關于長管拖車鼓包鋼瓶評定指標的探討

董紅磊，李邦憲，薄 柯，張君鵬

(中國特種設備檢測研究院，北京 100013)

0 引言

長管拖車是目前中短距離工業氣體運輸的專用車輛，以其高效、靈活和便捷的特點在各領域得到了廣泛應用。為確保長管拖車運輸的安全可靠，國家質量監督檢疫總局頒布了《長管拖車定期檢驗專項要求》作為檢驗的主要依據［1］。隨著檢驗數量的上升和檢驗水平的提高，各長管拖車檢驗站發現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年共發現13類檢驗案例，因瓶體鼓包缺陷報廢鋼瓶13支，在各類缺陷中居第3位。對2011年的檢驗案例進行統計，一季度發現鼓包缺陷鋼瓶12支，二季度發現11支，因鼓包缺陷而報廢的鋼瓶數量倍增。

為了對鼓包鋼瓶進行合理判定，杜絕因鼓包失效而帶來的鋼瓶爆破事故，文中對鋼瓶鼓包缺陷部位進行性能分析，結合相關法規和標準對鼓包氣瓶的判定，提出以鼓包缺陷量化尺寸、鼓包部位硬度和水壓試驗殘余變形率聯合作為長管拖車鼓包鋼瓶的評定指標，并進行了分析探討。

1 鋼瓶鼓包部位的性能分析

1.1 試驗材料及試驗方法

試驗選用長管拖車定期檢驗中發現的編號為1#和6#兩只鼓包鋼瓶，鋼瓶規格為 ?559 mm×10975 mm，設計壓力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。分別測定鋼瓶鼓包部位的周長和鼓包高度，結果如圖1所示。1#鋼瓶最大周長1781 mm，最大鼓包高度18 mm;6#鋼瓶最大周長1783 mm，最大鼓包高度10 mm。從測定結果可以看出，兩只鋼瓶鼓包部位的最大周長相差不大，但最大鼓包高度相差較大。

對鋼瓶鼓包部位進行切割取樣，為避免切割熱對試驗結果的影響，試樣加工部位由邊緣向內延伸100 mm。測定化學成分，如表1所示。按GB/T 228和GB/T 229加工成標準拉伸和沖擊試樣，用型號為DNS600電子萬能試驗機測定力學性能，用型號為JB－300B沖擊試驗機測定－50℃沖擊性能。用4%的硝酸酒精溶液腐蝕后觀察其金相組織，并測定鋼瓶的脫碳層深度。

圖1 鼓包部位的周長和鼓包高度

表1 鋼瓶鼓包部位的化學成分 %

1.2 鼓包部位的力學性能結果及分析

因尚未形成長管拖車用大容積無縫鋼瓶的國家標準，各生產企業主要參考國外標準形成企業標準組織生產，由于各性能指標存在一定差異，因此以各企業標準規定的最低值作為性能分析的依據。鋼瓶鼓包部位的力學性能結果如表2所示，標準要求的抗拉強度和屈服強度下限分別為700和482 MPa，鋼瓶鼓包部位的強度偏低。延伸率滿足標準規定≥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性能

考慮到硬度與強度的相關性，標準只提出要與強度相適應，且規定盛裝天然氣和氫氣等具有腐蝕性介質的鋼瓶硬度上限不超過HB269，而對硬度下限未做明確規定［2］。鋼瓶鼓包部位的內外表面硬度值如表3所示，滿足標準規定不超過HB269的要求，但明顯偏低，這正好與強度性能相對應。

1.3 鼓包部位的微觀組織分析

由力學性能試驗可知，鋼瓶鼓包部位的內、外硬度偏低。淬火加熱溫度過高、加熱時間過長或熱處理次數過多都會引起表面脫碳，從而降低硬度。另外，長管拖車鋼瓶屬于整體式單面淬火，內表面不與淬火液接觸，若淬火工藝控制不當也會因淬不透而使內表面硬度偏低。測定鋼瓶鼓包部位內外表面的脫碳層深度，結果如表4所示。脫碳層深度滿足標準規定的外壁不超過0.3 mm，內壁不超過0.25 mm的要求，說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，不滿足標準規定的索氏體要求。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度和硬度。

