鋼制凹底氣瓶疲勞掉底原因分析

由宏新 戴行濤 韓 冰 薄 柯 魏志浩

（1.大連理工大學 化工學院 大連 116024）

（2.大連鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院有限公司 大連 116012）

（3.中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

移動使用的無縫氣瓶，具有工作壓力高、充裝介質多樣、承受疲勞載荷等特點，為確保其長期正常服役，需對其提出嚴格的安全性要求。依照國家標準，重復加載的氣瓶，必須通過型式試驗中的疲勞試驗來確定其安全性，對抽檢氣瓶疲勞試驗的最高壓力不低于水壓試驗壓力[1]。通過型式試驗的氣瓶，不僅代表了企業的整體質量管理水平，也代表了氣瓶投入社會后的安全性能。只有每項試驗均滿足相關標準的要求，企業才能以型式試驗通過后的試樣進行生產，這有利于整個社會的安全與發展。

在新頒布的鋼制無縫氣瓶的國家標準GB/T 5099.1—2017《鋼質無縫氣瓶 第1 部分：淬火后回火處理的抗拉強度小于1 100 MPa 的鋼瓶》[2]中，氣瓶壁厚設計公式做了修改，壁厚要求有所降低，相應的底型也有所變化。在對新設計制造的無縫氣瓶進行的型式試驗，其中之一是疲勞試驗，在疲勞試驗時，有多只氣瓶在底部開裂，導致掉底。

經有限元應力分析，材料強、韌性試驗，金相以及電鏡觀察，結合無縫氣瓶的生產過程，找出了開裂、掉底的源頭與原因。對掉底無縫氣瓶，進行綜合失效分析，可預防類似事故的發生，還有助于無縫氣瓶制造、檢驗，保證大批量生產氣瓶的安全。

2 只氣瓶的基本參數及其疲勞試驗參數見表1。其中，疲勞試驗按照標準GB/T 9252—2017[3]進行，規定的壓力循環次數為12 000 次。疲勞試驗采用的設備是經過國家檢測機構認可的設備。

1 失效概述

無縫氣瓶多采用凹底結構，設計與制造除嚴格依照無縫氣瓶標準的要求外[2]，還應對氣瓶按照GB/T 9252—2017《氣瓶壓力循環試驗方法》[3]進行壓力疲勞試驗。在對抽檢的氣瓶進行型式試驗的疲勞試驗時，其中一只材質為34CrMo4 的凹底氣瓶在壓力升到疲勞試驗壓力上限時，底部開裂，幾近掉底，另一只材質為37Mn 的凹底氣瓶在壓力升到疲勞試驗壓力上限時直接掉底，疲勞試驗曲線見圖1，試驗后的氣瓶底部開裂以及掉底照片見圖2。

圖1 疲勞試驗曲線

宏觀觀察失效氣瓶的脫落部位、瓶底脫落處，沒有塑性變形，脫落的瓶底與瓶體吻合較好。

A 瓶與B 瓶的樣瓶拉伸試驗與沖擊試驗結果見表2、表3。各項機械性能均符合標準GB/T 5099.1—2017 規定。

表3 樣瓶沖擊試驗結果

2 失效原因分析

無縫氣瓶在型式試驗中失效主要發生在力學性能、水壓爆破、常溫疲勞試驗3 個項目中[4]。其中，三心凹底氣瓶的主要失效形式即在常溫疲勞試驗中發生泄漏或破裂。金巨年等在早期公開發表的文獻中提出疲勞失效的25 只試驗氣瓶中除4 只因缺陷原因外，其余21 只全部在瓶底失效，說明凹底氣瓶的瓶底是該型氣瓶最薄弱的環節[5]。趙昆玉等[6]對使用過程中的氮氣瓶爆炸事故進行了分析，表明氣瓶內壁存在陳舊裂紋，裂紋深度不斷擴大，導致氣瓶承壓不足，發生爆炸。

氣瓶失效的原因主要與材料性能及結構的承載能力有關。為分析在疲勞試驗過程中氣瓶的失效原因，首先對材料的化學成分進行分析；其次對結構承受的載荷進行分析，載荷分析的實質是結構的應力分析；最后于斷裂部位取樣進行斷口分析。

2.1 化學成分分析

對失效的A 瓶與B 瓶分別用電鉆取粉末試樣，采用GB/T 20066—2006《鋼和鐵 化學成分測定用試樣的取樣和制樣方法》推薦的化學分析方法分析材料的化學成分，并與GB 18248—2021《氣瓶用無縫鋼管》標準中對瓶體材料34CrMo4 與37Mn 化學成分的規定進行比對。可以看出，2 瓶的材料各項成分含量均符合標準規定，結果見表4 和表5。

