大容积钢质无缝气瓶致脆风险的防范措施

郭萌锋

（浙江蓝能燃气设备有限公司，浙江 绍兴 312369）

0 引言

随着我国工业的快速发展，气体工业的发展速度日新月异，工业气体，特别是氢气、天然气等气体得到了广泛应用，氢气和天然气的运输成为气体利用的非常重要的问题。优良的质量、良好的信誉，使国内生产的大容积管瓶运输车逐步、进而全部替代进口，使国内的大容积管瓶车市场实现了国产化。同时，正在进军国外市场，实现出口。

1 大容积钢质无缝气瓶在解决氢脆方面所采取的主要措施

1.1 吸取美国49CFR §178.35、37、DOT-SP8009 以及ISO11120 标准中的精华，制定包含上述标准且严于上述标准的企业标准Q/SHJ 20-2004《大容积钢质无缝气瓶》，通过了全国气瓶标准化技术委员会专家的审查并在瓶标委备案。盛装氢气、天然气等气体的钢瓶首先应满足企业标准的要求,同时满足DOT49CFR§178.37《3AA 和3AAX 无缝钢瓶规范》和DOT-SP8009 特许规范的要求。DOT-3AAX 不是专门针对氢气或其它有应力腐蚀倾向的气体的钢瓶标准。DOT-3AAX 钢瓶可以用于盛装包括氢气和甲烷在内的12 种非液化气体。

1.2 盛装氢气、天然气等气体的钢瓶首先应满足企业标准的要求，同时满足DOT 49CFR §178.37《3AA 和3AAX 无缝钢瓶规范》和DOTSP8009 特许规范的要求。DOT-3AAX 不是专门针对氢气或其它有应力腐蚀倾向的气体的钢瓶标准。DOT-3AAX 钢瓶可以用于盛装包括氢气和甲烷在内的12 种非液化气体。而专门针对盛装压缩天然气的DOT-3AAX 气瓶提出了更高的制造和检验要求，并获得美国DOT 的认可，即DOT 特许规范DOT-SP8009。ISO11120 中第11 章专门对有致脆危险的钢瓶的材料、设计、制造及检验等方面作了特殊规定。对照国产大容积钢质无缝气瓶，所依据的企业标准及设计、制造的盛装氢气、压缩天然气的管瓶运输车，完全满足DOT-3AAX 气瓶标准的要求，并满足DOT-SP 8009 特许规范的各项要求；同时也完全满足ISO11120 中第11 章对有致脆危险的钢瓶的材料、设计、制造及检验等方面的各项要求。

1.3 美国90%以上的3AAX 气瓶用于充装氢气和天然气。为保证运输的安全性，运输和制造厂对DOT-3AAX 气瓶提出更高的要求，并获得美国运输部的认可,即D O T-SP8009。DOT-SP8009 中明确要求盛装压缩天然气的钢瓶必须用4130X 制造；4130X 钢中S、P 的含量必须小于0.015%和0.024%。所以，国产大容积钢瓶为避免氢脆，采取的措施为：

1.3.1 限制钢种并控制材料中硫和磷的含量。气瓶必须用优质铬钼钢4130X 制造。因为铬钼钢具有优良的综合性能，经过调质处理后在较高的强度水平上仍能保持良好的塑性和足够的韧性。钢中的硫、磷含量分别不能超过0.010%和0.020%。（ISO11120 要求硫和磷的含量分别不能超过0.025%，总量不能超过0.035%）。

1.3.2 为得到满足性能和要求的金相组织，对钢瓶进行调质热处理。热处理后要求对瓶体的金相组织进行检测。要求瓶体纤维组织应为回火索氏体；晶粒度不应低于6 级；并对瓶体内外壁脱碳层的深度作出严格规定，以确保瓶体组织不存在马氏体，避免发生氢脆。

1.4 钢的脆性与抗拉强度：研究表明,高强度容器中钢的脆性与抗拉强度有关。抗拉强度降低,临界应力密度因子增加。当抗拉强度降低到882MPa 以下时,临界应力密度因子增加很快,氢脆的敏感度降低；试验证明：AI-SI4340、AISI4130 和锰钢抗拉强度到882MPa 以下时,氢脆的敏感性降低,其中4130 更优[3]。由此可见,氢脆容易发生在高强度材料中,钢的抗拉强度和屈服强度越高,氢脆敏感性越大。

