大容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶致脆風(fēng)險(xiǎn)的防范措施

郭萌鋒

（浙江藍(lán)能燃?xì)庠O(shè)備有限公司，浙江 紹興 312369）

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)的快速發(fā)展，氣體工業(yè)的發(fā)展速度日新月異，工業(yè)氣體，特別是氫氣、天然氣等氣體得到了廣泛應(yīng)用，氫氣和天然氣的運(yùn)輸成為氣體利用的非常重要的問(wèn)題。優(yōu)良的質(zhì)量、良好的信譽(yù)，使國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的大容積管瓶運(yùn)輸車逐步、進(jìn)而全部替代進(jìn)口，使國(guó)內(nèi)的大容積管瓶車市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。同時(shí)，正在進(jìn)軍國(guó)外市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)出口。

1 大容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶在解決氫脆方面所采取的主要措施

1.1 吸取美國(guó)49CFR §178.35、37、DOT-SP8009 以及ISO11120 標(biāo)準(zhǔn)中的精華，制定包含上述標(biāo)準(zhǔn)且嚴(yán)于上述標(biāo)準(zhǔn)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SHJ 20-2004《大容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶》，通過(guò)了全國(guó)氣瓶標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)專家的審查并在瓶標(biāo)委備案。盛裝氫氣、天然氣等氣體的鋼瓶首先應(yīng)滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求,同時(shí)滿足DOT49CFR§178.37《3AA 和3AAX 無(wú)縫鋼瓶規(guī)范》和DOT-SP8009 特許規(guī)范的要求。DOT-3AAX 不是專門針對(duì)氫氣或其它有應(yīng)力腐蝕傾向的氣體的鋼瓶標(biāo)準(zhǔn)。DOT-3AAX 鋼瓶可以用于盛裝包括氫氣和甲烷在內(nèi)的12 種非液化氣體。

1.2 盛裝氫氣、天然氣等氣體的鋼瓶首先應(yīng)滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時(shí)滿足DOT 49CFR §178.37《3AA 和3AAX 無(wú)縫鋼瓶規(guī)范》和DOTSP8009 特許規(guī)范的要求。DOT-3AAX 不是專門針對(duì)氫氣或其它有應(yīng)力腐蝕傾向的氣體的鋼瓶標(biāo)準(zhǔn)。DOT-3AAX 鋼瓶可以用于盛裝包括氫氣和甲烷在內(nèi)的12 種非液化氣體。而專門針對(duì)盛裝壓縮天然氣的DOT-3AAX 氣瓶提出了更高的制造和檢驗(yàn)要求，并獲得美國(guó)DOT 的認(rèn)可，即DOT 特許規(guī)范DOT-SP8009。ISO11120 中第11 章專門對(duì)有致脆危險(xiǎn)的鋼瓶的材料、設(shè)計(jì)、制造及檢驗(yàn)等方面作了特殊規(guī)定。對(duì)照國(guó)產(chǎn)大容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶，所依據(jù)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)、制造的盛裝氫氣、壓縮天然氣的管瓶運(yùn)輸車，完全滿足DOT-3AAX 氣瓶標(biāo)準(zhǔn)的要求，并滿足DOT-SP 8009 特許規(guī)范的各項(xiàng)要求；同時(shí)也完全滿足ISO11120 中第11 章對(duì)有致脆危險(xiǎn)的鋼瓶的材料、設(shè)計(jì)、制造及檢驗(yàn)等方面的各項(xiàng)要求。

1.3 美國(guó)90%以上的3AAX 氣瓶用于充裝氫氣和天然氣。為保證運(yùn)輸?shù)陌踩?，運(yùn)輸和制造廠對(duì)DOT-3AAX 氣瓶提出更高的要求，并獲得美國(guó)運(yùn)輸部的認(rèn)可,即D O T-SP8009。DOT-SP8009 中明確要求盛裝壓縮天然氣的鋼瓶必須用4130X 制造；4130X 鋼中S、P 的含量必須小于0.015%和0.024%。所以，國(guó)產(chǎn)大容積鋼瓶為避免氫脆，采取的措施為：

1.3.1 限制鋼種并控制材料中硫和磷的含量。氣瓶必須用優(yōu)質(zhì)鉻鉬鋼4130X 制造。因?yàn)殂t鉬鋼具有優(yōu)良的綜合性能，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后在較高的強(qiáng)度水平上仍能保持良好的塑性和足夠的韌性。鋼中的硫、磷含量分別不能超過(guò)0.010%和0.020%。（ISO11120 要求硫和磷的含量分別不能超過(guò)0.025%，總量不能超過(guò)0.035%）。

1.3.2 為得到滿足性能和要求的金相組織，對(duì)鋼瓶進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理。熱處理后要求對(duì)瓶體的金相組織進(jìn)行檢測(cè)。要求瓶體纖維組織應(yīng)為回火索氏體；晶粒度不應(yīng)低于6 級(jí)；并對(duì)瓶體內(nèi)外壁脫碳層的深度作出嚴(yán)格規(guī)定，以確保瓶體組織不存在馬氏體，避免發(fā)生氫脆。

1.4 鋼的脆性與抗拉強(qiáng)度：研究表明,高強(qiáng)度容器中鋼的脆性與抗拉強(qiáng)度有關(guān)。抗拉強(qiáng)度降低,臨界應(yīng)力密度因子增加。當(dāng)抗拉強(qiáng)度降低到882MPa 以下時(shí),臨界應(yīng)力密度因子增加很快,氫脆的敏感度降低；試驗(yàn)證明：AI-SI4340、AISI4130 和錳鋼抗拉強(qiáng)度到882MPa 以下時(shí),氫脆的敏感性降低,其中4130 更優(yōu)[3]。由此可見(jiàn),氫脆容易發(fā)生在高強(qiáng)度材料中,鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度越高,氫脆敏感性越大。

