变量，状态变量和目标函数总称为优化变量。在ANSYS优化中，这些变量是由用户定义的参数来指定的。用户必须指出在参数集中哪些是设计变量，哪些是状态变量，哪些是目标函数。5）一个合理的设计是指满足所有给定的约束条件（设计变量的约束和状态变量的约束）的设计。如果其中任一约束不被满足，设计就被认为是不合理的。而最优设计是既满足所有的约束条件又能得到最小目标函数值的设计。6）分析文件是一个ANSYS的命令流输入文件，包括一个完整的分析过程（前处
23、理、求解、后处理）。它必须包含一个参数化的模型，用参数定义模型并指出设计变量、状态变量和目标函数。由这个文件可以自动生成优化循环文件（Jobname.LOOP），并在优化中计算循环处理。7）一次循环指一个分析周期（可以理解为执行一次文件分析）。最后一次循环的输出存储在文件Jobname.OPO中。优化迭代（或仅仅是迭代过程）是产生新的设计序列的一次或多次分析循环。一般来说，一次迭代等同于一次循环。但对于一阶方法，一次迭代代表多次循环。8）设计序列是指确定一个特定模型的参数的集合。一般来说，设计序列由优化变量的数值来确定的，但所有的模型参数（包括不是优化变量的参数）组成了一个设计序列。优化数据库
24、记录当前的优化环境，包括优化变量定义，参数，所有优化设定，和设计序列集合。该数据库可以存储，也可以随时读入优化处理器。分析文件必须作为一个单独的实体存在，优化数据库不是ANSYS模型数据库的一部分。共有两种方法实现ANSYS优化设计：批处理方法和通过GUI交互式地完成。1.3.2优化设计的步骤ANSYS软件中优化设计的步骤如下图 1-4所示：图1-4 优化设计的步骤 其中生成循环所用的文件必须包括整个分析的过程，而且必须满足以下条件： 参数化建立模型（PREP7）。 求解（SOLUTION）。 提取并指定状态变量和目标函数（POST1/POST26）。 在ABSYS数据库里建立与分析文件中变量
25、相对应的参数。这一步是标准的做法，但不是必须的（BEGIN或OPT）。 进入OPT，指定分析文件（OPT）。 声明优化变量。 选择优化工具或优化方法。 指定优化循环控制方式。 进行优化分析。 查看设计序列结果（OPT）和后处理（POST1/POST26）。具体的优化设计过程如下：1、分析文件的生成分析文件生成是ANSYS优化设计过程中的关键部分。ANSYS程序运用分析文件构造循环文件，进行循环文件。分析文件中可以包括ANSYS提供的任意分析类型（结构，热，电磁等，线性或非线性）在分析文件中，模型的建立必须是参数化的（通常是优化变量为参数），结果也必须用参数来提取（用于状态变量和目标函数）。优化
26、设计中也只能使用参数数值。建立分析文件有两种方法：用系统编辑器逐行输入；交互式地完成分析，将ANSYS的LOG文件作为基础建立分析。不论采用哪种方法，分析文件需要包括的内容都是一样的。1） 参数化建立模型用设计变量作为参数建立模型的工作是在PREP7中完成的。ANSYS可以对设计的任何方面进行优化：尺寸，形状，材料性质，支撑位置，所加载荷等，唯一要求就是将其参数化。设计变量可以在程序的任何部分初始化，一般是在PREP7中定义。这些变量的初值只是在设计计算的开始用得到，在优化循环过程中会被改变。2） 求解求解器用于定义分析类型和分析选项，施加载荷，指定载荷步，完成有限元计算。分析中所用到的数据都
