長(zhǎng)管拖車氣瓶材料受火后性能及組織變化

李 桐，金明哲，駱 輝，王學(xué)敏

(1.北京科技大學(xué)，北京 100083；2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029)

0 引言

長(zhǎng)管拖車是一種移動(dòng)式壓力容器，主要用于盛裝壓縮天然氣，為管道鋪設(shè)不便地區(qū)和城市交通應(yīng)用天然氣提供儲(chǔ)運(yùn)保障，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)保有量14 000余臺(tái)。長(zhǎng)管拖車(如圖1所示)主要由數(shù)只大容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶通過(guò)管路連接組裝而成，設(shè)計(jì)工作壓力一般為20 MPa，容積約18～30 m3，主要用于盛裝高壓易燃易爆氣體，因此，長(zhǎng)管拖車在使用過(guò)程中的安全性尤為重要。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年都會(huì)發(fā)生數(shù)起長(zhǎng)管拖車火災(zāi)事故，對(duì)于出現(xiàn)火災(zāi)事故的長(zhǎng)管拖車氣瓶，目前的檢驗(yàn)檢測(cè)手段單一且不能給出明確的評(píng)定結(jié)果。因此，針對(duì)火災(zāi)事故后受火的長(zhǎng)管拖車氣瓶安全狀態(tài)的判定，需要一種有效的評(píng)價(jià)方法。

圖1 長(zhǎng)管拖車

目前，對(duì)于壓力容器經(jīng)歷火災(zāi)后合于使用評(píng)價(jià)的研究，主要集中在固定式壓力容器。丁發(fā)興等[1]研究了Q235鋼高溫后的力學(xué)性能；多位學(xué)者[2-10]研究了鍋爐、容器用鋼受溫度影響后的力學(xué)性能及組織變化規(guī)律?？梢?，對(duì)于鍋爐、容器用鋼經(jīng)歷高溫后安全性的研究多集中在鍋爐、容器常用材料，而對(duì)于移動(dòng)式壓力容器受火后安全性的研究，現(xiàn)有研究多集中在容器本體及安全附件在受火過(guò)程中的熱響應(yīng)規(guī)律。古晉斌等[11]使用FLUENT軟件模擬計(jì)算了輪胎火災(zāi)環(huán)境下長(zhǎng)管拖車氣瓶的熱響應(yīng)過(guò)程；趙保頔等[12]研究了火災(zāi)環(huán)境下CNG長(zhǎng)管拖車泄壓裝置的響應(yīng)規(guī)律。對(duì)于長(zhǎng)管拖車氣瓶用材料在受火后安全性的研究鮮有報(bào)道。

本文針對(duì)長(zhǎng)管拖車氣瓶用材料4130X鋼，進(jìn)行不同熱暴露溫度、不同保溫時(shí)間和不同冷卻方式的熱處理手段來(lái)模擬受火條件，對(duì)各模擬條件下的氣瓶材料進(jìn)行拉伸、沖擊、硬度等力學(xué)性能測(cè)試，并觀察對(duì)應(yīng)狀態(tài)下的金相微觀組織，對(duì)關(guān)鍵熱暴露溫度狀態(tài)進(jìn)行精細(xì)化微觀組織特征觀察分析，研究微觀組織在不同受火條件下的變化規(guī)律，為今后發(fā)生火災(zāi)事故長(zhǎng)管拖車氣瓶的檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)材料取自長(zhǎng)管拖車氣瓶用鋼材4130X，其化學(xué)成分如表1所示，材料原始熱處理狀態(tài)是由氣瓶經(jīng)過(guò)950 ℃淬火后、650 ℃高溫回火得到的調(diào)質(zhì)組織，微觀組織為高溫回火索氏體。

