鋁合金無縫氣瓶的設(shè)計與制造

杜玉玲

沈陽特種設(shè)備檢測研究院 遼寧沈陽 110042

在1930年代，瑞典和法國開始生產(chǎn)鋁制氣瓶，但當(dāng)時高昂的生產(chǎn)價格限制了鋁鋁制氣瓶的發(fā)展。直到1950年代，第一家英國公司勒克斯菲爾引入了冷擠壓工藝來生產(chǎn)鋁合金容器，這大大降低了成本并大幅度提高了生產(chǎn)的數(shù)量。1990年代，中國開始制造鋁合金氣瓶，盡管生產(chǎn)時間短，但發(fā)展飛速。如今生產(chǎn)鋁合金無縫氣瓶的鋁合金氣瓶供應(yīng)商數(shù)量很多，鋁合金無縫氣瓶已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子、醫(yī)藥、水、化工、冶金、礦山等方面。

1 鋁合金無縫氣瓶的材料

鋁合金鋁無縫氣瓶的制造原料通常是屬于鍛用鋁合金產(chǎn)品Al-Mg-Si的6061鋁合金，具有良好的散熱、加工、良好的耐腐蝕性、低溫、疲勞等特點和功能。Al-Mg-Si合金是熱處理鋁合金中唯一發(fā)現(xiàn)的擁有抗應(yīng)力（SCC）合金，不易被腐蝕而損壞的材料，擁有良好的抗腐蝕性和時效性加強效應(yīng)。

Al-Mg-Si合金可以進行自然時效，也可以進行人工時效，但因為自然時效速率很低，并且人工式的強化效益比自然式要強，因此，Al-Mg-Si合金通常在人工時采用。因為Mg2Si含量高于al-Mg-Si合金的0.9%，因此具有停放作用，即將它們淬火后在室溫下放置幾分鐘然后進行人工處理時，這種作用會使合金的時效降低。對此現(xiàn)象的其中一種說明是，Mg在Al-Mg-Si合金中的鋁中的溶解度遠高于硅。在室溫下，過量的硅首先分解，鎂和硅的G.P.區(qū)在硅酮芯上組成。若放置時間過短，則僅僅會發(fā)生硅分離，并且溶解物質(zhì)的大部分原子保留在固體和溶體中[1]。

2 鋁合金無縫氣瓶

2.1 鋁合金無縫氣瓶的概述

鋁合金氣瓶具有良好的低溫效果、良好的保水性和良好的耐腐蝕性。它們主要用于壓縮氣體、高壓氣體的裝載等，并在工業(yè)、醫(yī)療、救援、飲料制備儲氣庫等方面得到廣泛的應(yīng)用。為了確保安全使用鋁制氣瓶，必須定期檢查它們。

2.2 鋁及鋁合金性能特點

（1）輕巧：鋁的特殊優(yōu)勢是密度低（2.7g/cm3），約為鋼的1/3。由于低摩擦，鋁和鋁合金材料被廣泛用于航空、運輸?shù)戎圃旆矫妗?/p>

（2）耐腐蝕：很容易在鋁和鋁合金內(nèi)部形成堅硬的鋁保護膜，以防止進一步氧化。鹵素或堿離子的苛刻作用會破壞該層保護膜。因此，鋁具有良好的抗大氣腐蝕和抗水腐蝕的能力。能夠耐酸腐蝕和大多數(shù)有機物的侵害。通過選擇科學(xué)合理的合金材料、化學(xué)和電鍍可以再次提高其耐腐蝕性能。

（3）機械性能：拉伸強度是任何金屬中最需要具備的性能之一，其變化范圍很廣。工業(yè)上的純鋁強度低，可塑性高，但是可以采用合金化的方法來增強力學(xué)性能，從而達到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的水平。

（4）加工性能：由于鋁本身具有柔軟的不透明晶體結(jié)構(gòu)，因此鋁和鋁合金易于加工，可以使用常見的變形技術(shù)進行加工。鋁和鋁合金也是高效、快速且經(jīng)濟的材料[2]。

