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(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100013)

0 引言

高純氣體氣瓶用于充裝純度大于99.999%且氣體含水量小于0.001‰的氣體。隨著我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)，集成電路、芯片、半導(dǎo)體等產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，對(duì)高純氣體種類和數(shù)量的需求也日益增加，因此高純氣體氣瓶數(shù)量也在快速增加。充裝高純氣體的氣瓶類型主要有大容積無(wú)縫氣瓶、中容積無(wú)縫氣瓶和焊接氣瓶，其中中容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶數(shù)量居多，據(jù)統(tǒng)計(jì)，該類型氣瓶占到高純氣體氣瓶總數(shù)的90%以上，因此保障其安全至關(guān)重要。

根據(jù)TSG R0006—2014《氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[1]的分類，容積在12～150 L之間的氣瓶稱為中容積氣瓶。與充裝普通介質(zhì)的氣瓶相比，高純氣體中容積氣瓶?jī)?nèi)部往往要經(jīng)過(guò)研磨處理來(lái)降低表面粗糙度，此外還經(jīng)過(guò)加熱烘干、抽真空等處理，降低瓶?jī)?nèi)腐蝕性介質(zhì)、水分和氧含量，以滿足使用要求。該類型氣瓶在使用工況、失效模式等方面與普通工業(yè)氣瓶也有很大差別。根據(jù)氣瓶?jī)?nèi)部宏觀檢查結(jié)果顯示，在一個(gè)檢驗(yàn)周期內(nèi)的氣瓶?jī)?nèi)表面仍然光潔發(fā)亮，沒(méi)有任何腐蝕跡象，并且該類型氣瓶也不存在濕H2S應(yīng)力腐蝕、銹蝕等失效形式。隨著大量中容積氣瓶進(jìn)入檢驗(yàn)周期，對(duì)檢驗(yàn)技術(shù)也提出新要求。傳統(tǒng)氣瓶檢驗(yàn)方法[2-3]以宏觀檢查、水壓試驗(yàn)為主，這種檢驗(yàn)方法極大破壞氣瓶使用狀態(tài)，對(duì)于檢驗(yàn)完成的氣瓶需進(jìn)行大量后處理工作才能滿足使用要求，后處理的費(fèi)用也極高。因此傳統(tǒng)檢驗(yàn)方法不能滿足需要，必須根據(jù)氣瓶制造和使用特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)新型檢驗(yàn)方法，以滿足該類型氣瓶定期檢驗(yàn)需要。

1 高純氣體中容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶概況

中容積無(wú)縫氣瓶可以每個(gè)單獨(dú)使用，也可以由數(shù)個(gè)氣瓶經(jīng)管路、框架組成集裝格使用。公稱工作壓力有15 MPa或20 MPa兩種規(guī)格，容積47 L，直徑229 mm。

由于高純氣體發(fā)展歷史以及部分氣體氣瓶經(jīng)常在國(guó)際間流轉(zhuǎn)等原因，目前國(guó)內(nèi)在用的中容積無(wú)縫氣瓶大部分是按照DOT-3AA[4]設(shè)計(jì)制造的，其中一部分為國(guó)外生產(chǎn)、一部分為國(guó)內(nèi)企業(yè)按照DOT-3AA標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造；還有部分氣瓶按照GB 5099—94《鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶》[5]設(shè)計(jì)制造，該部分氣瓶一般只在國(guó)內(nèi)使用。隨著該類型氣瓶數(shù)量增多以及國(guó)際流轉(zhuǎn)頻繁，國(guó)內(nèi)高純氣體行業(yè)快速發(fā)展，越來(lái)越多氣瓶的設(shè)計(jì)制造已同時(shí)滿足 DOT-3AA以及GB 5099要求。氣瓶材料一般為優(yōu)質(zhì)Cr-Mo鋼，通過(guò)鋼坯沖拔成型，或者鋼管旋壓收口收底成型，然后經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理。氣瓶成型后，應(yīng)先進(jìn)行無(wú)損探傷，檢測(cè)瓶體淬火裂紋，并對(duì)氣瓶進(jìn)行內(nèi)壓外測(cè)法水壓試驗(yàn)，測(cè)量氣瓶殘余變形率、進(jìn)行整體強(qiáng)度校核、檢驗(yàn)氣瓶熱處理狀況。

2 中容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶主要檢測(cè)技術(shù)

