牛振宇 劉剛

摘 要：本文綜合運(yùn)用壁厚測(cè)量、拉伸試驗(yàn)、水壓爆破試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)等檢測(cè)方法對(duì)氣瓶疲勞失效原因進(jìn)行分析，根據(jù)各個(gè)試驗(yàn)結(jié)果繪制了失效分析圖，并對(duì)氣瓶疲勞失效原因進(jìn)行了分析。分析表明該氣瓶疲勞失效原因?yàn)橹圃旃畛瑯?biāo)和熱處理工藝控制不嚴(yán)。生產(chǎn)廠家應(yīng)加強(qiáng)生產(chǎn)管理，保證特種設(shè)備安全。

關(guān)鍵詞：氣瓶 疲勞試驗(yàn) 失效分析

中圖分類號(hào)：O346.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(zhì)無縫氣瓶。為了保證安全使用，按照TSG R7002-2009《氣瓶型式試驗(yàn)規(guī)則》規(guī)定，鋼質(zhì)無縫氣瓶要進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。在GB 5099-94《鋼質(zhì)無縫氣瓶》中規(guī)定鋼瓶要進(jìn)行12000次疲勞試驗(yàn)。

2012年中，某單位委托我院對(duì)其生產(chǎn)的調(diào)質(zhì)鋼瓶進(jìn)行型式試驗(yàn)。鋼瓶公稱水容積為90 L，直徑為279 mL，設(shè)計(jì)最小壁厚為7.8 mm。底部為蝶形底。材質(zhì)為30CrMo。

在型式試驗(yàn)過程中，疲勞試驗(yàn)進(jìn)行到4000多次時(shí)，一只氣瓶出現(xiàn)了破裂失效的現(xiàn)象。本文僅根據(jù)本次試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，找出失效原因。

1 疲勞試驗(yàn)方法

本次疲勞試驗(yàn)，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(guān)參數(shù)見表1。

試驗(yàn)依據(jù)GB 9252-2001《氣瓶疲勞試驗(yàn)方法》進(jìn)行。循環(huán)壓力上限值30 MPa，循環(huán)壓力下限值2 MPa，循環(huán)頻率1.8次/秒，試驗(yàn)開始時(shí)環(huán)境溫度29 ℃。

試驗(yàn)設(shè)備為60 MPa疲勞試驗(yàn)裝置，精度為0.24%。

2 試驗(yàn)失效過程

該試驗(yàn)開始后進(jìn)行到4108次（時(shí)間為夜間，現(xiàn)場(chǎng)無試驗(yàn)人員），三只試驗(yàn)瓶中的09#樣瓶發(fā)生破裂。

破裂時(shí)瓶?jī)?nèi)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(zhǎng)約562 mm，寬97 mm破口距離瓶底約490 mm，破口與鋼印標(biāo)記中心夾角約60°。破口形狀為魚腹?fàn)?，無金屬缺陷。破口整體特征近似于氣瓶水壓爆破試驗(yàn)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(jìn)行了多項(xiàng)相關(guān)試驗(yàn)來進(jìn)行分析。

3.1 壁厚測(cè)量分析

疲勞試驗(yàn)前用超聲波測(cè)厚儀對(duì)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的三只氣瓶逐一進(jìn)行了壁厚測(cè)量。該只氣瓶的壁厚測(cè)量結(jié)果顯示壁厚偏差較大。

3.2 拉伸試驗(yàn)結(jié)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(jìn)行拉伸試驗(yàn)。從拉伸試樣結(jié)果看，各項(xiàng)指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。單兩個(gè)試樣的屈強(qiáng)比分別為0.90和0.88，也在合格范圍內(nèi)（0.92合格）。

3.3 水壓爆破試驗(yàn)結(jié)果分析

隨后，我們又對(duì)同批瓶子進(jìn)行了水壓爆破試驗(yàn)。爆破后兩只氣瓶的屈強(qiáng)比分別為87%和84%，接近于拉伸試驗(yàn)結(jié)果。

試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)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(jìn)行的壁厚測(cè)量發(fā)現(xiàn)的最薄點(diǎn)。

3.4 氣瓶表面硬度試驗(yàn)

我們對(duì)一只樣瓶進(jìn)行了硬度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明氣瓶整體硬度符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。但是各個(gè)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(yàn)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(jīng)過鑲嵌、拋磨、腐蝕后，放大200倍觀察，發(fā)現(xiàn)試樣表面存在不完全脫碳現(xiàn)象。

3.6 該氣瓶的熱處理方式

該廠使用全自動(dòng)的懸掛式鋼瓶熱處理生產(chǎn)線對(duì)氣瓶進(jìn)行熱處理。氣瓶垂直懸掛狀態(tài)進(jìn)行熱處理。

4 疲勞失效原因討論

根據(jù)綜合分析，該氣瓶的疲勞失效原因如下。

（1）由于質(zhì)量檢驗(yàn)不嚴(yán)，導(dǎo)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(qiáng)度薄弱的部位造成局部應(yīng)力集中。

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

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

建議委托方針對(duì)此次問題，嚴(yán)格產(chǎn)品質(zhì)量管理，完善生產(chǎn)工藝。保證生產(chǎn)出安全可靠的氣瓶。

參考文獻(xiàn)

[1]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，氣瓶型式試驗(yàn)規(guī)則[S].

[2]GB 5099-94，鋼質(zhì)無縫氣瓶[S].

[3]GB/T 9252-2001，氣瓶疲勞試驗(yàn)方法[S].

[4]白培謙，脫碳引起的重型汽車裂紋失效分析[J].陜西省機(jī)械工程學(xué)會(huì)理化專業(yè)委員會(huì)第八屆年會(huì)論文.

[5]胡世炎，機(jī)械失效分析手冊(cè)[M].四川科學(xué)技術(shù)出版社，1989：133.