液化石油氣鋼瓶異常破口原因解析

袁奕雯

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 上海 200333）

液化石油氣鋼瓶異常破口原因解析

袁奕雯

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 上海 200333）

由YSP23.5液化石油氣鋼瓶爆破失效結(jié)果不符合要求這一實(shí)例入手，針對(duì)鋼瓶材質(zhì)、自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等主要因素，對(duì)鋼瓶熱處理工藝和機(jī)加工工藝中等幾個(gè)值得注意的環(huán)節(jié)及異常破口的原因進(jìn)行了綜合解析，為立式單環(huán)焊縫液化石油氣鋼瓶設(shè)計(jì)思路及制造工藝提出改進(jìn)建議。

液化石油氣鋼瓶； 水壓爆破； 異常破口

液化石油氣鋼瓶是人們最易接觸到的特種設(shè)備，在日常使用過程中，液化石油氣鋼瓶常會(huì)由于使用不當(dāng)、瓶閥泄漏、鋼瓶質(zhì)量等原因引起火災(zāi)及爆炸事故，給人們生命財(cái)產(chǎn)帶來危險(xiǎn)。

本機(jī)構(gòu)在對(duì)某廠家2只YSP23.5液化石油氣鋼瓶進(jìn)行爆破試驗(yàn)時(shí)，2只樣品的爆破壓力與容積變形率均符合要求，但破口位于封頭曲面部位，呈平行于環(huán)焊縫的橫向開口，如圖1和圖2所示。

爆破試驗(yàn)選用麥克斯維特公司制造的MHUM189-DC型氣瓶水壓爆破試驗(yàn)機(jī)，選用壓力表精度等級(jí)1.6級(jí)、量程0～30MPa；壓力傳感器精度0.5級(jí)。二者均在計(jì)量有效期內(nèi)，最終讀數(shù)采集自壓力傳感器。試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度為28℃±1℃，水溫為26℃±1℃。

一般來說，液化石油氣鋼瓶超壓爆破時(shí)，其破口應(yīng)垂直于環(huán)焊縫，且不應(yīng)在封頭曲面部位[1]，該破口不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，被判為不合格。

圖1 缺陷圖片

圖2 缺陷圖片

為了進(jìn)一步探究該破口形成的原因，對(duì)其制造工藝進(jìn)行了綜合分析。

1 異常破口原因分析

1.1 制造工藝簡述

YSP 23.5液化石油氣鋼瓶為立式單環(huán)焊縫結(jié)構(gòu)，一般選用HP 295[2]板材為主體材料，采用沖壓拉伸后成上下橢圓形封頭，下封頭縮孔與上封頭對(duì)接焊后，進(jìn)行退火或正火消除加工殘余應(yīng)力，最終制造成形，其主要制造工藝流程如圖3所示。

圖3 YSP 23.5液化石油氣鋼瓶制造工藝流程圖

由上述流程可以初步判斷，受試鋼瓶爆破壓力符合標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合同批氣瓶的拉伸試驗(yàn)結(jié)果，可以得出材料力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求的結(jié)論；2只受試鋼瓶的容積變形率雖然符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但略顯偏大，分別為30%和27.8%，這應(yīng)與該鋼瓶制造的熱處理工藝有關(guān)；破口距離環(huán)焊縫位置分別為100mm和120mm，超出環(huán)焊縫熱影響區(qū)位置，與焊接工藝無關(guān)，其主要原因應(yīng)與機(jī)加工工藝中的封頭拉伸工藝有關(guān)。因此，此類異常破口的原因應(yīng)從熱處理工藝及封頭拉伸工藝入手深入研究。

1.2 熱處理工藝分析

目前我國液化石油氣鋼瓶制造中去應(yīng)力熱處理大多數(shù)采用退火處理，極少數(shù)廠家采用正火熱處理，采用正火熱處理的鋼瓶主要用于出口澳洲和南非。

液化石油氣鋼瓶所使用的HP295系焊接氣瓶專用鋼板，其化學(xué)成分要求見表1

表1 用于液化石油氣鋼瓶的HP295化學(xué)成分表 %

通過表1可知，HP295含碳量＜0.25%，應(yīng)屬于低碳鋼，此外，HP295含碳量＜0.77%，應(yīng)屬于亞共析鋼。

理論上說[3]，正火和退火都可以達(dá)到消除應(yīng)力的目的，但是從更利于改善加工性能的角度出發(fā)，中碳鋼可以采用退火或正火的方式消除應(yīng)力，而低碳鋼宜采用正火的方式消除應(yīng)力。碳鋼正火后所得到的組織為索氏體+鐵素體，而退火后組織為珠光體+鐵素體。索氏體組織較珠光體晶粒更為細(xì)化，因此正火后材料的強(qiáng)度和硬度均比退火后更高。