在中容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶檢驗(yàn)過(guò)程中，主要采用宏觀檢查、水壓試驗(yàn)、聲發(fā)射、全自動(dòng)超聲波等檢測(cè)技術(shù)。根據(jù)氣瓶類型，檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定采用不同的檢測(cè)技術(shù)。

2.1 水壓試驗(yàn)

水壓試驗(yàn)是氣瓶檢驗(yàn)中最常用檢測(cè)方法[6]，通常分為內(nèi)壓法和內(nèi)壓外測(cè)法兩種，外測(cè)法現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。通過(guò)水壓試驗(yàn)，一方面可以對(duì)氣瓶強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)；另一方面測(cè)量氣瓶殘余變形率，判定在試驗(yàn)壓力作用下器壁應(yīng)力是否接近或超過(guò)材料的彈性極限，檢驗(yàn)氣瓶熱處理狀況。在制造過(guò)程中，該方法普遍被采用。

圖1 氣瓶?jī)?nèi)壓外測(cè)法水壓試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

水壓試驗(yàn)對(duì)氣瓶整體減薄、材質(zhì)劣化等缺陷檢驗(yàn)比較有效；對(duì)局部腐蝕減薄、塑性變形，裂紋類線性缺陷檢驗(yàn)效果并不好。故在定期檢驗(yàn)中，水壓試驗(yàn)有效性一直存在爭(zhēng)議，檢驗(yàn)案例表明，存在嚴(yán)重塑性變形的氣瓶，其殘余變形率并不超標(biāo)。某單位就無(wú)縫氣瓶線性缺陷對(duì)水壓試驗(yàn)影響進(jìn)行研究，在鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶上加工橫向、縱向人工缺陷，然后進(jìn)行水壓試驗(yàn)，其結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果表明，瓶體裂紋類線性缺陷對(duì)殘余變形率影響極小。

表1 含線性缺陷氣瓶水壓試驗(yàn)結(jié)果

注：裂紋尺寸為長(zhǎng)度×深度，氣瓶規(guī)格?559 mm×2 100 mm×16.5 mm，水壓試驗(yàn)壓力為33.4 MPa

2.2 聲發(fā)射檢測(cè)

聲發(fā)射檢測(cè)對(duì)氣瓶中裂紋類缺陷、塑性變形、泄漏極其敏感，對(duì)局部減薄類缺陷不敏感。聲發(fā)射檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)在于能有效發(fā)現(xiàn)瓶壁上存在的活性腐蝕和裂紋等危險(xiǎn)性缺陷部位，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)氣瓶整體檢驗(yàn)，且可實(shí)現(xiàn)多氣瓶同時(shí)在線檢驗(yàn)，無(wú)需拆卸，效率高，很好地兼顧了安全性和經(jīng)濟(jì)性，氣瓶聲發(fā)射檢測(cè)見(jiàn)圖2。

(a)

(b)

2.3 全自動(dòng)超聲波檢測(cè)技術(shù)

超聲波檢測(cè)是利用材料及其缺陷的聲學(xué)性能差異對(duì)超聲波傳播波形反射情況和穿透時(shí)間的能量變化來(lái)檢驗(yàn)材料內(nèi)部缺陷的無(wú)損檢測(cè)方法。對(duì)于鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶，采用100%全自動(dòng)超聲波檢測(cè)，對(duì)氣瓶同時(shí)實(shí)現(xiàn)徑向、周向檢測(cè)以及壁厚測(cè)定，可以發(fā)現(xiàn)氣瓶腐蝕減薄、線性缺陷和應(yīng)力腐蝕裂紋等危險(xiǎn)性缺陷。全自動(dòng)超聲波檢測(cè)如圖3所示。

