壓縮天然氣鋼瓶疲勞試驗失效分析

牛振宇 劉剛

摘 要：本文綜合運用壁厚測量、拉伸試驗、水壓爆破試驗、硬度試驗、金相檢驗等檢測方法對氣瓶疲勞失效原因進行分析，根據各個試驗結果繪制了失效分析圖，并對氣瓶疲勞失效原因進行了分析。分析表明該氣瓶疲勞失效原因為制造公差超標和熱處理工藝控制不嚴。生產廠家應加強生產管理，保證特種設備安全。

關鍵詞：氣瓶 疲勞試驗 失效分析

中圖分類號：O346.2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（b）-0134-02

壓縮天然氣鋼瓶是指用于充裝壓縮天然氣的鋼質無縫氣瓶。為了保證安全使用，按照TSG R7002-2009《氣瓶型式試驗規則》規定，鋼質無縫氣瓶要進行疲勞試驗。在GB 5099-94《鋼質無縫氣瓶》中規定鋼瓶要進行12000次疲勞試驗。

2012年中，某單位委托我院對其生產的調質鋼瓶進行型式試驗。鋼瓶公稱水容積為90 L，直徑為279 mL，設計最小壁厚為7.8 mm。底部為蝶形底。材質為30CrMo。

在型式試驗過程中，疲勞試驗進行到4000多次時，一只氣瓶出現了破裂失效的現象。本文僅根據本次試驗中出現的問題進行分析，找出失效原因。

1 疲勞試驗方法

本次疲勞試驗，從樣瓶中選擇了3只抗疲勞性較差的樣瓶。三只樣瓶的相關參數見表1。

試驗依據GB 9252-2001《氣瓶疲勞試驗方法》進行。循環壓力上限值30 MPa，循環壓力下限值2 MPa，循環頻率1.8次/秒，試驗開始時環境溫度29 ℃。

試驗設備為60 MPa疲勞試驗裝置，精度為0.24%。

2 試驗失效過程

該試驗開始后進行到4108次（時間為夜間，現場無試驗人員），三只試驗瓶中的09#樣瓶發生破裂。

破裂時瓶內壓力為30.2 MPa，瓶壁溫度為42 ℃。

破裂位置位置筒體中部偏下。破口長約562 mm，寬97 mm破口距離瓶底約490 mm，破口與鋼印標記中心夾角約60°。破口形狀為魚腹狀，無金屬缺陷。破口整體特征近似于氣瓶水壓爆破試驗造成之破口。

3 失效分析過程

疲勞失效原因多種多樣。為了探究這次疲勞失效原因，我們進行了多項相關試驗來進行分析。

3.1 壁厚測量分析

疲勞試驗前用超聲波測厚儀對進行疲勞試驗的三只氣瓶逐一進行了壁厚測量。該只氣瓶的壁厚測量結果顯示壁厚偏差較大。

3.2 拉伸試驗結果分析

我們用同批抽取的樣瓶，在氣瓶中部位截取了一段材料，進行拉伸試驗。從拉伸試樣結果看，各項指標均符合標準規定。單兩個試樣的屈強比分別為0.90和0.88，也在合格范圍內（0.92合格）。

3.3 水壓爆破試驗結果分析

隨后，我們又對同批瓶子進行了水壓爆破試驗。爆破后兩只氣瓶的屈強比分別為87%和84%，接近于拉伸試驗結果。

試驗后發現兩只氣瓶的破裂部位均位于氣瓶下部，破口形狀幾乎一致。

破裂位置并不是水爆前進行的壁厚測量發現的最薄點。

3.4 氣瓶表面硬度試驗

我們對一只樣瓶進行了硬度試驗。試驗結果表明氣瓶整體硬度符合標準規定。但是各個部位間硬度值存在一定差距，下部硬度值平均較上部低。

3.5 金相檢驗分析

我們又在氣瓶下部失效部位，截取部分材料，制備了金相試樣。經過鑲嵌、拋磨、腐蝕后，放大200倍觀察，發現試樣表面存在不完全脫碳現象。

3.6 該氣瓶的熱處理方式

該廠使用全自動的懸掛式鋼瓶熱處理生產線對氣瓶進行熱處理。氣瓶垂直懸掛狀態進行熱處理。

4 疲勞失效原因討論

根據綜合分析，該氣瓶的疲勞失效原因如下。

（1）由于質量檢驗不嚴，導致壁厚偏差較大的氣瓶漏檢。氣瓶壁厚不均，在不斷加壓-卸壓過程中下，在強度薄弱的部位造成局部應力集中。

（2）制造過程中，熱處理工藝控制不嚴，導致局部出現脫碳層，脫碳層的鐵素體組織強度低，導致該部位的硬度（見前面氣瓶表面硬度分析）和強度下降（爆破試驗和疲勞試驗破口位置接近）。

（3）由于應力集中和強度下降，該氣瓶在疲勞試驗過程中引起局部變形、開裂。（圖1）

建議委托方針對此次問題，嚴格產品質量管理，完善生產工藝。保證生產出安全可靠的氣瓶。

參考文獻

[1]國家質量監督檢驗檢疫總局，氣瓶型式試驗規則[S].

[2]GB 5099-94，鋼質無縫氣瓶[S].

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[4]白培謙，脫碳引起的重型汽車裂紋失效分析[J].陜西省機械工程學會理化專業委員會第八屆年會論文.

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