董紅磊，李邦憲，薄 柯，張君鵬

(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100013)

0 引言

長(zhǎng)管拖車是目前中短距離工業(yè)氣體運(yùn)輸?shù)膶Ｓ密囕v，以其高效、靈活和便捷的特點(diǎn)在各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。為確保長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸?shù)陌踩煽?，?guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢疫總局頒布了《長(zhǎng)管拖車定期檢驗(yàn)專項(xiàng)要求》作為檢驗(yàn)的主要依據(jù)［1］。隨著檢驗(yàn)數(shù)量的上升和檢驗(yàn)水平的提高，各長(zhǎng)管拖車檢驗(yàn)站發(fā)現(xiàn)了一些典型的鋼瓶缺陷，如裂紋、腐蝕、爆破片擠出和瓶體凹坑、鼓包等。2010年共發(fā)現(xiàn)13類檢驗(yàn)案例，因瓶體鼓包缺陷報(bào)廢鋼瓶13支，在各類缺陷中居第3位。對(duì)2011年的檢驗(yàn)案例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，一季度發(fā)現(xiàn)鼓包缺陷鋼瓶12支，二季度發(fā)現(xiàn)11支，因鼓包缺陷而報(bào)廢的鋼瓶數(shù)量倍增。

為了對(duì)鼓包鋼瓶進(jìn)行合理判定，杜絕因鼓包失效而帶來(lái)的鋼瓶爆破事故，文中對(duì)鋼瓶鼓包缺陷部位進(jìn)行性能分析，結(jié)合相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鼓包氣瓶的判定，提出以鼓包缺陷量化尺寸、鼓包部位硬度和水壓試驗(yàn)殘余變形率聯(lián)合作為長(zhǎng)管拖車鼓包鋼瓶的評(píng)定指標(biāo)，并進(jìn)行了分析探討。

1 鋼瓶鼓包部位的性能分析

1.1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用長(zhǎng)管拖車定期檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的編號(hào)為1#和6#兩只鼓包鋼瓶，鋼瓶規(guī)格為 ?559 mm×10975 mm，設(shè)計(jì)壓力20 MPa。其中，1#鋼瓶鼓包部位距鋼印端8775 mm，6#鋼瓶鼓包部位距鋼印端3475 mm。分別測(cè)定鋼瓶鼓包部位的周長(zhǎng)和鼓包高度，結(jié)果如圖1所示。1#鋼瓶最大周長(zhǎng)1781 mm，最大鼓包高度18 mm;6#鋼瓶最大周長(zhǎng)1783 mm，最大鼓包高度10 mm。從測(cè)定結(jié)果可以看出，兩只鋼瓶鼓包部位的最大周長(zhǎng)相差不大，但最大鼓包高度相差較大。

對(duì)鋼瓶鼓包部位進(jìn)行切割取樣，為避免切割熱對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試樣加工部位由邊緣向內(nèi)延伸100 mm。測(cè)定化學(xué)成分，如表1所示。按GB/T 228和GB/T 229加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸和沖擊試樣，用型號(hào)為DNS600電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定力學(xué)性能，用型號(hào)為JB－300B沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)定－50℃沖擊性能。用4%的硝酸酒精溶液腐蝕后觀察其金相組織，并測(cè)定鋼瓶的脫碳層深度。

圖1 鼓包部位的周長(zhǎng)和鼓包高度

表1 鋼瓶鼓包部位的化學(xué)成分 %

1.2 鼓包部位的力學(xué)性能結(jié)果及分析

因尚未形成長(zhǎng)管拖車用大容積無(wú)縫鋼瓶的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，各生產(chǎn)企業(yè)主要參考國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)形成企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組織生產(chǎn)，由于各性能指標(biāo)存在一定差異，因此以各企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最低值作為性能分析的依據(jù)。鋼瓶鼓包部位的力學(xué)性能結(jié)果如表2所示，標(biāo)準(zhǔn)要求的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度下限分別為700和482 MPa，鋼瓶鼓包部位的強(qiáng)度偏低。延伸率滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定≥20%，1#鋼瓶低溫沖擊值偏小，但滿足均值≥40 J的要求。