圖3 氣瓶全自動(dòng)超聲波檢測(cè)設(shè)備

3 國(guó)內(nèi)中容積氣瓶檢驗(yàn)方法及有效性分析

目前，國(guó)內(nèi)中容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶主要參照GB/T 13004—2016《鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶定期檢驗(yàn)與評(píng)定》進(jìn)行定期檢驗(yàn)，分為瓶體、瓶閥兩部分檢驗(yàn)。對(duì)于瓶體部分的檢驗(yàn)，主要考慮了氣瓶在運(yùn)行過(guò)程可能存在的失效模式，包括機(jī)械損傷、熱損傷、裂紋以及氣體對(duì)氣瓶產(chǎn)生的均勻腐蝕、局部腐蝕引起的強(qiáng)度降低等。主要采用的檢驗(yàn)方法包括宏觀檢查、水壓試驗(yàn)、稱重等。對(duì)于充裝普通工業(yè)氣體氣瓶而言，可以通過(guò)內(nèi)部宏觀檢查、稱重等方法來(lái)檢驗(yàn)局部腐蝕和均勻腐蝕，通過(guò)水壓試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)氣瓶的安全使用強(qiáng)度。然而對(duì)于高純氣體氣瓶，由于充裝氣體純度較高，水分含量極低，氣瓶在正常的安全使用過(guò)程中不存在均勻腐蝕及局部腐蝕失效形式，采用水壓試驗(yàn)方法對(duì)氣瓶?jī)?nèi)部狀態(tài)損傷較大，水壓試驗(yàn)完畢需要經(jīng)過(guò)研磨、烘干、鈍化等一系列后處理措施，由檢驗(yàn)引起的附加成本是檢驗(yàn)費(fèi)用的數(shù)倍甚至十幾倍。此外，對(duì)含人工缺陷的氣瓶進(jìn)行水壓試驗(yàn)的研究結(jié)果表明，水壓試驗(yàn)對(duì)于線性缺陷的檢出效果并不好，因此從檢驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性和有效性來(lái)看，采用水壓試驗(yàn)的方法并不適合高純氣體氣瓶的檢驗(yàn)。

對(duì)于瓶閥部分的檢驗(yàn)，普通工業(yè)氣體氣瓶一般采用拆卸檢驗(yàn)的方法，主要采用宏觀檢查和氣密性試驗(yàn)等方法，很好地保障氣瓶的安全運(yùn)行。在拆卸氣瓶閥門的過(guò)程中易造成瓶閥或氣瓶連接螺紋損壞，根據(jù)某氣瓶檢驗(yàn)站統(tǒng)計(jì)，瓶閥損耗率約為20%。普通工業(yè)氣體氣瓶的瓶閥價(jià)格較低，國(guó)內(nèi)眾多公司都能生產(chǎn)和維修，因此在檢驗(yàn)中更換瓶閥帶來(lái)的費(fèi)用并不高；但對(duì)于高純氣體鋼瓶，所裝瓶閥目前全世界只有盧森堡、日本等幾家工廠可以生產(chǎn)，單個(gè)閥門的價(jià)格甚至高于瓶體價(jià)格，此類閥門加工和密封精度較高，國(guó)內(nèi)尚無(wú)制造和維修能力。對(duì)于高純氣瓶閥門的檢驗(yàn)，采用拆卸瓶閥的檢驗(yàn)方法很容易造成閥門破壞，使閥門更換成本較高。因此，從檢驗(yàn)過(guò)程來(lái)看，目前GB/T 13004—2016《鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶定期檢驗(yàn)與評(píng)定》規(guī)定的傳統(tǒng)檢驗(yàn)方法對(duì)于高純氣體氣瓶的檢驗(yàn)既不科學(xué)也不經(jīng)濟(jì)。

4 國(guó)外高純氣體中容積氣瓶檢驗(yàn)方法

美國(guó)DOT標(biāo)準(zhǔn)以及ISO標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氣瓶檢驗(yàn)方法進(jìn)行了規(guī)定[4，7-8]。在高純氣體氣瓶領(lǐng)域，DOT標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用較為廣泛，在該標(biāo)準(zhǔn)中，采用宏觀檢查、水壓試驗(yàn)對(duì)氣瓶進(jìn)行檢驗(yàn)，同時(shí)以免除令形式頒布替代檢測(cè)方法。美國(guó)在氣瓶聲發(fā)射檢測(cè)等方面進(jìn)行了大量研究，F(xiàn)IBA公司曾對(duì)2 000多個(gè)氣瓶進(jìn)行聲發(fā)射試驗(yàn)，并將檢測(cè)結(jié)果和水壓試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。在大量試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，美國(guó)法規(guī)以免除令方式頒布的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中可以免除內(nèi)部宏觀檢驗(yàn)和水壓試驗(yàn)。如對(duì)CPI公司、FIBA公司頒布的免除令DOT-E11916和DOT-E10922，規(guī)定可采用100%自動(dòng)超聲波檢測(cè)代替內(nèi)部宏觀檢驗(yàn)和水壓試驗(yàn)，以及免除令DOT-E12413，DOT-E9419和DOT-E9847等，可采用聲發(fā)射、超聲波檢測(cè)代替內(nèi)部宏觀檢查和水壓試驗(yàn)。