1.5 钢瓶的硬度和抗拉强度是密切相关的，钢瓶的硬度反映的是瓶体的强度状况。为了控制瓶体的强度必须控制瓶体的硬度不超过规定的指标。为此，国产大容积钢瓶采取了如下措施：控制钢瓶的硬度。瓶体热处理后逐只进行硬度检测，硬度值最大不超过HB269。

1.6 研究表明,钢中的氢含量在5×10-6 以上,随着氢含量的增加,钢的脆性增大,断裂应力、断面收缩率和延伸率都降低,所以,适当提高钢材的塑性和韧性,有助于防止氢脆。瓶体热处理后的延伸率要求不得小于20%；钢瓶瓶体热处理后要求对试验环或瓶体进行压扁试验。压扁间距T 等于6 倍样环的平均实测厚度，压扁处无裂纹为合格；同时，瓶体热处理后，要求对瓶体材料进行夏比V 型缺口-40℃的低温冲击试验，三个标准试样冲击功的平均值Akv≥40J，单个试样的冲击功Akv≥32J。

1.7 资料介绍：氢脆出现在天然气钢瓶中，起因于钢瓶长期有水存在。尽管天然气中H2S 的含量为17.3mg/m3，但因钢瓶中残存的水，使水中溶入大量的H2S。温度低于250℃，干燥的H2S 不对钢材起腐蚀作用，低于250℃下H2S 只有与水并存时才对钢材有腐蚀作用。H2S 遇水产生电离，生成的氢向钢中扩散，在局部区域集聚达到极限浓度时导致钢的脆性破坏。钢中任何气穴、夹杂物、夹层都是潜在的鼓包的发源地，在这些地区集聚的氢气压力会逐渐升高，以至在鼓包处引起破裂。特别是在有应力的情况下，会加剧氢脆开裂。实践表明：应力集中区域容易产生应力腐蚀、延迟裂纹和氢脆。

1.8 钢瓶的缺陷容易加剧钢瓶氢脆的产生、应力腐蚀的产生、钢瓶的破坏。所以要防止钢瓶产生氢脆和其他破坏，必须控制钢瓶缺陷及缺陷的尺寸。为防止瓶体在热处理后和水压试验后产生裂纹，在热处理后和水压试验后分别对瓶体进行100%磁粉检测，不允许有任何裂纹存在；同时水压试验后，对瓶体进行100%超声检测，不得存在有超出瓶体最小壁厚5%的缺陷存在。采用目测和其他常规检测方法，对瓶体的外表面进行全面检测，外观质量应满足标准要求，不得有超标缺陷，直线度、椭圆度均应在标准要求范围之内；同时对瓶体内壁进行检测：采用内窥摄像系统对钢瓶内壁进行全面检测，防止任何超标缺陷存在。

2 结语

以上这些控制措施,尤其是降低钢种的硫磷含量、限制材料的实际抗拉强度上限,控制钢瓶的硬度、提高钢瓶的塑性和韧性、避免应力集中、控制钢瓶缺陷、并附加严格的最终超声波检测和磁粉检测,改善钢瓶的抗疲劳性能等措施,对于降低氢脆的危害是非常重要的。氢气和压缩天然气都属于有应力腐蚀倾向的气体,国产盛装氢气和天然气等有致脆风险的气体的钢瓶,各项指标和质量控制措施均达到甚至超过了DOT-3AAX 和DOTSP8009 的要求,各项指标和质量控制措施均高于ISO11120 的各项要求。

［1］美国联邦法规标准DOT 49CFR §178.37；DOT-SP 8009 特许规范[S].

［2］国际标准ISO11120：1999 水容积为150L～3000L 可重复使用的无缝钢瓶的设计、制造和试验[S].

［3］邱长鋆.高强度钢在常温高压氢气中的氢脆[J].中国锅炉压力容器安全,1999(6).