定期检验中发现的长管拖车瓶体裂纹成因分析

孙 旭，韩文超，李 琦，高 明，崔栋梁

(中国特种设备检测研究院，北京 100029)

0 引言

长管拖车由几个或十几个大容积钢制无缝气瓶组装在一起，气瓶两端瓶口通过外螺纹与法兰螺纹连接，法兰通过螺栓固定在支撑框架上[1]，气瓶后端通过不锈钢管路连通在一起，并固定在半挂车底盘上。长管拖车属于移动式压力容器，主要用于运输压缩天然气、氮气、氧气、惰性气体等工业气体[2]。长管拖车往来于人口、建筑密集的地区，工作压力高，介质易燃易爆，移动性强，不确定性大，引发安全事故的外部因素多，发生事故的可能性较大，一旦发生事故将威胁公共安全[3]，产生巨大的生命财产损失和恶劣的社会影响。因此，确保其安全运行具有重大的经济和社会价值[4-6]。

对于长管拖车本身，目前暂时没有相应的国家标准，行业标准正在起草中，现有产品基本都是按照相应企业标准设计及制造。但针对长管拖车所用气瓶，已有相应的国家标准GB/T 33145—2016《大容积钢质无缝气瓶》[7]，该标准给出了长管拖车气瓶的型式和参数、技术要求、试验方法、检验规则等要求。例如，制造瓶体的材料应采用电弧炉加炉外精炼并经真空精炼处理，或氧气转炉加炉外精炼并经真空精炼处理的无时效性镇静钢；瓶体选用的材料应与所盛介质具有相容性，且应具有良好的低温冲击性能等。

本文讨论的内容为在定期检验过程中发现的真实案例。某天然气运输公司所属长管拖车，气瓶材料为4130X，规格为∅559 mm×11000 mm×16.5 mm，工作压力不大于20 MPa，工作温度-40～60 ℃，介质为压缩天然气。该长管拖车投入使用3年后，使用单位按照TSG R7001—2013《压力容器定期检验规则》[8]的规定进行首次定期检验。定期检验过程中发现其中一个气瓶存在贯穿性裂纹，距离气瓶钢印端瓶口端面1 900 mm，裂纹长度45 mm，如图 1所示。根据TSG R7001—2013《压力容器定期检验规则》中“附件D 长管拖车、管束式集装箱定期检验专项要求”的规定，气瓶内外表面存在裂纹未消除，不允许继续使用[8]。

图1 裂纹位置及尺寸

为查明裂纹形成原因，预防类似事故的发生，对该气瓶进行化学成分、力学性能、金相及扫面电镜等一系列试验。

1 瓶体材料分析与试验

为查明瓶体材料化学成分、力学性能、金相等是否满足要求，在该气瓶正常部位取样，受现场条件的限制，无法进行冷切割，采取气割方法取样。为消除气割时热影响区的影响，取样时，在制作试样区域再向外延伸100 mm。拉伸试样、冲击试样、化学成分检测试样、金相分析试样等取样示意图如图2所示。

图2 取样示意

1.1 化学成分和力学性能

对于测定化学成分的试样，通过车床制取试样，试样尺寸为15 mm×15 mm，表面打磨平滑后贮存在盛有惰性气体的气密容器中。分析方法按GB/T 20066—2006[9]中的要求进行。化学成分分析结果表明元素含量符合标准规定[7]，见表 1。

对于测试材料力学性能的试样，根据相关标准[10-11]进行制样，经过热处理后的力学性能如表2所示。力学性能测试结果表明，气瓶材料的力学性能均符合标准[7]的规定。

表1 化学成分 %

表2 力学性能

1.2 金相组织分析

图3 试样金相组织 500×

按相关标准[12]的检测方法，对金相试样用4%硝酸酒精侵蚀，采用金相显微镜放大500倍观察。金相组织检测结果显示，样品的金相组织为典型的回火索氏体组织，且组织均匀，无明显夹杂和偏析，见图3。

2 缺陷部位分析与试验

2.1 气瓶内壁及裂纹横断面观察分析

通过目视检查，发现气瓶内壁存在腐蚀现象，导致内壁粗糙不平，如图4所示。对内壁借助显微镜进行观察，发现存在很深的腐蚀坑(如图5中圆圈标注)，腐蚀坑底部图像非常模糊，是由于深度过大，超过了显微镜的景深；同时在内壁存在大量的微裂纹(如图5中箭头所示)，这些微裂纹均起源于钢瓶内壁，裂纹的走向毫无规则，与常见的径向张应力导致的沿轴向开裂裂纹有明显不同。包含裂纹的横断面照片见图6，裂纹走向不同于普通的拉应力开裂，而是呈现出随机走向，不仅沿直线开裂(裂纹 1)，而且向侧向发展(裂纹2，3)。由此推测，贯穿裂纹和微裂纹的形成是同一种机制。

图4 内壁宏观照片

图5 内壁高倍照片

图6 含裂纹横断面照片

2.2 扫描电镜观察分析

将贯穿裂纹打开，对裂纹表面进行扫描电镜观察，发现裂纹形成方式为沿晶断裂，而且在裂纹表面存在许多细小的微裂纹，如图7所示。对裂纹表面进行元素面分布分析，发现除了氧化层以外，还存在明显的硫化物层，如图8所示。同时，在裂纹开裂面发现存在大量的夹杂物，对夹杂物进行成分分析(如图9所示)，夹杂物含有大量的硫元素，而氧含量较低，推测主要是硫化铁，而不是普通拉伸裂纹中的氧化铁。

图7 裂纹开裂面的扫描电镜图像

图8 裂纹开裂面的元素面扫描图

图9 裂纹中夹杂物成分分析

3 结语

钢瓶的化学成分、力学性能、金相组织等均符合标准要求。裂纹形成方式为沿晶断裂，且裂纹走向不同于普通的拉应力开裂，而是呈现出随机走向。裂纹表面除了氧化层以外，还存在明显的硫化物层。裂纹内的镶嵌物主要是硫化铁，而不是普通拉伸应力裂纹中的氧化铁。

根据试验分析结果，结合充装介质及高压工况，可以得出如下结论：裂纹并非主要由受力形成，而是以腐蚀为主、应力为辅造成的开裂。造成腐蚀的可能原因是气源没有进行脱硫处理，天然气中含硫腐蚀性介质沿晶界与铁进行反应，导致晶界处形成硫化物，使晶界处体积膨胀，而高压环境又加速晶界开裂，含硫气体进一步沿晶界侵蚀和反应导致裂纹的扩展，最终形成一条贯穿性裂纹，同时在裂纹内留下大量的硫化物。

在长管拖车储运中，天然气内含硫腐蚀性介质是造成裂纹形成的主要原因。使用单位在长管拖车使用过程中，要定期分析充装介质中的硫含量，发现硫含量超标时，及时对介质进行脱硫处理，可以有效防止因硫含量超标而引起的裂纹。