在歐洲，對(duì)于無(wú)縫氣瓶也建立了不同檢驗(yàn)方法，如ISO 11120，EN1968，ISO 6406等，氣瓶可以采用宏觀檢查、外測(cè)法水壓試驗(yàn)的檢驗(yàn)方法；也可以采用宏觀檢查、100%自動(dòng)超聲波檢測(cè)方法。標(biāo)準(zhǔn)中將氣瓶水壓試驗(yàn)和100%自動(dòng)超聲檢測(cè)列為選擇項(xiàng)目，氣瓶只需進(jìn)行水壓試驗(yàn)或100%自動(dòng)超聲檢測(cè)。在ISO 16148中，可采用宏觀檢查、聲發(fā)射、手動(dòng)超聲檢測(cè)方法進(jìn)行氣瓶檢驗(yàn)。據(jù)調(diào)研，國(guó)外高純氣體生產(chǎn)公司在氣瓶定期檢驗(yàn)中，多采用無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)氣瓶進(jìn)行定期檢驗(yàn)。

國(guó)外采用的高純氣體中容積氣瓶檢驗(yàn)中，以自動(dòng)超聲、聲發(fā)射等檢測(cè)技術(shù)為主，有效檢測(cè)瓶體上線性裂紋類缺陷，采用該檢驗(yàn)方法不需要對(duì)氣瓶進(jìn)行水壓試驗(yàn)，保持氣瓶?jī)?nèi)部狀態(tài)，同時(shí)不必拆卸瓶閥，避免因拆卸過(guò)程的螺紋損傷造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

5 國(guó)內(nèi)高純氣體中容積氣瓶檢驗(yàn)方法及案例

5.1 國(guó)內(nèi)高純氣體中容積氣瓶檢驗(yàn)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)高純氣體氣瓶起步較晚，早期該類型氣瓶檢驗(yàn)按照普通工業(yè)氣體氣瓶進(jìn)行檢驗(yàn)[2，7-8]，據(jù)相關(guān)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，氣瓶報(bào)廢率不超過(guò)0.2%。由于檢驗(yàn)附加成本較高，檢驗(yàn)方法缺乏科學(xué)性，造成該類型氣瓶定檢率很低，大量含缺陷氣瓶在服役。

自2015年起，筆者根據(jù)氣瓶常見(jiàn)的失效模式[9-10]，以及高純介質(zhì)獨(dú)特的制造工藝，同時(shí)參照DOT，ISO等標(biāo)準(zhǔn)的檢驗(yàn)方法，開(kāi)展以自動(dòng)超聲、聲發(fā)射為主的氣瓶檢驗(yàn)，利用充裝介質(zhì)對(duì)連接接頭、閥門進(jìn)行密封性檢查，目前已完成上千個(gè)氣瓶檢驗(yàn)工作，并發(fā)現(xiàn)了大量缺陷。

5.2 高純氣體中容積氣瓶檢驗(yàn)案例

對(duì)前期檢驗(yàn)的1 000個(gè)氣瓶進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，中容積無(wú)縫氣瓶檢驗(yàn)案例主要分為鋼印標(biāo)示不全、壁厚不滿足設(shè)計(jì)要求、瓶體外部裂紋、瓶體內(nèi)部凸棱或凹槽等案例，統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表2。影響氣瓶本體安全類缺陷共計(jì)17個(gè)氣瓶，占總數(shù)的1.7%。

表2 高純氣體中容積無(wú)縫氣瓶缺陷類型統(tǒng)計(jì)

氣瓶鋼印標(biāo)示不符合要求的情況是由于高純氣體行業(yè)普遍采用DOT標(biāo)準(zhǔn)，在氣瓶制造過(guò)程中不要求對(duì)充裝介質(zhì)進(jìn)行鋼印標(biāo)示，由使用單位進(jìn)行充裝介質(zhì)標(biāo)示；而在使用過(guò)程中，部分使用單位未對(duì)氣瓶充裝介質(zhì)進(jìn)行鋼印標(biāo)示，因此很多氣瓶無(wú)充裝介質(zhì)鋼印，如圖4所示。我國(guó)TSG R0006—2014《氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中明確規(guī)定氣瓶充裝和制造標(biāo)志一致的氣體進(jìn)行鋼印標(biāo)示，因此,該類型氣瓶不符合國(guó)內(nèi)安全規(guī)范要求。

