压缩天然气钢瓶疲劳试验失效分析

牛振宇 刘刚

摘 要：本文综合运用壁厚测量、拉伸试验、水压爆破试验、硬度试验、金相检验等检测方法对气瓶疲劳失效原因进行分析，根据各个试验结果绘制了失效分析图，并对气瓶疲劳失效原因进行了分析。分析表明该气瓶疲劳失效原因为制造公差超标和热处理工艺控制不严。生产厂家应加强生产管理，保证特种设备安全。

关键词：气瓶 疲劳试验 失效分析

中图分类号：O346.2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）03（b）-0134-02

压缩天然气钢瓶是指用于充装压缩天然气的钢质无缝气瓶。为了保证安全使用，按照TSG R7002-2009《气瓶型式试验规则》规定，钢质无缝气瓶要进行疲劳试验。在GB 5099-94《钢质无缝气瓶》中规定钢瓶要进行12000次疲劳试验。

2012年中，某单位委托我院对其生产的调质钢瓶进行型式试验。钢瓶公称水容积为90 L，直径为279 mL，设计最小壁厚为7.8 mm。底部为蝶形底。材质为30CrMo。

在型式试验过程中，疲劳试验进行到4000多次时，一只气瓶出现了破裂失效的现象。本文仅根据本次试验中出现的问题进行分析，找出失效原因。

1 疲劳试验方法

本次疲劳试验，从样瓶中选择了3只抗疲劳性较差的样瓶。三只样瓶的相关参数见表1。

试验依据GB 9252-2001《气瓶疲劳试验方法》进行。循环压力上限值30 MPa，循环压力下限值2 MPa，循环频率1.8次/秒，试验开始时环境温度29 ℃。

试验设备为60 MPa疲劳试验装置，精度为0.24%。

2 试验失效过程

该试验开始后进行到4108次（时间为夜间，现场无试验人员），三只试验瓶中的09#样瓶发生破裂。

破裂时瓶内压力为30.2 MPa，瓶壁温度为42 ℃。

破裂位置位置筒体中部偏下。破口长约562 mm，宽97 mm破口距离瓶底约490 mm，破口与钢印标记中心夹角约60°。破口形状为鱼腹状，无金属缺陷。破口整体特征近似于气瓶水压爆破试验造成之破口。

3 失效分析过程

疲劳失效原因多种多样。为了探究这次疲劳失效原因，我们进行了多项相关试验来进行分析。

3.1 壁厚测量分析

疲劳试验前用超声波测厚仪对进行疲劳试验的三只气瓶逐一进行了壁厚测量。该只气瓶的壁厚测量结果显示壁厚偏差较大。

3.2 拉伸试验结果分析

我们用同批抽取的样瓶，在气瓶中部位截取了一段材料，进行拉伸试验。从拉伸试样结果看，各项指标均符合标准规定。单两个试样的屈强比分别为0.90和0.88，也在合格范围内（0.92合格）。

3.3 水压爆破试验结果分析

随后，我们又对同批瓶子进行了水压爆破试验。爆破后两只气瓶的屈强比分别为87%和84%，接近于拉伸试验结果。

试验后发现两只气瓶的破裂部位均位于气瓶下部，破口形状几乎一致。

破裂位置并不是水爆前进行的壁厚测量发现的最薄点。

3.4 气瓶表面硬度试验

我们对一只样瓶进行了硬度试验。试验结果表明气瓶整体硬度符合标准规定。但是各个部位间硬度值存在一定差距，下部硬度值平均较上部低。

3.5 金相检验分析

我们又在气瓶下部失效部位，截取部分材料，制备了金相试样。经过镶嵌、抛磨、腐蚀后，放大200倍观察，发现试样表面存在不完全脱碳现象。

3.6 该气瓶的热处理方式

该厂使用全自动的悬挂式钢瓶热处理生产线对气瓶进行热处理。气瓶垂直悬挂状态进行热处理。

4 疲劳失效原因讨论

根据综合分析，该气瓶的疲劳失效原因如下。

（1）由于质量检验不严，导致壁厚偏差较大的气瓶漏检。气瓶壁厚不均，在不断加压-卸压过程中下，在强度薄弱的部位造成局部应力集中。

（2）制造过程中，热处理工艺控制不严，导致局部出现脱碳层，脱碳层的铁素体组织强度低，导致该部位的硬度（见前面气瓶表面硬度分析）和强度下降（爆破试验和疲劳试验破口位置接近）。

（3）由于应力集中和强度下降，该气瓶在疲劳试验过程中引起局部变形、开裂。（图1）

建议委托方针对此次问题，严格产品质量管理，完善生产工艺。保证生产出安全可靠的气瓶。

参考文献

[1]国家质量监督检验检疫总局，气瓶型式试验规则[S].

[2]GB 5099-94，钢质无缝气瓶[S].

[3]GB/T 9252-2001，气瓶疲劳试验方法[S].

[4]白培谦，脱碳引起的重型汽车裂纹失效分析[J].陕西省机械工程学会理化专业委员会第八届年会论文.

[5]胡世炎，机械失效分析手册[M].四川科学技术出版社，1989：133.