27、要指出：凝聚法分析中的主自由度，非线性分析中的收敛准则，谐波分析中的频率范围等。载荷和边界条件也可以作为设计变量。3） 参数化提取结果在本歩中，提取结果并赋值给相应的参数。这些参数一般为状态变量和目标函数。提取数据的操作用*GET命令实现。通常用POST1来完成本步操作，特别是涉及到数据的存储，加减或其他操作。4） 分析文件的准备如果用系统编辑器来编辑的批处理文件，那么简单地存盘进入第二步即可。如果是用交互方式建模的话，用户必须在交互环境下生成分析文件。2、建立优化过程中的参数在完成了分析文件的建立以后，就可以开始优化分析了（如果在系统中建立的分析文件的话，就要重新进入ANSYS）。如果在交互
28、方式下进行优化，最好（但不是必须）从分析文件中建立参数到ANSYS数据库中来（在批处理方式下除外）。3、进入OPT，指定分析文件（OPT）在交互方式下，用户必须指定分析文件名。这个文件用于生成优化循环文件Jobname.LOOP。分析文件名无默认值，因此必须输入。在批处理方式下，分析文件通常是批命令流的第一部分，从文件的第一行到命令/OPT第一次出现。在批处理方式中，默认的分析文件名是Jobname.BAT（它是一个临时性文件，是批处理输入文件的一个复制）。因此，在批处理方式下通常不用指定分析文件名。但是，如果出于某种考虑将文件分成两个部分（一个用于分析，另一个用于整个优化分析），那么就必须在
29、进入优化处理器后指定分析文件OPANL。4、 声明优化变量声明优化变量，即指定哪些参数是设计变量，哪些参数是状态变量，哪些参数是目标函数。允许有不超过60个设计变量和不超过100个状态变量，但只能有一个目标函数。对于设计变量和状态变量可以定义最大和最小值。目标函数不需要给定范围。每一个变量都有一个公差值，这个公差值可以由用户输入，也可以选择由程序计算得出。如果用OPVAR命令定义的参数名不存在，ANSYS数据库中将自动定义这个参数，并将初始值设为零。用户可以在任意时间简单地通过重新定义参数的方法来改变已经定义过的参数，也可以删除一个优化变量OPVAR,Name,DEL。这种删除操作并不真正删除
30、这个参数，而是不将它继续作为优化变量而已。5、 选择优化工具或优化方法ANSYS程序提供了一些优化工具和方法。默认方式是单次循环。优化方法是使单个函数（目标函数）在控制条件下达到最小值的传统化的方法。有两种方法可用：零阶方法和一阶方法。除此之外，用户可以提供外部的优化算法替代ANSYS本身的优化方法。使用其中任何一种方法之前，必须先定义目标函数。优化工具是搜索和处理设计空间的技术。因为求最小值不一定是优化的最终目标，所以目标函数在使用这些优化工具时可以不指出。但是，必须要指定设计变量。6、 指定优化循环控制方式每种优化方法和工具都有相应的循环控制参数，比如最大迭代次数等。用户还可以控制几个循环
31、特性，包括分析文件在循环中如何读取。可以从第一行读取（默认），也可以从第一个/PREP7出现的位置开始读取；设定为优化变量的参数可以忽略（默认），也可以在循环中处理，而且，用户可以指定循环中存储哪种变量，只存储数值变量还是存储数值变量和数组变量。这个功能可以在循环中控制参数的数值（包括设计变量和非设计变量）。7、 进行优化分析所有的控制选项设定好以后，就可以进行分析了。在执行时，优化循环文件（Jobname.LOOP）会根据分析生成。这个循环文件对用户是透明的，并在分析循环中使用。循环在满足下列情况时终止：收敛；中断（不收敛，但最大循环次数或是最大不合理的数目达到了）；分析完成。如果循环是由于