1.5 鋼瓶的硬度和抗拉強(qiáng)度是密切相關(guān)的，鋼瓶的硬度反映的是瓶體的強(qiáng)度狀況。為了控制瓶體的強(qiáng)度必須控制瓶體的硬度不超過(guò)規(guī)定的指標(biāo)。為此，國(guó)產(chǎn)大容積鋼瓶采取了如下措施：控制鋼瓶的硬度。瓶體熱處理后逐只進(jìn)行硬度檢測(cè)，硬度值最大不超過(guò)HB269。

1.6 研究表明,鋼中的氫含量在5×10-6 以上,隨著氫含量的增加,鋼的脆性增大,斷裂應(yīng)力、斷面收縮率和延伸率都降低,所以,適當(dāng)提高鋼材的塑性和韌性,有助于防止氫脆。瓶體熱處理后的延伸率要求不得小于20%；鋼瓶瓶體熱處理后要求對(duì)試驗(yàn)環(huán)或瓶體進(jìn)行壓扁試驗(yàn)。壓扁間距T 等于6 倍樣環(huán)的平均實(shí)測(cè)厚度，壓扁處無(wú)裂紋為合格；同時(shí)，瓶體熱處理后，要求對(duì)瓶體材料進(jìn)行夏比V 型缺口-40℃的低溫沖擊試驗(yàn)，三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣沖擊功的平均值A(chǔ)kv≥40J，單個(gè)試樣的沖擊功Akv≥32J。

1.7 資料介紹：氫脆出現(xiàn)在天然氣鋼瓶中，起因于鋼瓶長(zhǎng)期有水存在。盡管天然氣中H2S 的含量為17.3mg/m3，但因鋼瓶中殘存的水，使水中溶入大量的H2S。溫度低于250℃，干燥的H2S 不對(duì)鋼材起腐蝕作用，低于250℃下H2S 只有與水并存時(shí)才對(duì)鋼材有腐蝕作用。H2S 遇水產(chǎn)生電離，生成的氫向鋼中擴(kuò)散，在局部區(qū)域集聚達(dá)到極限濃度時(shí)導(dǎo)致鋼的脆性破壞。鋼中任何氣穴、夾雜物、夾層都是潛在的鼓包的發(fā)源地，在這些地區(qū)集聚的氫氣壓力會(huì)逐漸升高，以至在鼓包處引起破裂。特別是在有應(yīng)力的情況下，會(huì)加劇氫脆開裂。實(shí)踐表明：應(yīng)力集中區(qū)域容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕、延遲裂紋和氫脆。

1.8 鋼瓶的缺陷容易加劇鋼瓶氫脆的產(chǎn)生、應(yīng)力腐蝕的產(chǎn)生、鋼瓶的破壞。所以要防止鋼瓶產(chǎn)生氫脆和其他破壞，必須控制鋼瓶缺陷及缺陷的尺寸。為防止瓶體在熱處理后和水壓試驗(yàn)后產(chǎn)生裂紋，在熱處理后和水壓試驗(yàn)后分別對(duì)瓶體進(jìn)行100%磁粉檢測(cè)，不允許有任何裂紋存在；同時(shí)水壓試驗(yàn)后，對(duì)瓶體進(jìn)行100%超聲檢測(cè)，不得存在有超出瓶體最小壁厚5%的缺陷存在。采用目測(cè)和其他常規(guī)檢測(cè)方法，對(duì)瓶體的外表面進(jìn)行全面檢測(cè)，外觀質(zhì)量應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，不得有超標(biāo)缺陷，直線度、橢圓度均應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍之內(nèi)；同時(shí)對(duì)瓶體內(nèi)壁進(jìn)行檢測(cè)：采用內(nèi)窺攝像系統(tǒng)對(duì)鋼瓶?jī)?nèi)壁進(jìn)行全面檢測(cè)，防止任何超標(biāo)缺陷存在。

2 結(jié)語(yǔ)

以上這些控制措施,尤其是降低鋼種的硫磷含量、限制材料的實(shí)際抗拉強(qiáng)度上限,控制鋼瓶的硬度、提高鋼瓶的塑性和韌性、避免應(yīng)力集中、控制鋼瓶缺陷、并附加嚴(yán)格的最終超聲波檢測(cè)和磁粉檢測(cè),改善鋼瓶的抗疲勞性能等措施,對(duì)于降低氫脆的危害是非常重要的。氫氣和壓縮天然氣都屬于有應(yīng)力腐蝕傾向的氣體,國(guó)產(chǎn)盛裝氫氣和天然氣等有致脆風(fēng)險(xiǎn)的氣體的鋼瓶,各項(xiàng)指標(biāo)和質(zhì)量控制措施均達(dá)到甚至超過(guò)了DOT-3AAX 和DOTSP8009 的要求,各項(xiàng)指標(biāo)和質(zhì)量控制措施均高于ISO11120 的各項(xiàng)要求。

［1］美國(guó)聯(lián)邦法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)DOT 49CFR §178.37；DOT-SP 8009 特許規(guī)范[S].

［2］國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO11120：1999 水容積為150L～3000L 可重復(fù)使用的無(wú)縫鋼瓶的設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)[S].

［3］邱長(zhǎng)鋆.高強(qiáng)度鋼在常溫高壓氫氣中的氫脆[J].中國(guó)鍋爐壓力容器安全,1999(6).