3 鋁合金無縫氣瓶的熱處理分析

在固化溶液期間，加熱溫度應(yīng)超過固體熔點，以確保強化相完全溶解。溫度越高，固定越快且越完整，增加強化的效果就越大。但是不應(yīng)高于固相線，否則合金就會熔化不均與，導(dǎo)致過燒，這將大大降低合金的效率。另外，在通過加熱溶液來生長結(jié)晶顆粒時，應(yīng)注意避免其生長地過大。所以，鋁合金溶液的熱處理溫度區(qū)間非常狹窄，并且溫度控制要求非常嚴(yán)格。通常，溶液的儲存溫度應(yīng)控制在515到550℃之間，儲存溫度的時間為1.5-2小時。通常在溶液介質(zhì)中使用水以確保冷卻的速率。凈化水的溫度通常應(yīng)低于30℃。固溶處理后，進行人工時效，由于Al-Mg-Si系列鋁合金的停放作用，溶液固化后應(yīng)盡快進行人工時效處理，中間相隔的時間不能超過2小時。人工時效的溫度通常為160-180℃，溫度保持的時間為10-12小時。

4 鋁合金無縫氣瓶的設(shè)計要求

4.1 鋁合金無縫氣瓶的壁厚設(shè)計

鋁合無縫氣瓶的圓筒壁厚度設(shè)計的主要功能是確定圓筒的最小壁厚。

（1）為了計算圓柱體設(shè)計的壁厚，在對材料進行熱處理后，其靜態(tài)延伸強度的規(guī)定值應(yīng)不超過抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值的85%。

（2）氣瓶壁厚設(shè)計是根據(jù)液壓測試壓力計算得出的，該壓力等于標(biāo)準(zhǔn)工作壓力的1.5倍。

4.2 鋁合金無縫氣瓶的端部設(shè)計

（1）底部和肩部的壁厚和造型應(yīng)符合液壓和爆破試驗系統(tǒng)的要求。

（2）從氣瓶到肩部以及從氣瓶到底部的壁厚應(yīng)逐漸增加，以確保壓力分布均勻。

（3）下部任何位置的壁厚應(yīng)該均不得小于氣瓶設(shè)計的厚度。

（4）內(nèi)徑半徑（r1）不得大于圓柱直徑的1.2倍，內(nèi)徑半徑（r）不得小于內(nèi)圓柱直徑的10%。

（5）從底端接地點到內(nèi)壁的壁厚（c）不得小于圓柱結(jié)構(gòu)壁厚的兩倍。

4.3 瓶口螺紋設(shè)計

直螺紋的長度至少為6個螺距，液壓測試的壓力的安全系數(shù)必須至少為10。瓶的頸壁應(yīng)確保在閥和波紋管的增加的外力作用下不會變形。閥門扭矩必須符合相關(guān)規(guī)定。

4.4 底座設(shè)計

如果底座足夠，則應(yīng)通過科學(xué)合理的方式將底座連接到合金的鋁合金氣瓶上，底部必須足夠堅固且穩(wěn)定，并且不得使用焊接方法。

4.5 頸圈設(shè)計

如果項圈緊緊地懸掛，則應(yīng)將其牢牢地固定在瓶子的瓶口上，以確保項圈能夠承受的壓力超過瓶子重量負荷的10倍，至少1000N，扭矩承受能力至少為100N·m。頸部不應(yīng)該采用焊接方法進行固定。

5 結(jié)語

由于鋁合金材料承受的溫度范圍較窄，還具有一定的停放效應(yīng)，因此固溶體和固定熱量控制要求非常高。本文詳細介紹了鋁制氣瓶的設(shè)計原理、材料選擇要求、生產(chǎn)方法和生產(chǎn)過程中要考慮的問題，并分析了鋁制氣瓶在設(shè)計和生產(chǎn)中的差異和具體標(biāo)準(zhǔn)，期待為同事提供一些信息和參考依據(jù)[3]。