2 相關法規和標準對鼓包缺陷的評定

圖2 鋼瓶鼓包部位的微觀組織

《長管拖車定期檢驗專項要求》是國內長管拖車定期檢驗的主要依據，其第四、(二)、5條規定，氣瓶存在鼓包則不允許繼續使用。美國壓縮氣體協會標準CGA C－6《鋼質氣瓶宏觀檢查》是DOT標準體系下長管拖車氣瓶外觀檢驗的主要標準，其第7.3.5條指出氣瓶應具有合理對稱的形狀，若有明顯可見的鼓包，如由于火焰損害造成鼓包的氣瓶應報廢。ISO 11120《水容積在150 L～3000 L可重復充裝無縫氣瓶的設計、制造和檢驗》是長管拖車氣瓶制造的國際標準，其附表C.1指出所有有可見凸起的氣瓶都應當報廢。

另外，國內外小容積無縫氣瓶的相關檢驗和制造標準也對鼓包缺陷提出了評定要求。GB 13004《鋼質無縫氣瓶定期檢驗與評定》是國內小容積無縫氣瓶定期檢驗的主要依據，其1991版第6.3條指出氣瓶筒體存在凸起缺陷，周長增大超過1%則氣瓶報廢，而1999版第5.1.1條則指出瓶體存在裂紋、鼓包、結疤、褶皺或夾雜等缺陷都應當報廢。EN 1968和ISO 6406是歐盟和國際小容積無縫氣瓶定期檢驗與評定的標準，都指出所有有可見凸起的鋼瓶都應當報廢。同時，小容積無縫氣瓶制造國際標準ISO 9809－1附表A.1也指出，所有有可見凸起的氣瓶都應當報廢。

可見，按國內相關標準鼓包鋼瓶應當判廢，而國外相關標準都提出有可見鼓包應當判廢，對鼓包缺陷提出了模糊的量化。

3 鼓包鋼瓶評定指標的探討

3.1 鼓包部位的圓度和圓周伸長率

GB 5099，ISO 11120和長管拖車企業標準都提出筒體部位的圓度不超過該截面平均直徑的2%，而氣瓶檢驗標準GB 13004和CGA C－6都指出圓周伸長率大于1%氣瓶應當報廢，因此取圓度和圓周伸長率作為鋼瓶鼓包的量化指標［4－5］。

筒體的圓度指在同一截面測得的最大外徑和最小外徑之差。當筒體圓度過大時，在內壓作用下，筒體的應力除了薄膜應力外還存在著附加彎曲應力［6］。由圓度引起的最大附加彎曲應力可近似按以下公式計算:

式中 σw——筒體不圓度引起的最大附加彎曲應力，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，附加應力較小，筒體僅承受一定的薄膜應力;若圓度較大，則附加應力越大，筒體承受附加應力和薄膜應力的聯合應力。對于承受內壓的圓筒體，當圓度增加到一定程度，附加彎曲應力達到不能忽視的程度，圓筒體的承載能力顯著降低。

對于圓周鼓包鋼瓶，筒體圓度可能滿足小于2%要求，因此提出圓周伸長率的限制。對于免于水壓試驗、充裝非腐蝕性介質的低壓氣瓶，CAG C－6《鋼質氣瓶宏觀檢查》第5.2.6條指出氣瓶有明顯鼓包應報廢，且第5.2.6.2條指出圓周伸長率大于1%的氣瓶應當報廢。對于長管拖車氣瓶，按該方法計算的圓周鼓包高度為2.8 mm。

對于制造長管拖車氣瓶用無縫鋼管，規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率。

3.2 鼓包部位的硬度滿足一定范圍要求

硬度檢驗由于方法簡便易行且不破壞試件，因此成為制造過程中檢驗鋼瓶熱處理性能的重要手段。DOT－SP8009特許令規定盛裝天然氣和氫氣等具有應力腐蝕傾向介質的鋼瓶硬度上限不超過HB 269，對下限未做明確規定［7］;ISO 11120規定盛裝具有氫脆危害介質的鋼瓶抗拉強度不應超過950 MPa，而硬度只要求與強度相適應。由于相關標準對硬度的下限未做明確規定，因此各生產廠家對硬度的控制范圍也不相同。