表2 鋼瓶鼓包部位的力學(xué)性能

考慮到硬度與強(qiáng)度的相關(guān)性，標(biāo)準(zhǔn)只提出要與強(qiáng)度相適應(yīng)，且規(guī)定盛裝天然氣和氫氣等具有腐蝕性介質(zhì)的鋼瓶硬度上限不超過(guò)HB269，而對(duì)硬度下限未做明確規(guī)定［2］。鋼瓶鼓包部位的內(nèi)外表面硬度值如表3所示，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不超過(guò)HB269的要求，但明顯偏低，這正好與強(qiáng)度性能相對(duì)應(yīng)。

1.3 鼓包部位的微觀組織分析

由力學(xué)性能試驗(yàn)可知，鋼瓶鼓包部位的內(nèi)、外硬度偏低。淬火加熱溫度過(guò)高、加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或熱處理次數(shù)過(guò)多都會(huì)引起表面脫碳，從而降低硬度。另外，長(zhǎng)管拖車鋼瓶屬于整體式單面淬火，內(nèi)表面不與淬火液接觸，若淬火工藝控制不當(dāng)也會(huì)因淬不透而使內(nèi)表面硬度偏低。測(cè)定鋼瓶鼓包部位內(nèi)外表面的脫碳層深度，結(jié)果如表4所示。脫碳層深度滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的外壁不超過(guò)0.3 mm，內(nèi)壁不超過(guò)0.25 mm的要求，說(shuō)明硬度降低不是由表面脫碳造成。

觀察鋼瓶鼓包部位的微觀組織，如圖2所示。1#鋼瓶為索氏體+貝氏體+鐵素體組織，6#鋼瓶為索氏體+鐵素體組織，不滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的索氏體要求。索氏體由鐵素體和滲碳體兩相組成，貝氏體則屬于過(guò)飽和的鐵素體和滲碳體混合物。滲碳體屬于硬性相，鐵素體屬于軟性相，鐵素體含量的增多在一定程度上降低了材料的強(qiáng)度和硬度。

2 相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鼓包缺陷的評(píng)定

圖2 鋼瓶鼓包部位的微觀組織

《長(zhǎng)管拖車定期檢驗(yàn)專項(xiàng)要求》是國(guó)內(nèi)長(zhǎng)管拖車定期檢驗(yàn)的主要依據(jù)，其第四、(二)、5條規(guī)定，氣瓶存在鼓包則不允許繼續(xù)使用。美國(guó)壓縮氣體協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)CGA C－6《鋼質(zhì)氣瓶宏觀檢查》是DOT標(biāo)準(zhǔn)體系下長(zhǎng)管拖車氣瓶外觀檢驗(yàn)的主要標(biāo)準(zhǔn)，其第7.3.5條指出氣瓶應(yīng)具有合理對(duì)稱的形狀，若有明顯可見(jiàn)的鼓包，如由于火焰損害造成鼓包的氣瓶應(yīng)報(bào)廢。ISO 11120《水容積在150 L～3000 L可重復(fù)充裝無(wú)縫氣瓶的設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)》是長(zhǎng)管拖車氣瓶制造的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其附表C.1指出所有有可見(jiàn)凸起的氣瓶都應(yīng)當(dāng)報(bào)廢。

另外，國(guó)內(nèi)外小容積無(wú)縫氣瓶的相關(guān)檢驗(yàn)和制造標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)鼓包缺陷提出了評(píng)定要求。GB 13004《鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶定期檢驗(yàn)與評(píng)定》是國(guó)內(nèi)小容積無(wú)縫氣瓶定期檢驗(yàn)的主要依據(jù)，其1991版第6.3條指出氣瓶筒體存在凸起缺陷，周長(zhǎng)增大超過(guò)1%則氣瓶報(bào)廢，而1999版第5.1.1條則指出瓶體存在裂紋、鼓包、結(jié)疤、褶皺或夾雜等缺陷都應(yīng)當(dāng)報(bào)廢。EN 1968和ISO 6406是歐盟和國(guó)際小容積無(wú)縫氣瓶定期檢驗(yàn)與評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)，都指出所有有可見(jiàn)凸起的鋼瓶都應(yīng)當(dāng)報(bào)廢。同時(shí)，小容積無(wú)縫氣瓶制造國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 9809－1附表A.1也指出，所有有可見(jiàn)凸起的氣瓶都應(yīng)當(dāng)報(bào)廢。