32、模型的问题（如网格划分有问题，非线性求解不收敛，与设计变量数值冲突等）中断时，优化处理器将进行下一次循环。如果是在交互方式下，程序将显示一个警告信息并询问是继续还是结束循环。如果是在批处理方式下，循环将自动继续。所有优化变量和其他参数在每次迭代后将存储在优化数据文件（Jobname.OPT）中。最多可以存储130组这样的序列。如果已经达到了130个序列，那么其中数据最“不好”的序列将被删除。8、 查看设计序列结果优化循环结束后，可以用本部分介绍的命令或相应的GUI路径来查看设计序列。这些命令适用于任意优化方法和工具生成的结果。2基于ANSYS的煤气罐壁厚的研究简介煤气罐属于压力容器，压力容器的
33、基本要求是安全和经济性。安全是核心问题，在充分保证安全的前提下尽可能做到经济。保证安全，不是盲目地增加壁厚、提高材料的品质，而应从合理的结构设计、精确的强度计算、合理的材料选用以及正确的技术要求等方面着手。通常应使所设计的压力容器满足如下要求：有足够的强度、刚度、使用寿命以及合理的结构。煤气罐主体侧壁是轴对称结构，其内部承受气体压力。本文利用ANSYS软件对目前家用煤气罐侧壁承受气体最大压力时进行有限元分析。研究此时煤气罐侧壁是否处于失稳状态，及煤气罐侧壁所受最大应力应该小于煤气罐侧壁材料的屈服极限。应力应该小于煤气罐侧壁材料的屈服极限。2.1新“瓶规”对液化石油气钢瓶设计的规定2000年国家
34、质检总局颁发了新的气瓶安全监察规程（以下简称2000版“瓶规”或新“瓶规”），于2001年7月1日开始执行。新“瓶规”有以下特点：在1989年气瓶安全监察规程的基础上保留了行之有效的条文，增加了90年代以来发布的标准、文件中上的新内容；为适应我国加入WTO的新形势，规程的主要内容尽量做到与国际接轨；更加突出了安全管理。液化石油气钢瓶作为盛装液化石油气的载体，是一种移动式的压力容器，新“瓶规”对液化石油气钢瓶作出了更加明确、具体的规定。新“瓶规”第四章“设计”第26条规定：“气瓶的设计，实行设计文件审批制度。气瓶制造采用的设计文件必须经审核批准。液化石油气钢瓶全国通用设计文件，由国家质量技术监督
35、局锅炉压力容器安全监察局审批。经审查设计文件，在总图和瓶体部件图上盖审批标记。” 我国压力容器的设计审批管理模式分为直接管理和间接管理两种，由于压力容器品种类别太多，且多为非标产品，小批量生产，所以压力容器设计采用间接管理，即主要是审查设计单位的资格；而气瓶尤其是液化石油气钢瓶作为移动式压力容器大都是批量生产，且设计过程相对简单，所以气瓶（包括液化石油气钢瓶）的设计完全可以采用直接管理，即由行业协会制定全国通用设计文件，经国家质检总局锅炉压力容器安全监察局审批。国际上气瓶设计监管都是进行设计审批，所以，新“瓶规”采用直接管理方法是与国际通行做法一致的。2001年9月6日国家质检总局锅炉压力容器
36、安全监察局下发了于贯彻执行气瓶安全监察规程若干意见的通知，通知说：“液化石油气瓶的设计，由行业协会组织制定全国通用的设计文件，我局负责审批。各省级锅炉压力容器安全监察机构不再进行液化石油气瓶的设计审批。全国液化石油气瓶通用设计文件发布后，原审批的设计文件不再使用。对于出口气瓶的设计，也应按照气瓶安全监察规程办理设计文件审批手续。”根据这一规定，全国液化石油气钢瓶专业委员会于2001年49月组织国内液化石油气钢瓶行业的专家编制、设计了全国通用的液化石油气钢瓶设计文件和图纸，2001年9月21日国家质检总局锅炉压力容器安全监察局批准了全国通用的液化石油气钢瓶设计文件和图纸。这套全国通用的设计文件和