ASMEⅧ－Ⅰ卷UF篇鍛制壓力容器UF－31熱處理章節中規定，對經液體淬火加回火的容器應進行布氏硬度試驗，在熱處理后的殼體兩端及中部不少于3個不同截面上，每5 ft測一個度數但不得少于4個讀數。每個截面上布氏硬度的平均值不得比所用材料規定的最小抗拉強度(psi)被500除所得的數值低10%，同時不得比該值高25%。

按各企業標準規定的抗拉強度的最低值計算，取抗拉強度700 MPa，得硬度的范圍為 HB 182.7 ～HB 253.75。對于符合 49CFR 178.37 標準規定的DOT鋼瓶，設計時其最大壁應力不超過鋼瓶材料最低抗拉強度的67%，且不超過70000 psi。同時，CGA－C－5:2005《高壓無縫氣瓶的壁應力再校核》附表B指出:3AA鋼瓶水壓試驗壓力下的平均壁應力和最大壁應力不超過67000和73000 psi。若按壁應力為70000 psi計算硬度范圍為188＜HB＜261;若按壁應力為67000 psi確定硬度范圍為180＜HB＜250。

由于DOT－SP 8009標準規定盛裝氫氣和天然氣等具有應力腐蝕傾向的鋼瓶硬度上限不超過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。

3.3 水壓試驗后鋼瓶的殘余變形率小于10%

水壓試驗是確定氣瓶整體性能的重要手段，通過容積殘余變形率的測定可以了解氣瓶的水壓試驗壓力是否接近或超過氣瓶的整體屈服應力，因此，容積殘余變形率成為評定氣瓶耐壓試驗合格與否的重要指標。目前，常用的大容積無縫鋼瓶標準 DOT 49CFR §178.37，§178.45 和 ISO 11120均采用外測法進行水壓試驗，要求永久體積膨脹量不超過試驗壓力下總膨脹量的10%［8－9］。

相對于體積較大的大容積無縫鋼瓶，鼓包缺陷引起的容積殘余變形量較小，因此對水壓試驗以容積殘余變形率合格指標取10%提出了爭議。GB 13004《鋼質無縫氣瓶定期檢驗與評定》和《長管拖車定期檢驗專項要求》規定，殘余變形率超過10%，則鋼瓶報廢;若殘余變形率超過6%，則需對壁厚進行校核。因此，提出將容積殘余變形率指標降低為6%。

控制氣瓶的容積殘余變形率，其實際是控制材料不發生屈服［10－11］。采用降低容積殘余變形率的辦法，不能解決水壓試驗產生屈服的現象。氣瓶水壓試驗標準中，只規定了單次試驗中容積殘余變形率的評定指標，而未規定水壓試驗的運行次數，即使將合格指標由10%降為6%，經過多次水壓試驗后容積殘余變形率接近6%的氣瓶仍會發生屈服。同時，降低水壓試驗的殘余變形率指標，將降低試驗的抗干擾能力。

對壁厚均勻的鋼瓶，其容積殘余變形率與筒體的環向殘余應變存在一定對應關系。假設氣瓶為壁厚均勻的受壓圓筒，試驗時不計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變，對于水壓試驗壓力和直徑、壁厚相對固定的鋼瓶，當容積殘余變形率為10%時，所對應的環向殘余應變約在0.02%，尚屬彈性變形范圍內，這是氣瓶容積殘余變形率取10%作為合格標準的依據［12］。

4 結語

(1)通過對定檢過程中發現的兩支鼓包鋼瓶進行性能試驗可知:鋼瓶鼓包部位的強度和硬度偏低，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度和硬度。

(2)分析相關法規和標準對鼓包鋼瓶的判定可知，按國內相關標準鼓包鋼瓶應當判廢，而國外相關標準都提出有可見鼓包應當判廢，對鼓包缺陷提出了模糊的量化。

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

［1］TSG R7001—2004，壓力容器定期檢驗規則［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.長管拖車日常管理與維護［J］.制造業自動化，2006，28(12):154 －156.

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

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

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［12］王俊，姜德春.氣瓶檢驗安全技術［M］.大連:大連理工大學出版社，1993.