表1 4130X鋼的化學(xué)成分

1.2 模擬不同熱暴露條件下試樣的制備

由于長(zhǎng)管拖車氣瓶在火災(zāi)事故中瓶壁溫度所能達(dá)到的實(shí)際溫度未知，因此模擬熱暴露溫度分別設(shè)置了550,650,700,730,750,770,800,850 ℃等溫度。在各溫度下的保溫時(shí)間分別為30 min,1 h,2 h。又因長(zhǎng)管拖車發(fā)生火災(zāi)通常會(huì)采取噴水冷卻或者自然冷卻兩種方式處理，所以本研究選取了空冷和水冷兩種冷卻方式。根據(jù)4130X鋼的化學(xué)成分，通過(guò)Thermal calc 軟件計(jì)算得出材料奧氏體化轉(zhuǎn)變溫度在750 ℃附近，如圖2所示。因此，模擬溫度在750 ℃附近設(shè)置了730,750,770 ℃三個(gè)溫度點(diǎn)，所有模擬熱暴露溫度進(jìn)行空冷冷卻方式，針對(duì)模擬熱暴露溫度為700,750,800,850 ℃試樣增加水冷的冷卻方式。

BCC-體心立方結(jié)構(gòu)；FCC-面心立方結(jié)構(gòu)。

試驗(yàn)采用高溫箱式電阻爐進(jìn)行熱處理，樣坯取自長(zhǎng)管拖車氣瓶，切割成170 mm×85 mm樣坯，在室溫下置于電阻爐內(nèi)，然后升溫至預(yù)定溫度，保溫預(yù)定時(shí)間，取出后，按照不同冷卻方式冷卻至室溫。

1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

將不同熱暴露溫度下制備的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸試驗(yàn)選用圓形棒狀試樣，形狀和尺寸如圖3所示，每個(gè)狀態(tài)沿氣瓶的環(huán)向和軸向各制備2根拉伸試樣。根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，所有試樣均使用引伸計(jì)。

圖3 拉伸試樣結(jié)構(gòu)尺寸

將不同熱暴露溫度下制備試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，沖擊試樣加工尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，每個(gè)狀態(tài)沿氣瓶的縱向和橫向各制備3根試樣。根據(jù)GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》，在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-40 ℃。根據(jù)GB/T 231.1—2009《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，進(jìn)行布氏硬度測(cè)定。

1.4 微觀組織觀察

將各狀態(tài)的試樣經(jīng)砂紙磨光、機(jī)械拋光后，用4%的硝酸酒精侵蝕后，根據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》,進(jìn)行顯微組織觀察，記錄金相照片；并對(duì)650～850 ℃等熱暴露溫度試樣在掃描電鏡下進(jìn)行微觀組織形貌觀察；考慮到相變轉(zhuǎn)變溫度在750 ℃附近，因此對(duì)650～750 ℃等熱暴露溫度試樣在透射電鏡下進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 經(jīng)歷不同熱暴露溫度后材料力學(xué)性能變化

長(zhǎng)管拖車氣瓶的制造在國(guó)內(nèi)主要有5家制造企業(yè)，對(duì)于長(zhǎng)管拖車氣瓶制造的力學(xué)性能指標(biāo)有各企業(yè)的制造標(biāo)準(zhǔn)，與GB/T 33145—2016《大容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶》中各項(xiàng)力學(xué)性能的指標(biāo)對(duì)比如表2所示，表中企業(yè)名稱以代號(hào)表示。

表2 大容積鋼制無(wú)縫氣瓶制造力學(xué)性能指標(biāo)

材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨熱暴露溫度變化如圖4所示。可以看出，采用空冷方式冷卻時(shí)，屈服強(qiáng)度在熱暴露溫度低于650 ℃時(shí)，與原始狀態(tài)相比無(wú)明顯變化；從650～800 ℃時(shí)，屈服強(qiáng)度逐漸減低，在800 ℃時(shí)，屈服強(qiáng)度低至400 MPa附近，不符合GB/T 33145—2016《大容積鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶》及企業(yè)制造標(biāo)準(zhǔn)要求，之后，屈服強(qiáng)度隨著熱暴露溫度升高，屈服強(qiáng)度再次升高；抗拉強(qiáng)度在熱暴露溫度低于650 ℃時(shí)，與原始狀態(tài)相比無(wú)明顯變化，在700 ℃時(shí)，已經(jīng)低于700 MPa，不符合GB/T 33145—2016及企業(yè)制造標(biāo)準(zhǔn)，800 ℃之后，隨著熱暴露溫度升高再次升高。采用水冷方式冷卻時(shí)，700 ℃屈服強(qiáng)度與空冷狀態(tài)700 ℃時(shí)，屈服強(qiáng)度差別不大，750 ℃之后，隨著熱暴露溫度的升高而升高；而抗拉強(qiáng)度自750 ℃起，已經(jīng)超出標(biāo)準(zhǔn)要求。