可見(jiàn)，按國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)鼓包鋼瓶應(yīng)當(dāng)判廢，而國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)都提出有可見(jiàn)鼓包應(yīng)當(dāng)判廢，對(duì)鼓包缺陷提出了模糊的量化。

3 鼓包鋼瓶評(píng)定指標(biāo)的探討

3.1 鼓包部位的圓度和圓周伸長(zhǎng)率

GB 5099，ISO 11120和長(zhǎng)管拖車企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都提出筒體部位的圓度不超過(guò)該截面平均直徑的2%，而氣瓶檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB 13004和CGA C－6都指出圓周伸長(zhǎng)率大于1%氣瓶應(yīng)當(dāng)報(bào)廢，因此取圓度和圓周伸長(zhǎng)率作為鋼瓶鼓包的量化指標(biāo)［4－5］。

筒體的圓度指在同一截面測(cè)得的最大外徑和最小外徑之差。當(dāng)筒體圓度過(guò)大時(shí)，在內(nèi)壓作用下，筒體的應(yīng)力除了薄膜應(yīng)力外還存在著附加彎曲應(yīng)力［6］。由圓度引起的最大附加彎曲應(yīng)力可近似按以下公式計(jì)算:

式中 σw——筒體不圓度引起的最大附加彎曲應(yīng)力，MPa

p——筒體承受的壓力，MPa

D——筒體平均直徑，mm

s——筒體壁厚，mm

Dmax，Dmin——計(jì)算截面上筒體的最大和最小直徑，mm

若筒體截面圓度較小，附加應(yīng)力較小，筒體僅承受一定的薄膜應(yīng)力;若圓度較大，則附加應(yīng)力越大，筒體承受附加應(yīng)力和薄膜應(yīng)力的聯(lián)合應(yīng)力。對(duì)于承受內(nèi)壓的圓筒體，當(dāng)圓度增加到一定程度，附加彎曲應(yīng)力達(dá)到不能忽視的程度，圓筒體的承載能力顯著降低。

對(duì)于圓周鼓包鋼瓶，筒體圓度可能滿足小于2%要求，因此提出圓周伸長(zhǎng)率的限制。對(duì)于免于水壓試驗(yàn)、充裝非腐蝕性介質(zhì)的低壓氣瓶，CAG C－6《鋼質(zhì)氣瓶宏觀檢查》第5.2.6條指出氣瓶有明顯鼓包應(yīng)報(bào)廢，且第5.2.6.2條指出圓周伸長(zhǎng)率大于1%的氣瓶應(yīng)當(dāng)報(bào)廢。對(duì)于長(zhǎng)管拖車氣瓶，按該方法計(jì)算的圓周鼓包高度為2.8 mm。

對(duì)于制造長(zhǎng)管拖車氣瓶用無(wú)縫鋼管，規(guī)定鋼管的外徑公差為±1%，在一定程度上限制了筒體的圓度和圓周伸長(zhǎng)率。

3.2 鼓包部位的硬度滿足一定范圍要求

硬度檢驗(yàn)由于方法簡(jiǎn)便易行且不破壞試件，因此成為制造過(guò)程中檢驗(yàn)鋼瓶熱處理性能的重要手段。DOT－SP8009特許令規(guī)定盛裝天然氣和氫氣等具有應(yīng)力腐蝕傾向介質(zhì)的鋼瓶硬度上限不超過(guò)HB 269，對(duì)下限未做明確規(guī)定［7］;ISO 11120規(guī)定盛裝具有氫脆危害介質(zhì)的鋼瓶抗拉強(qiáng)度不應(yīng)超過(guò)950 MPa，而硬度只要求與強(qiáng)度相適應(yīng)。由于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)硬度的下限未做明確規(guī)定，因此各生產(chǎn)廠家對(duì)硬度的控制范圍也不相同。