圖4 氣瓶無(wú)充裝介質(zhì)的鋼印標(biāo)示

氣瓶壁厚是保證氣瓶安全重要參數(shù)，由于多數(shù)氣瓶采用沖拔成型，制造過(guò)程未進(jìn)行全面積測(cè)厚，氣瓶實(shí)際壁厚不滿足設(shè)計(jì)壁厚的要求。以公稱工作壓力15 MPa，直徑229 mm的氣瓶為例，設(shè)計(jì)壁厚為6.2 mm，在全自動(dòng)超聲檢測(cè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)部分瓶體局部壁厚低于設(shè)計(jì)壁厚，最薄處為5.1 mm，如圖5所示，低于設(shè)計(jì)壁厚17.7%，根據(jù)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，檢驗(yàn)氣瓶中約1%氣瓶壁厚不滿足設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)超聲、聲發(fā)射檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)瓶體外部存在裂紋，如圖6所示。在檢驗(yàn)過(guò)程中，共發(fā)現(xiàn)4起氣瓶存在外部裂紋，裂紋深度大于2.4 mm，長(zhǎng)度約為40 mm，裂紋處原始壁厚為7.2 mm，打磨至5.8 mm，缺陷仍未消除，該氣瓶瓶體裂紋尖端存在擴(kuò)展痕跡，該類型缺陷對(duì)氣瓶安全運(yùn)行造成極大隱患。根據(jù)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，檢驗(yàn)氣瓶中約0.4%氣瓶存在外部裂紋。

圖5 瓶體壁厚測(cè)量圖

圖6 氣瓶外表面裂紋

經(jīng)超聲波檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，氣瓶?jī)?nèi)部存在縱向溝槽，如圖7所示，深度約為1.2 mm，初步分析，是由于氣瓶沖拔過(guò)程中磨具磨損等原因造成的，內(nèi)部溝槽處形成應(yīng)力集中區(qū)域，隨著充裝次數(shù)增加，極易形成裂紋源。根據(jù)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，檢驗(yàn)氣瓶中約0.3%氣瓶存在內(nèi)部皺褶。

圖7 氣瓶?jī)?nèi)部溝槽

6 結(jié)語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)采用以超聲、聲發(fā)射為主的高純氣體氣瓶檢驗(yàn)方法，已完成數(shù)千個(gè)氣瓶檢驗(yàn)工作，有效保證氣瓶安全運(yùn)行，且發(fā)現(xiàn)大量傳統(tǒng)以水壓試驗(yàn)為主的檢驗(yàn)方法無(wú)法發(fā)現(xiàn)的缺陷，檢驗(yàn)方法更具有科學(xué)性。該檢驗(yàn)方法不破壞氣瓶?jī)?nèi)部狀態(tài)，檢驗(yàn)完成后直接滿足使用要求，降低檢驗(yàn)成本。根據(jù)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，中容積無(wú)縫氣瓶制造廠家眾多，氣瓶生產(chǎn)數(shù)量巨大，檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)該類型產(chǎn)品報(bào)廢率較高。鋼印標(biāo)示錯(cuò)誤、壁薄、內(nèi)部皺褶和部分外表面裂紋等檢驗(yàn)過(guò)程中問(wèn)題是由于氣瓶生產(chǎn)環(huán)節(jié)造成，說(shuō)明氣瓶生產(chǎn)企業(yè)在質(zhì)量控制以及氣瓶制造環(huán)節(jié)檢驗(yàn)項(xiàng)目存在問(wèn)題，產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量需要加強(qiáng)監(jiān)管或者增加檢驗(yàn)項(xiàng)目。

此外，雖然目前高純氣體氣瓶生產(chǎn)、制造、處理技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，但與高純氣體介質(zhì)相適應(yīng)的氣瓶閥門的制造技術(shù)尚未掌握。閥門是氣瓶最重要的附件，而目前國(guó)內(nèi)對(duì)高純介質(zhì)閥門失效模式，以及對(duì)應(yīng)不同介質(zhì)閥門使用壽命、更換周期等的研究尚未形成標(biāo)準(zhǔn)，有待進(jìn)一步分析研究。