37、图纸按GB5842液化石油气钢瓶和GB15380小容积液化石油气钢瓶设计，共计五种型号，基本覆盖了目前国内常用的液化石油气钢瓶。2001年11月26日国家质检总局下发了关于气瓶设计管理工作有关问题的通知，通知说：“自2002年1月1日起各液化石油气钢瓶制造单位和监检单位应按照统一设计文件进行制造和监检。届时，各省级锅炉压力容器安全监察机构审批的液化石油气钢瓶设计文件不再使用。”为了使液化石油气充装站、钢瓶检测站及广大用户对全国通用的液化石油气钢瓶文件和图纸有所了解，本文对其中的主要内容作简要的介绍。2.2液化石油气钢瓶型号命名的新规定新“瓶规”第64条对液化石油气的充装系数作了调整，由原198
38、9年“瓶规”的0.425公斤/升调整为0.42公斤/升。根据GB11174液化石油气标准规定的丙烷、丁烷组分，钢瓶允许的最大充装量需要进行调整，原来钢瓶的型号规格已不能准确反映钢瓶的自身特征，因此，将钢瓶原来以最大充装量命名调整为以钢瓶最小容积的特征参数命名。表2.1 新老钢瓶规格命名对照表现钢瓶规格原钢瓶规格钢瓶最小容积YSP4.7液化石油气钢瓶YSP-2液化石油气钢瓶4.7LYSP12液化石油气钢瓶YSP-5液化石油气钢瓶12LYSP23.5液化石油气钢瓶YSP-10液化石油气钢瓶23.5LYSP35.5液化石油气钢瓶YSP-15液化石油气钢瓶35.5LYSP118液化石油气钢瓶YSP-5
39、0液化石油气钢瓶118L从安全管理角度来看，钢瓶型号、规格以钢瓶最小容积命名是科学的，因为钢瓶的结构确定之后，钢瓶的容积便是确定的参数，容易检测（用水容积来测量），而最大充装量则随液化石油气的组分和环境温度的改变而改变，是不确定参数，所以，国际上通常是以钢瓶容积来命名。2.3钢瓶设计的基本参数1.瓶体的材料、设计最小壁厚、瓶体名义壁厚全国通用设计文件规定了液化石油气钢瓶的瓶体材料、设计最小壁厚及瓶体名义壁厚。（见表2）表2.2 液化石油气钢瓶的瓶体材料、设计最小壁厚及瓶体名义壁厚钢瓶规格瓶体材料设计最小壁厚瓶体名义壁厚YSP4.7液化石油气钢瓶HP2951.6mm2.0mmYSP12液化石油气
40、钢瓶HP2952.0mm2.5mmYSP23.5液化石油气钢瓶HP2952.5mm3.0mmYSP35.5液化石油气钢瓶HP2952.5mm3.0mmYSP118液化石油气钢瓶HP3252.9mm3.5mm钢瓶的瓶体材料必须使用经过液化石油气钢瓶委员会技术评审合格的钢瓶专用材料。如钢瓶制造企业需要使用以上规定之外的瓶体材料制造钢瓶，必须向液化石油气钢瓶专业委员会申请另行设计，并经上报国家质量监督检验检疫总局锅炉压力容器安全监察局批准后方可投入使用。2. 设计依据GB5842液化石油气钢瓶或GB15380小容积液化石油气钢瓶GB8335 气瓶专用螺纹GB7144 气瓶颜色标记GB6653 焊接气
41、瓶用钢板2000版 气瓶安全监察规程3. 钢瓶设计基本参数表2.3 钢瓶设计基本参数参数值YSP4.7YSP12YSP23.5YSP35.5YSP118钢瓶内径 Di（mm）200240314314400水压试验压力 Pn（MPa）3.23.23.23.23.2适用环境温度（）-4060-4060-4060-4060-4060材料屈服强度S（MPa）295295295295325公称容积（L）4.71223.535.5118气密试验压力 Ps（MPa）2.12.12.12.12.1充装系数 F（kg/L）0.420.420.420.420.422.4钢瓶的材料1. 主体材料的选择钢瓶是承受内压
42、的移动式压力容器，在加工中采用深冲压、拉伸工艺和自动焊接技术，因此要求钢材具有较高的抗拉强度、屈服强度和延伸率，要具有良好的可焊性，屈服强度不得大于其抗拉强度的0.8倍，因此，钢瓶主体材料要求选用气瓶焊接专用钢板。液化石油气钢瓶主体材料应符合GB5842液化石油气钢瓶或GB15380小容积液化石油气钢瓶、GB6653焊接气瓶用钢板及气瓶安全监察规程的有关规定的要求，并必须使用通过液化石油气钢瓶委员会技术评审的钢瓶专用材料。“全国通用技术文件”选择钢材的化学成分和机械性能如下：表2.4 “全国通用技术文件”选择钢材的化学成分和机械性能材料牌号化学成分 %机械性能CSiMnSPAlSMPa bMP
