大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶致脆風險的防范措施

郭萌鋒

（浙江藍能燃氣設備有限公司，浙江 紹興 312369）

0 引言

隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，氣體工業(yè)的發(fā)展速度日新月異，工業(yè)氣體，特別是氫氣、天然氣等氣體得到了廣泛應用，氫氣和天然氣的運輸成為氣體利用的非常重要的問題。優(yōu)良的質(zhì)量、良好的信譽，使國內(nèi)生產(chǎn)的大容積管瓶運輸車逐步、進而全部替代進口，使國內(nèi)的大容積管瓶車市場實現(xiàn)了國產(chǎn)化。同時，正在進軍國外市場，實現(xiàn)出口。

1 大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶在解決氫脆方面所采取的主要措施

1.1 吸取美國49CFR §178.35、37、DOT-SP8009 以及ISO11120 標準中的精華，制定包含上述標準且嚴于上述標準的企業(yè)標準Q/SHJ 20-2004《大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶》，通過了全國氣瓶標準化技術(shù)委員會專家的審查并在瓶標委備案。盛裝氫氣、天然氣等氣體的鋼瓶首先應滿足企業(yè)標準的要求,同時滿足DOT49CFR§178.37《3AA 和3AAX 無縫鋼瓶規(guī)范》和DOT-SP8009 特許規(guī)范的要求。DOT-3AAX 不是專門針對氫氣或其它有應力腐蝕傾向的氣體的鋼瓶標準。DOT-3AAX 鋼瓶可以用于盛裝包括氫氣和甲烷在內(nèi)的12 種非液化氣體。

1.2 盛裝氫氣、天然氣等氣體的鋼瓶首先應滿足企業(yè)標準的要求，同時滿足DOT 49CFR §178.37《3AA 和3AAX 無縫鋼瓶規(guī)范》和DOTSP8009 特許規(guī)范的要求。DOT-3AAX 不是專門針對氫氣或其它有應力腐蝕傾向的氣體的鋼瓶標準。DOT-3AAX 鋼瓶可以用于盛裝包括氫氣和甲烷在內(nèi)的12 種非液化氣體。而專門針對盛裝壓縮天然氣的DOT-3AAX 氣瓶提出了更高的制造和檢驗要求，并獲得美國DOT 的認可，即DOT 特許規(guī)范DOT-SP8009。ISO11120 中第11 章專門對有致脆危險的鋼瓶的材料、設計、制造及檢驗等方面作了特殊規(guī)定。對照國產(chǎn)大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶，所依據(jù)的企業(yè)標準及設計、制造的盛裝氫氣、壓縮天然氣的管瓶運輸車，完全滿足DOT-3AAX 氣瓶標準的要求，并滿足DOT-SP 8009 特許規(guī)范的各項要求；同時也完全滿足ISO11120 中第11 章對有致脆危險的鋼瓶的材料、設計、制造及檢驗等方面的各項要求。

1.3 美國90%以上的3AAX 氣瓶用于充裝氫氣和天然氣。為保證運輸?shù)陌踩?，運輸和制造廠對DOT-3AAX 氣瓶提出更高的要求，并獲得美國運輸部的認可,即D O T-SP8009。DOT-SP8009 中明確要求盛裝壓縮天然氣的鋼瓶必須用4130X 制造；4130X 鋼中S、P 的含量必須小于0.015%和0.024%。所以，國產(chǎn)大容積鋼瓶為避免氫脆，采取的措施為：

1.3.1 限制鋼種并控制材料中硫和磷的含量。氣瓶必須用優(yōu)質(zhì)鉻鉬鋼4130X 制造。因為鉻鉬鋼具有優(yōu)良的綜合性能，經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后在較高的強度水平上仍能保持良好的塑性和足夠的韌性。鋼中的硫、磷含量分別不能超過0.010%和0.020%。（ISO11120 要求硫和磷的含量分別不能超過0.025%，總量不能超過0.035%）。

1.3.2 為得到滿足性能和要求的金相組織，對鋼瓶進行調(diào)質(zhì)熱處理。熱處理后要求對瓶體的金相組織進行檢測。要求瓶體纖維組織應為回火索氏體；晶粒度不應低于6 級；并對瓶體內(nèi)外壁脫碳層的深度作出嚴格規(guī)定，以確保瓶體組織不存在馬氏體，避免發(fā)生氫脆。

1.4 鋼的脆性與抗拉強度：研究表明,高強度容器中鋼的脆性與抗拉強度有關(guān)?？估瓘姸冉档?臨界應力密度因子增加。當抗拉強度降低到882MPa 以下時,臨界應力密度因子增加很快,氫脆的敏感度降低；試驗證明：AI-SI4340、AISI4130 和錳鋼抗拉強度到882MPa 以下時,氫脆的敏感性降低,其中4130 更優(yōu)[3]。由此可見,氫脆容易發(fā)生在高強度材料中,鋼的抗拉強度和屈服強度越高,氫脆敏感性越大。

