氧氣氣瓶開裂原因分析

石生芳* 浦 哲 左延田

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院）

0 前言

某氣瓶檢驗站對其批次鋁合金無縫氣瓶進行定期檢驗, 在進行壓力試驗時發(fā)現(xiàn)氣瓶有泄漏現(xiàn)象。該批氣瓶材質(zhì)為鋁合金6351[1-2]，規(guī)格為13 L，外徑約為 205 mm，充裝氧氣質(zhì)量為15 kg，水壓試驗壓力為22.5 MPa，工作壓力為15 MPa，瓶口螺紋為錐螺紋。

1 宏觀檢測

將泄漏的鋁合金氣瓶沿瓶肩處截開后切開，對其內(nèi)側(cè)進行檢驗，發(fā)現(xiàn)瓶肩區(qū)內(nèi)腔表面分布著以瓶孔為起始點的輻射狀溝槽，氣瓶內(nèi)表面呈爪瓤狀，沿爪瓤溝槽存在深淺不一的裂紋，部分裂紋穿透瓶壁,導致氣瓶泄漏，具體如圖1 所示。

近瓶口縱截面上的穿透裂紋如圖2 所示。由圖2可見，溝槽裂紋曲折延伸至外表面，瓶口對稱截面同樣可見裂紋擴展至表面。圖2 中箭頭處微裂紋起始于溝槽處，且貫穿瓶壁。

2 掃描電鏡分析

圖 1 瓶肩處內(nèi)腔表面形貌

圖 2 縱截面上裂紋分布形貌

為了分析裂紋產(chǎn)生的原因,采用掃面電鏡對裂紋面進行了微觀分析[3]。低倍鏡下近邊緣區(qū)域的形貌如圖 3 所示，圖 3 中左上角為裂面，圖 3 中右下角條紋區(qū)為內(nèi)腔表面，中間區(qū)域較平整，但分布有氧化層。高倍鏡下，近邊緣的折疊表面可見破裂的氧化層，表明其為原自由表面，如圖 4 所示。

圖 3 裂紋邊緣區(qū)域低倍下形貌（SEI）

圖 4 裂紋邊緣折疊表面形貌（SEI）

圖 5 裂面層片狀分布形貌（SEI）

圖 6 內(nèi)腔面與折疊面交界區(qū)形貌（SEI）

3 金相分析

3.1 開裂區(qū)法向截面

在淺浸蝕條件下，裂紋在谷底向內(nèi)擴展，其全長約為3.2 mm，裂紋較寬且較為平直，兩側(cè)有分叉狀的二次裂紋，如圖7 所示。

圖 7 開裂區(qū)法向截面上裂紋分布形貌

一般組織被浸蝕后呈纖維狀分布，氣瓶裂紋沿纖維呈流變分布，裂紋兩側(cè)表面平滑，推測這是由擠壓流變導致的，其兩側(cè)的二次裂紋同樣與組織流變相關(guān)，同時可看到組織變形并不協(xié)同，如圖8 所示。

圖 8 裂紋側(cè)面二次裂紋分布形貌

3.2 近瓶口內(nèi)腔法向截面

表層區(qū)域組織呈纖維狀分布，其流變分布并不對稱也不協(xié)同，并錯位形成裂紋，使表面呈“佛手”狀，如圖9 所示。

圖 9 近瓶口內(nèi)腔表層裂紋分布形貌

在高倍鏡下，可見氣瓶組織中α（Al）基體上布有點狀化合物硬化相，分叉裂紋兩側(cè)圓渾，擬與流變相關(guān)，如圖10 所示。

圖 10 內(nèi)腔表層裂紋及組織分布形貌

4 化學分析

在瓶體上取樣進行化學成分分析，并將結(jié)果與GB/T 3190—2008《變形鋁及鋁合金化學成分》[4]比較，比較結(jié)果表明瓶體金屬的化學成份符合GB/T 3190—2008 標準的相關(guān)要求，如表1 所示。

表 1 氣瓶瓶體的化學成分（質(zhì)量分數(shù)） %

5 分析意見

由化學分析可知，鋁合金氧氣瓶的化學成分符合相關(guān)技術(shù)要求。由金相分析可知，瓶體組織中未發(fā)現(xiàn)會導致開裂的缺陷。通過宏觀檢測、掃描電鏡分析可知，氣瓶的瓶肩、瓶口區(qū)內(nèi)腔表層有劇烈的收縮狀折疊，部分折疊發(fā)展為裂紋，并伴有不同程度的擴展現(xiàn)象。綜合宏觀、微觀分析結(jié)果可知，該氣瓶由于低周疲勞擴展產(chǎn)生過載斷裂，開裂的主要原因是氣瓶內(nèi)腔存在折疊裂紋,折疊裂紋的尾端應力集中，在內(nèi)腔拉應力作用下極易發(fā)生瞬時過載性開裂。在壓力試驗中的瞬時沖擊應力作用下，裂紋啟動并不斷擴展，尤其是較深的折疊裂紋率先啟動開裂，并不斷擴展，直至穿透瓶壁。

6 結(jié)論

經(jīng)分析可知，氣瓶的化學成分符合GB/T 3190—2008 標準中的相關(guān)要求。氣瓶瓶口區(qū)內(nèi)腔表層有劇烈的收縮狀折疊情況，且部分折疊發(fā)展形成裂紋。氣瓶在壓力試驗中的瞬時沖擊應力下，折疊處裂紋啟動并不斷擴展，直至穿透瓶壁。

氣瓶瓶肩內(nèi)腔的折疊與瓶口的收口制造工藝相關(guān)。鋁合金氣瓶收口工藝中，罩口型工藝一般難以消除內(nèi)腔表面的折疊，若工藝控制不當則極易形成較深的尾端尖銳的折疊裂紋，并在耐壓試驗中啟動深度開裂，且不斷擴展。