43、a 5% 弯曲180HP295 0.130.18 0.10 0.71.0 0.02 0.025 0.015 295 440 26 d=2a HP325 0.130.18 0.10 0.71.50.02 0.025 0.015 325 490 21d=2a注：P+S0.04% d-直径 a-试样厚度s屈服强度b抗拉强度5延伸率k冲击韧性2.附件材料的选择护罩、底座： Q235普碳钢瓶阀座：20号优质碳素钢瓶阀：液化石油气瓶阀（GB7512）2.5 钢瓶的设计计算2.5.1钢瓶瓶体的设计计算以YSP-35.5钢瓶为例，按照GB5842-1996液化石油气钢瓶标准进行设计计算。1. 瓶体设计壁厚 S
44、o1)筒体计算壁厚So1：2)封头计算壁厚So2： 3)瓶体名义厚度 S考虑钢板厚度的负偏差和拉伸时工艺减薄量，初选钢板厚度为3.0mm 。钢板厚度负偏差：0.21 mm工艺减薄量：3.010% = 0.3 mmS = 2.48+0.21+0.3 = 2.99 mm 选取瓶体板材名义壁厚 S = 3.0 mm4) 瓶体刚度校核式中：Do-钢瓶外径 选用设计壁厚So = 2.5 mm 钢板能够满足瓶体刚度要求。2. 钢瓶设计有效容积 V：V = 35.53L 35.5L （计算过程省略）符合GB5842-1996要求3. 钢瓶允许最大充装量W 计算：W = FV = 0.4235.5 = 14.
45、91 kg，实际选取允许的最大充装量 W = 14.9 kg 4.钢瓶安全容积校核为避免瓶内液化石油气体因受热膨胀而导致发生事故，钢瓶最大充装量的确定应在60环境温度下瓶内所充装的液化石油气不会为液相所充满，应仍保留3%以上的气相空间。按GB11174规定（37.8大气压 1380kPa）的液化石油气组分，求出在60丙烷、丁烷混合气体的饱和液体密度 d ：d = 0.947 d丙烷 + 0.053 d丁烷 = 0.9470.4329 + 0.0530.505 = 0.4367 kg/L式中：d丙烷-丙烷在60时饱和液体密度；d丁烷-丁烷在60时饱和液体密度；V14.9=V/d=14.90.43
46、67=34.12L35.5L即在60时，充装14.9 kg液化石油气的钢瓶内尚有气相空间 VG 为：VG=(V-V14.9)/V=(35.5-34.12)/35.5x100%=3.8%3% 选取最大充装量W = 14.9 kg，充装符合GB11174规定的液化石油气在GB5842规定的环境温度下使用，钢瓶是安全的。5. 水压爆破试验压力计算钢瓶热处理后，从每批(500只)中抽取一只进行水压爆破试验，YSP35.5钢瓶水压试验压力按下式计算：Pb试验=(2S0b)/(D0-S)=(2x2.5x440)/(320-3)=6.94MPa2.5.2 护罩设计 护罩的作用一是保护瓶阀，二是便于钢瓶的提携，YSP35.5钢瓶护罩外径190mm，高150mm，厚度3mm，材料采用Q235普碳钢，用模具冷冲压成形，上圈为半圆弧卷边，以增强刚性，挽手为半圆弧形，便于提携，装配时护罩焊接在上封头上，不可拆卸。 2.5.3 底座设计 底座焊接在下封头底部，以保持钢瓶直立平稳。YSP35.5钢瓶底座外径240mm，高48mm，厚度3mm，材料采用Q235普碳钢，用模具冷冲