表4 A 瓶材料化學成分%

表5 B 瓶材料化學成分%

2.2 應力分析

對試驗失效的氣瓶進行詳盡的應力分析，有助于找到失效原因。對同批氣瓶的底型，用ANSYS 分析應力，能提供結構的詳盡應力。

氣瓶在生產制造過程中，實際底型與設計圖紙有一定的差異。測量實際底型的結構尺寸，并與設計圖紙比較，發現兩得形狀與尺寸不盡相同，差值超出了標準規定的基本公差值[7]。對二得都進行應力分析是必要的。以A 瓶為例，設計底型與實際底型的尺寸結構如圖3所示。

圖3 底型的尺寸結構圖

分別對其設計底型與實際底型進行有限元應力分析。內壓載荷取疲勞試驗壓力25.8 MPa。因凹底氣瓶的幾何結構、承受載荷與材料均滿足對稱性，故分析中采用二維模型。應力分析使用ANSYS 軟件，選取PLANE182 單元，有限元網格及邊界條件設置見圖4。34CrMo4 的機械性能見表6。

表6 34CrMo4 材料的機械性能

圖4 有限元網格及邊界條件設置

對設計底型和實際底型，分別計算其環向應力與Mises 等效應力，應力云圖見圖5。對比實際底型與設計底型的應力分析結果，兩得的最大應力接近，差值僅為4.8%，且最大應力發生的位置也均位于瓶根處過渡段，由此排除了失效是由實際底型結構與圖紙設計結構的差異引起的可能性。

對實際底型進行應力線性化處理。沿實際斷裂位置設置路徑，見圖6。

圖6 應力路徑設置

按照JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準（2005年確認）》的相關規定，路徑處的應力可以歸為一次局部薄膜應力和彎曲應力。疲勞試驗壓力下載荷系數K取1.25，設計應力強度Sm取常溫下抗拉強度最低值（830 MPa）的1/2.6（319.23 MPa）。應力評定結果見表7。雖然氣瓶底部按分析設計合格，但是氣瓶底部存在著最大拉應力，若存在原始微裂紋，在交變應力的作用下，氣瓶易在此部位發生疲勞開裂。

表7 AA 路徑應力評定結果

2.3 金相分析

對事故氣瓶的斷裂部位進行切割，選擇原始狀態保留較好的試樣，對其進行研磨、拋光、化學腐蝕，見圖7。將處理好的金相試樣置于光學金相顯微鏡下觀察，分別得到兩瓶斷裂部位在放大500 倍下的微觀金相組織形貌，見圖8。

圖7 斷裂部位的金相試樣

圖8 斷裂部位光學顯微鏡形貌

經觀察，并同時比對金相圖譜[8]，從斷裂部位的微觀組織形貌中，可以看到基體組織為回火索氏體，符合材料經淬火加高溫回火熱處理的結果。晶粒較細且無明顯的組織缺陷，材料應具備較好的綜合力學性能[8，9]。

2.4 斷口分析

已有的分析說明結構的應力在可接受的范圍內，材料的化學成分與金相也沒有發現問題，因此探究疲勞試驗時掉底的關鍵是尋找疲勞斷裂的裂紋源。掃描電鏡(SEM)觀察是尋找裂紋源的有效手段[10]。

因破口沒有明顯的啟裂特征，對兩失效氣瓶沿環向分別隨機截取3 個試樣，經表面清潔處理后，使用美國FEI 公司QUANTA 450 型鎢燈絲掃描電子顯微鏡對其進行觀察。選取SEM 不同倍數觀察下的清晰微觀形貌特征，A 瓶、B 瓶的斷口特征分別見圖9、圖10。

圖9 A 瓶SEM 微觀形貌

圖10 B 瓶SEM 微觀形貌

從圖9 看出，A 瓶斷口外表面在低倍數下觀察到其斷裂表面由裂紋源區、疲勞斷裂區、快速擴展區3塊區域組成，且這3 塊區域的分布由氣瓶外表面延伸向氣瓶內表面。A 瓶高倍數下3 塊區域的界限仍十分清晰，且能觀察到疲勞區域由于疲勞輝紋的存在其微觀形貌較為復雜，而擴展區較為平整，這是由于疲勞載荷并未作用于該區域。