但是，由于HP295的正火溫度在Ac3+(30～50)℃，即900℃左右，而去應(yīng)力退火溫度僅在550℃～680℃之間，氣瓶制造廠家從能耗成本角度考慮，仍然普遍采用退火作為消除應(yīng)力的熱處理方式。

具體在本案中，該鋼瓶制造廠采用液化石油氣火焰加熱進(jìn)行熱處理，本意是打算進(jìn)行退火處理，但是由于設(shè)備陳舊，無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)溫控，遂由人工估計(jì)的方式控制熱處理溫度，實(shí)際操作中，疑似熱處理溫度過高或保溫時(shí)間過長，以至于該批鋼瓶韌性增加，容積導(dǎo)致變形率增大，這成為出現(xiàn)橫向爆破口的直接原因。

1.3 機(jī)加工封頭拉伸工藝及結(jié)構(gòu)分析

本案鋼瓶的破口均出現(xiàn)在距離環(huán)焊縫100mm～120mm位置，此類鋼瓶在加工過程中對(duì)封頭進(jìn)行夾持后在進(jìn)行拉伸，其機(jī)加工夾持痕跡位于距離緣口（焊口）約100mm處，即本案爆破位置附近，見圖4，從結(jié)構(gòu)上說，此處的不連續(xù)結(jié)構(gòu)易導(dǎo)致應(yīng)力集中。

圖4 機(jī)加工痕跡

此外，從瓶體本身結(jié)構(gòu)上看，鋼瓶可以近似看為圓筒薄殼容器，根據(jù)GB 150-2011《鋼質(zhì)壓力容器》[4]，圓筒應(yīng)力計(jì)算可以簡化為下式：環(huán)向薄膜應(yīng)力σs=PcD/2δ (1)

軸向薄膜應(yīng)力σs=PcD/4δ (2)

其中：Pc——計(jì)算壓力，MPa，D——圓筒或球殼的外中徑，δ——圓筒或球殼的計(jì)算厚度。

通過上式可以得出，環(huán)向應(yīng)力是軸向應(yīng)力的2倍，然而在本案中，由于該氣瓶規(guī)格是YSP23.5，內(nèi)直徑314mm，外徑為320mm，上下封頭總高為374mm，爆破后瓶體外直徑達(dá)到370mm，上下封頭總高之比近似相等，從這個(gè)角度說，鋼瓶在爆破瞬間，其本身已并非是一個(gè)圓筒薄殼容器，可以看作一個(gè)球殼容器，而球殼的環(huán)向和軸向薄膜應(yīng)力均為

因此，該鋼瓶爆破時(shí)破口出現(xiàn)在瓶體任一部位都有可能，當(dāng)氣瓶超壓充裝時(shí)，鋼瓶機(jī)加工封頭拉伸時(shí)留下的加工溝痕形成薄弱環(huán)節(jié)，最終導(dǎo)致破口出現(xiàn)在此處。

2 建議

液化石油氣鋼瓶在我國廣大農(nóng)村地區(qū)和部分經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)仍占有較大市場，其產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)系著千家萬戶，橫向破口較縱向破口瞬時(shí)泄放的沖擊波力量更大，具有一定的危險(xiǎn)性。

為了避免此類鋼瓶流入市場造成安全隱患，在此提出三點(diǎn)建議。

1）在液化石油氣鋼瓶選型設(shè)計(jì)上，盡量避免選擇長徑比在1.1～1.5倍范圍內(nèi)的鋼瓶；

2）在機(jī)械加工時(shí)盡量避免在瓶體表面留下明顯溝痕，造成應(yīng)力集中；

3）在熱處理時(shí)，盡量選用帶有自動(dòng)溫控、定時(shí)裝置的熱處理設(shè)備，在條件允許的情況下，建議采用正火處理替代去應(yīng)力退火處理。

1 GB 5842-2006液化石油氣鋼瓶[S]

2 GB 6653-2008焊接氣瓶用鋼板和鋼帶[S]

3 于永泗 齊民.機(jī)械工程材料[M].大連.大連理工大學(xué)出版社,2003(5),78-79

4 GB 150-2011 鋼質(zhì)壓力容器[S]

Cause Analysis of LPG Cylinders Abnormal Bread

Yuan Yiwen
(Shanghai institute of special equipment inspection and technical research Shanghai 200333)

With the case that a YSP23.5 LPG cylinder blasting the instance of failure result does not conform to the requirements, analyzed the main factors of cylinder, Such as: material, structure and design. The cylinder heat treatment process and machining process are also considered. The cause of the abnormal breach is comprehensive analyzed and vertical ring weld liquefied petroleum gas cylinder design and manufacturing process improvement suggestions are put forward.

LPG cylinder； Hydrostatic burst； Exception of break

X928.3

B

：1673－257X(2014)05－44－02

袁奕雯，(1982-)，女，工程師，主要從事氣瓶設(shè)計(jì)文件鑒定、氣瓶型式試驗(yàn)工作及其研究。

2013－11－23）