楊茂森, 余孟栗, 彭著洋, 干 兵, 王 莉

(四川省特種設備檢驗研究院, 成都 610100)

無縫氣瓶是一種可重復充裝壓縮氣體或高壓液化氣體的鋼瓶，被廣泛應用于工業(yè)、醫(yī)療等領域。無縫氣瓶的生產工藝一般為：鋼管廠先采用“管坯-加熱-穿管-軋制-定徑”等工序生產氣瓶用無縫鋼管；氣瓶廠采用無縫鋼管作為坯料，經過熱旋壓收口收底成型、正火處理等工序，最終加工成無縫氣瓶[1]。在對某氣瓶進行常規(guī)超聲測厚時，發(fā)現其局部位置厚度異常，故對該氣瓶壁厚異常部位進行超聲檢測，以確定缺陷分布位置和深度，再采用化學成分分析、金相檢驗、能譜分析等方法，確定了缺陷的類型，分析了缺陷產生的原因。

1 理化檢驗

1.1 超聲檢測

該氣瓶規(guī)格(外徑×長度×壁厚)為219 mm×1 200 mm×5.7 mm，材料為37Mn鋼。參照NB/T 47013.3—2015 《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》標準規(guī)定的脈沖反射法超聲檢測對瓶體壁厚異常部位進行檢測，超聲檢測靈敏度為50%+10 dB，采用雙晶探頭，探頭頻率為5 MHz，探頭角度為0°，探頭直徑為10 mm。氣瓶不同位置的超聲檢測結果如圖1所示。圖1a)中，缺陷波當量較低，內表面底波反射當量較高，較無缺陷處底波高度變化不大，說明該處缺陷面積較??；圖1b)中，缺陷反射波高度大于底波，底波高度降低明顯，說明該處缺陷面積較大，但仍小于超聲波聲束截面面積；圖1c)中，底波完全消失，僅有缺陷反射回波，該處缺陷面積較大，且大于超聲波聲束截面面積。

圖1 氣瓶不同位置的超聲檢測結果

經超聲檢測判斷，缺陷總體呈現出分層特征，缺陷在氣瓶的位置如圖2所示。由圖2可知：缺陷沿瓶體軸向分布，呈長條狀，長為180 mm，寬為40 mm，面積約為7 200 mm2。整個缺陷在氣瓶厚度方向上的位置一致，角度與外表面約為0°，但不同位置缺陷反射當量大小不一致。該氣瓶其余位置經檢測未發(fā)現有類似分層缺陷。

圖2 缺陷在氣瓶的分布位置示意

1.2 化學成分分析

用直讀光譜儀對37Mn鋼無縫氣瓶材料進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可知：該氣瓶用37Mn鋼的化學成分符合GB/T 18248—2008 《氣瓶用無縫鋼管》標準的要求[2]。

表1 37Mn鋼無縫氣瓶的化學成分分析結果 %

1.3 金相檢驗

采用4%(體積分數)的硝酸酒精溶液對氣瓶分層缺陷附近材料侵蝕后進行金相檢驗。該氣瓶材料的顯微組織如圖3所示，由圖3可知：氣瓶材料組織為珠光體+鐵素體，組織無異常，未見明顯帶狀組織[3-4]。

圖3 37Mn鋼無縫氣瓶的顯微組織

沿氣瓶周向切取的1#試樣局部區(qū)域的缺陷處微觀形貌如圖4所示。由圖4可知：缺陷處含有大量的非金屬夾雜物[5-6]，非金屬夾雜物距氣瓶外表面約0.6～0.7 mm，長度較長，厚度較小，以條狀、斷續(xù)條狀平行于外表面，沿瓶體周向分布。

圖4 1#試樣(周向)局部區(qū)域的缺陷處微觀形貌

1#試樣的非金屬夾雜物微觀形貌如圖5所示。由圖5可知：大量的顆粒狀夾雜物沿周向分布，顆粒物大小為2 μm～5 μm，具有B類(氧化鋁類)夾雜物的特征[7]。

圖5 1#試樣(周向)非金屬夾雜物微觀形貌

圖6為沿氣瓶軸向切取的2#試樣非金屬夾雜物微觀形貌。由圖6可知：非金屬夾雜物沿瓶體軸向(鋼管軋制方向)，且平行于外表面呈條狀、鏈狀分布，貫穿整個2#試樣。非金屬夾雜物距瓶體外表面約0.6～0.7 mm，厚度為5 μm～70 μm。

圖6 2#試樣(軸向)非金屬夾雜物微觀形貌

1.4 能譜分析

對兩組試樣中的非金屬夾雜物進行能譜分析，結果如圖7～9所示。由圖7～9可以看出：夾雜物呈條狀、顆粒狀分布，條狀夾雜物中包含有塊狀或顆粒狀夾雜物。能譜顯示兩組試樣的夾雜物成分基本相同，主要元素為O和Al，還含有Ca，Ti和Mg等元素，但含量相對較少。表明該處分層缺陷由氧化物類夾雜物組成，主要為Al2O3和少量CaO，MgO，TiO2組成的復合夾雜物[8-9]。

圖7 1#試樣夾雜物能譜分析位置1及其能譜圖

圖8 1#試樣夾雜物能譜分析位置2及其能譜圖

圖9 2#試樣夾雜物能譜分析位置及其能譜圖

2 綜合分析

綜上所述，該氣瓶分層缺陷主要由Al2O3和少量的CaO，MgO，TiO2的復合夾雜物組成，該夾雜物具有一定的厚度，且造成氣瓶兩側基體金屬分離，故在常規(guī)壁厚檢測時其厚度異常減少，超聲檢測時體現為分層特征。

在管坯的冶煉、澆注過程中，Al2O3，CaO，MgO，TiO2等為脫氧產物以及熔渣成分，當工藝控制不當時，上述氧化物不能及時從鋼水中上浮排出，往往以非金屬夾雜物的形式殘留在鋼中。無縫鋼管在穿管、軋制過程中，復合夾雜物在外力的作用下發(fā)生變形，并進一步被拉長壓扁，最終沿鋼管軋制方向以面狀分布在鋼管基體內部。

當鋼管材料存在非金屬夾雜物等缺陷時，瓶體的結構不連續(xù)會導致局部應力集中，這會降低鋼材的塑性、韌性以及抗疲勞性能，特別是在氣瓶反復充裝后，缺陷處瓶體疲勞開裂敏感性大大增加，因此，在生產無縫鋼管時，氣瓶用鋼管制造企業(yè)應當嚴格按照相關標準要求，對氣瓶進行檢驗，保證無縫鋼管的品質。

3 結語

(1) 該氣瓶缺陷是由殘留在鋼中的Al2O3和少量的CaO，MgO，TiO2等復合夾雜物組成的。

(2) 無縫鋼管生產企業(yè)以及氣瓶生產企業(yè)應當嚴格按照相關標準要求對氣瓶進行檢驗，以確保其品質。