A 瓶的試塊SEM 觀察表明，外表面存在多個微裂紋，內表面也未發現微裂紋。雖然ANSYS 分析的最大Mises 等效應力在氣瓶的內表面，但是在氣瓶外表面的斷裂部位存在最大的環向拉應力。這些微裂紋在交變載荷作用下發生裂紋擴展，是導致氣瓶疲勞失效的主要原因。

從圖10 看出，B 瓶的SEM 觀察結果與A 瓶類似，因此，其失效原因也與A 瓶相同。

A 瓶疲勞特征見圖11，由圖11 可見，疲勞特征明顯，呈臺階狀的疲勞輝紋反映了交變載荷作用下材料內部的微觀變形。

圖11 A 瓶疲勞特征形貌

2 個氣瓶的SEM 觀察表明，在斷口上有明顯的平整平面，見圖9(c)與圖10(c)，說明基體金屬沒經過拉伸變形；在有疲勞痕跡的斷口附近有微顆粒狀物質，見圖9(b)和圖10(a)等，有待進一步研究其成因；還存在與主裂紋擴展方向成一定角度的微裂紋，見圖9(d)和圖10(b)等。

結合斷口的SEM 觀察，采用能譜分析，確定微顆粒的基本組成，圖12 是斷口快速擴展區附近的能譜分析結果。能譜的元素分析表明氧與碳元素較多。氧元素多，與氣瓶加工過程有關，鋼管在加熱收口時，產生較多的外表面氧化皮，氧化皮若沒有及時清理，留存在氣瓶底部表面，通過收底模具的擠壓作用，進入基體內。氧化皮與基體金屬結合較弱，在收底模具的旋壓作用下，易形成獨立存在的顆粒狀物質，未破碎的氧化皮，在疲勞爆破時導致未經拉伸、平整的斷口形貌。

圖12 能譜分析結果

3 綜合分析

經過對失效氣瓶化學成分、應力水平、材料金相以及斷口形貌特征的全面深入分析，已能判斷氣瓶底部發生斷裂掉底的具體原因，即氣瓶外表面存在的微裂紋，微裂紋的產生與氧化皮進入基體有關。

掃描斷口與能譜分析表明，微裂紋前端氧化物過多。氧化物過多的最大原因可能是，收底時未及時清理的氧化皮，在熱旋壓收口時被一并擠入基體內，且隨著反復擠壓變成顆粒，沿周向一周間斷存在，使基體材料性能弱化，在較大的環向應力作用下，易產生微裂紋，并在疲勞載荷的反復作用下使裂紋擴展。

由氧化皮產生的微裂紋，是在無縫氣瓶熱處理過程中形成的，熱處理淬火時瓶外驟冷，而瓶體內部是高溫氣體，該氣體無法快速排出，導致氣瓶內表面與外表面存在較大的溫差，加上瓶底部位較厚，大的溫差易產生較大的溫差應力。對由溫度差引起的應力，溫度低處結構受拉應力，溫度高處結構受壓應力。若溫差應力大于材料本身的抗拉強度，結構會在有缺陷處產生微裂紋[11]。

表面上看微裂紋的存在對氣瓶的承載能力并無直接影響，但在型式試驗的疲勞試驗過程中，氣瓶處于交變載荷下，這些微裂紋在交變載荷作用下擴展，形成沿環向較長的裂紋。

瓶底處存在較大的應力集中，應力集中系數為1.70，不大于1.80[12]，但交變載荷的存在使得裂紋不斷向低應力處擴展，裂紋的存在使氣瓶的有效承載壁厚削減，氣瓶的承載能力下降，若有效承載壁厚不足，達到臨界裂紋尺寸，氣瓶的剩余壁厚及承載能力已無法滿足交變載荷的需求，尤其是疲勞上限壓力對氣瓶承載能力的要求，剩余的氣瓶瓶底截面在應力集中的作用下被快速拉斷[13]，形成了微觀形貌較為平整的快速擴展區，發生類似脆性斷裂。氣瓶在型式試驗中掉底，與氣瓶底部外表面存在微裂紋在交變載荷作用下擴展直至發生斷裂直接相關。

4 結論

型式試驗中，壓力循環試驗項目檢驗時氣瓶掉底，與瓶底外表面存在較多的環向微裂紋有關；熱旋壓收口過程形成的氧化皮進入瓶底，經熱處理產生微裂紋，微裂紋在交變應力下擴展，導致氣瓶在壓力循環時掉底。

為預防氣瓶因微裂紋等制造缺陷而掉底，除應注意無縫氣瓶制造過程中的雜質與氧化皮的清理外，還應加強無縫氣瓶制造后的檢驗，尤其是應力較大部位的無損檢驗。