ASMEⅧ－Ⅰ卷UF篇鍛制壓力容器UF－31熱處理章節(jié)中規(guī)定，對(duì)經(jīng)液體淬火加回火的容器應(yīng)進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)，在熱處理后的殼體兩端及中部不少于3個(gè)不同截面上，每5 ft測(cè)一個(gè)度數(shù)但不得少于4個(gè)讀數(shù)。每個(gè)截面上布氏硬度的平均值不得比所用材料規(guī)定的最小抗拉強(qiáng)度(psi)被500除所得的數(shù)值低10%，同時(shí)不得比該值高25%。

按各企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗拉強(qiáng)度的最低值計(jì)算，取抗拉強(qiáng)度700 MPa，得硬度的范圍為 HB 182.7 ～HB 253.75。對(duì)于符合 49CFR 178.37 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的DOT鋼瓶，設(shè)計(jì)時(shí)其最大壁應(yīng)力不超過(guò)鋼瓶材料最低抗拉強(qiáng)度的67%，且不超過(guò)70000 psi。同時(shí)，CGA－C－5:2005《高壓無(wú)縫氣瓶的壁應(yīng)力再校核》附表B指出:3AA鋼瓶水壓試驗(yàn)壓力下的平均壁應(yīng)力和最大壁應(yīng)力不超過(guò)67000和73000 psi。若按壁應(yīng)力為70000 psi計(jì)算硬度范圍為188＜HB＜261;若按壁應(yīng)力為67000 psi確定硬度范圍為180＜HB＜250。

由于DOT－SP 8009標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定盛裝氫氣和天然氣等具有應(yīng)力腐蝕傾向的鋼瓶硬度上限不超過(guò)HB 269，因此建議鋼瓶鼓包部位的硬度控制在HB 180～HB 269范圍內(nèi)。

3.3 水壓試驗(yàn)后鋼瓶的殘余變形率小于10%

水壓試驗(yàn)是確定氣瓶整體性能的重要手段，通過(guò)容積殘余變形率的測(cè)定可以了解氣瓶的水壓試驗(yàn)壓力是否接近或超過(guò)氣瓶的整體屈服應(yīng)力，因此，容積殘余變形率成為評(píng)定氣瓶耐壓試驗(yàn)合格與否的重要指標(biāo)。目前，常用的大容積無(wú)縫鋼瓶標(biāo)準(zhǔn) DOT 49CFR §178.37，§178.45 和 ISO 11120均采用外測(cè)法進(jìn)行水壓試驗(yàn)，要求永久體積膨脹量不超過(guò)試驗(yàn)壓力下總膨脹量的10%［8－9］。

相對(duì)于體積較大的大容積無(wú)縫鋼瓶，鼓包缺陷引起的容積殘余變形量較小，因此對(duì)水壓試驗(yàn)以容積殘余變形率合格指標(biāo)取10%提出了爭(zhēng)議。GB 13004《鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶定期檢驗(yàn)與評(píng)定》和《長(zhǎng)管拖車定期檢驗(yàn)專項(xiàng)要求》規(guī)定，殘余變形率超過(guò)10%，則鋼瓶報(bào)廢;若殘余變形率超過(guò)6%，則需對(duì)壁厚進(jìn)行校核。因此，提出將容積殘余變形率指標(biāo)降低為6%。

控制氣瓶的容積殘余變形率，其實(shí)際是控制材料不發(fā)生屈服［10－11］。采用降低容積殘余變形率的辦法，不能解決水壓試驗(yàn)產(chǎn)生屈服的現(xiàn)象。氣瓶水壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中，只規(guī)定了單次試驗(yàn)中容積殘余變形率的評(píng)定指標(biāo)，而未規(guī)定水壓試驗(yàn)的運(yùn)行次數(shù)，即使將合格指標(biāo)由10%降為6%，經(jīng)過(guò)多次水壓試驗(yàn)后容積殘余變形率接近6%的氣瓶仍會(huì)發(fā)生屈服。同時(shí)，降低水壓試驗(yàn)的殘余變形率指標(biāo)，將降低試驗(yàn)的抗干擾能力。