1.5 鋼瓶的硬度和抗拉強度是密切相關(guān)的，鋼瓶的硬度反映的是瓶體的強度狀況。為了控制瓶體的強度必須控制瓶體的硬度不超過規(guī)定的指標。為此，國產(chǎn)大容積鋼瓶采取了如下措施：控制鋼瓶的硬度。瓶體熱處理后逐只進行硬度檢測，硬度值最大不超過HB269。

1.6 研究表明,鋼中的氫含量在5×10-6 以上,隨著氫含量的增加,鋼的脆性增大,斷裂應力、斷面收縮率和延伸率都降低,所以,適當提高鋼材的塑性和韌性,有助于防止氫脆。瓶體熱處理后的延伸率要求不得小于20%；鋼瓶瓶體熱處理后要求對試驗環(huán)或瓶體進行壓扁試驗。壓扁間距T 等于6 倍樣環(huán)的平均實測厚度，壓扁處無裂紋為合格；同時，瓶體熱處理后，要求對瓶體材料進行夏比V 型缺口-40℃的低溫沖擊試驗，三個標準試樣沖擊功的平均值Akv≥40J，單個試樣的沖擊功Akv≥32J。

1.7 資料介紹：氫脆出現(xiàn)在天然氣鋼瓶中，起因于鋼瓶長期有水存在。盡管天然氣中H2S 的含量為17.3mg/m3，但因鋼瓶中殘存的水，使水中溶入大量的H2S。溫度低于250℃，干燥的H2S 不對鋼材起腐蝕作用，低于250℃下H2S 只有與水并存時才對鋼材有腐蝕作用。H2S 遇水產(chǎn)生電離，生成的氫向鋼中擴散，在局部區(qū)域集聚達到極限濃度時導致鋼的脆性破壞。鋼中任何氣穴、夾雜物、夾層都是潛在的鼓包的發(fā)源地，在這些地區(qū)集聚的氫氣壓力會逐漸升高，以至在鼓包處引起破裂。特別是在有應力的情況下，會加劇氫脆開裂。實踐表明：應力集中區(qū)域容易產(chǎn)生應力腐蝕、延遲裂紋和氫脆。

1.8 鋼瓶的缺陷容易加劇鋼瓶氫脆的產(chǎn)生、應力腐蝕的產(chǎn)生、鋼瓶的破壞。所以要防止鋼瓶產(chǎn)生氫脆和其他破壞，必須控制鋼瓶缺陷及缺陷的尺寸。為防止瓶體在熱處理后和水壓試驗后產(chǎn)生裂紋，在熱處理后和水壓試驗后分別對瓶體進行100%磁粉檢測，不允許有任何裂紋存在；同時水壓試驗后，對瓶體進行100%超聲檢測，不得存在有超出瓶體最小壁厚5%的缺陷存在。采用目測和其他常規(guī)檢測方法，對瓶體的外表面進行全面檢測，外觀質(zhì)量應滿足標準要求，不得有超標缺陷，直線度、橢圓度均應在標準要求范圍之內(nèi)；同時對瓶體內(nèi)壁進行檢測：采用內(nèi)窺攝像系統(tǒng)對鋼瓶內(nèi)壁進行全面檢測，防止任何超標缺陷存在。

2 結(jié)語

以上這些控制措施,尤其是降低鋼種的硫磷含量、限制材料的實際抗拉強度上限,控制鋼瓶的硬度、提高鋼瓶的塑性和韌性、避免應力集中、控制鋼瓶缺陷、并附加嚴格的最終超聲波檢測和磁粉檢測,改善鋼瓶的抗疲勞性能等措施,對于降低氫脆的危害是非常重要的。氫氣和壓縮天然氣都屬于有應力腐蝕傾向的氣體,國產(chǎn)盛裝氫氣和天然氣等有致脆風險的氣體的鋼瓶,各項指標和質(zhì)量控制措施均達到甚至超過了DOT-3AAX 和DOTSP8009 的要求,各項指標和質(zhì)量控制措施均高于ISO11120 的各項要求。

［1］美國聯(lián)邦法規(guī)標準DOT 49CFR §178.37；DOT-SP 8009 特許規(guī)范[S].

［2］國際標準ISO11120：1999 水容積為150L～3000L 可重復使用的無縫鋼瓶的設計、制造和試驗[S].

［3］邱長鋆.高強度鋼在常溫高壓氫氣中的氫脆[J].中國鍋爐壓力容器安全,1999(6).