對(duì)壁厚均勻的鋼瓶，其容積殘余變形率與筒體的環(huán)向殘余應(yīng)變存在一定對(duì)應(yīng)關(guān)系。假設(shè)氣瓶為壁厚均勻的受壓圓筒，試驗(yàn)時(shí)不計(jì)兩端變形約束的影響，并忽略在小塑性變形下的軸向殘余應(yīng)變，對(duì)于水壓試驗(yàn)壓力和直徑、壁厚相對(duì)固定的鋼瓶，當(dāng)容積殘余變形率為10%時(shí)，所對(duì)應(yīng)的環(huán)向殘余應(yīng)變約在0.02%，尚屬?gòu)椥宰冃畏秶鷥?nèi)，這是氣瓶容積殘余變形率取10%作為合格標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)［12］。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)對(duì)定檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的兩支鼓包鋼瓶進(jìn)行性能試驗(yàn)可知:鋼瓶鼓包部位的強(qiáng)度和硬度偏低，塑性和韌性滿足要求。金相組織中含有軟性相鐵素體，在一定程度上降低了材料的強(qiáng)度和硬度。

(2)分析相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鼓包鋼瓶的判定可知，按國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)鼓包鋼瓶應(yīng)當(dāng)判廢，而國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)都提出有可見(jiàn)鼓包應(yīng)當(dāng)判廢，對(duì)鼓包缺陷提出了模糊的量化。

(3)參照相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求，提出以圓度和圓周伸長(zhǎng)率作為鋼瓶鼓包的量化指標(biāo)，要求鼓包鋼瓶的圓度小于該截面平均直徑的2%，圓周伸長(zhǎng)率小于1%;由鋼瓶鼓包部位的性能分析，提出以硬度作為評(píng)定鼓包鋼瓶的指標(biāo)，要求硬度范圍在HB 180～HB 269之間;水壓試驗(yàn)后鋼瓶的殘余變形率小于10%。

［1］TSG R7001—2004，壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則［S］.

［2］DOT 49CFR §178.37，Specification 3AA and 3AAX Seamless Steel Cylinders［S］.

［3］ISO 11120—2009，Gas Cylinders－Refillable Seamless Steel Tubes of Water Capacity Between 150 L and 3000 L － Design，Construction and Testing［S］.

［4］薄柯，張軍鵬，李邦憲，等.長(zhǎng)管拖車日常管理與維護(hù)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2006，28(12):154 －156.

［5］王洪海.DOT－3AAX氣瓶及其運(yùn)輸設(shè)備的安全設(shè)計(jì)［J］.化工設(shè)備與管道，2000，37(1):10 －14.

［6］劉三江，鄭暉，李邦憲，等.以無(wú)損檢測(cè)為主的長(zhǎng)管拖車氣瓶定期檢驗(yàn)方法［J］.中國(guó)特種設(shè)備安全，2005，(21):25 －27.

［7］秋長(zhǎng)鋻.美國(guó)CNG管式拖車氣瓶的特許規(guī)范［J］.中國(guó)鍋爐壓力容器安全，1999，16(5):19－21.

［8］孟燕華，段燕宜.氣瓶水壓試驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究［J］.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，1999，9(3):49 －53.

［9］王會(huì)賞，杜爽.大容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶外測(cè)法水壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析［J］.中國(guó)特種設(shè)備安全，2007，24(1):7－8.

［10］劉浩.氣瓶容積殘余變形率及水壓試驗(yàn)探討［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2005，3:36 －37.

［11］曾凡蘇，章鵬興，郝靜，等.汽車用CNG鋼瓶應(yīng)力與疲勞壽命分析［J］.壓力容器，2011，28(3):38 －42.

［12］王俊，姜德春.氣瓶檢驗(yàn)安全技術(shù)［M］.大連:大連理工大學(xué)出版社，1993.