(a)橫向屈服強(qiáng)度

經(jīng)歷各熱暴露溫度后，氣瓶材料-40 ℃沖擊韌性變化見圖5?？梢钥闯?，采用空冷方式冷卻時(shí)，沖擊韌性在熱暴露溫度低于770 ℃時(shí)，與原始狀態(tài)相比無(wú)明顯變化，超過(guò)800 ℃后，沖擊韌性不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。采用水冷方式冷卻時(shí)，沖擊韌性在熱暴露溫度低于700 ℃時(shí)，與原始狀態(tài)相比無(wú)明顯變化，高于770 ℃后，沖擊韌性不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

(a)橫向沖擊韌性

經(jīng)歷各熱暴露溫度狀態(tài)后，氣瓶材料硬度變化如圖6所示?？梢钥闯觯捎每绽浞绞嚼鋮s時(shí)，材料的硬度在熱暴露溫度低于650 ℃時(shí)，與原始狀態(tài)相比無(wú)明顯變化，熱暴露溫度從650～750 ℃時(shí)硬度逐漸降低，之后，隨著熱暴露溫度升高硬度再次升高。采用水冷方式冷卻時(shí)，材料的硬度在熱暴露溫度低于750 ℃時(shí)，與原始狀態(tài)相比無(wú)明顯變化，熱暴露溫度高于770 ℃后，硬度值超出標(biāo)準(zhǔn)要求范圍。

(a)空冷后

結(jié)果表明，空冷狀態(tài)下，屈服強(qiáng)度在750～800 ℃時(shí)，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求；抗拉強(qiáng)度在700～800 ℃時(shí)，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求；沖擊韌性在800～850 ℃時(shí)，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。 水冷狀態(tài)下，屈服強(qiáng)度高于750 ℃不符合標(biāo)準(zhǔn)要求；抗拉強(qiáng)度高于700 ℃不符合標(biāo)準(zhǔn)要求；沖擊韌性高于750 ℃不符合標(biāo)準(zhǔn)要求；硬度高于800 ℃不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 經(jīng)歷不同熱暴露溫度后材料微觀組織變化

長(zhǎng)管拖車氣瓶材料4130X鋼原始狀態(tài)及各熱暴露溫度狀態(tài)下金相組織變化如圖7，8所示。長(zhǎng)管拖車氣瓶材料4130X鋼原始熱處理狀態(tài)的金相微觀組織主要為回火索氏體。

圖7 原始狀態(tài)的金相組織

圖8 經(jīng)歷不同熱暴露溫度下，不同冷卻方式后的金相組織

可以看出，在空冷狀態(tài)下，熱暴露溫度在700 ℃以下的金相微觀組織主要為回火索氏體，隨熱暴露溫度升高至730 ℃過(guò)程中，白色條塊狀鐵素體明顯減少甚至消失，750 ℃開始出現(xiàn)島鏈狀珠光體組織，770 ℃時(shí)珠光體組織長(zhǎng)大，伴隨鐵素體和貝氏體組織出現(xiàn)，800 ℃時(shí)鐵素體組織成塊狀與珠光體交錯(cuò)分布并伴有貝氏體，850 ℃時(shí)出現(xiàn)珠光體和針片狀魏氏組織。

在水冷狀態(tài)下，熱暴露溫度在700 ℃時(shí)的金相微觀組織與原始組織對(duì)比，條塊狀鐵素體明顯減少甚至消失，與空冷狀態(tài)700 ℃時(shí)組織類似，750 ℃有針狀馬氏體出現(xiàn)，800 ℃開始出現(xiàn)板條狀馬氏體，850 ℃狀態(tài)下馬氏體板條組織明顯。

針對(duì)650～850 ℃等狀態(tài)及原始狀態(tài)進(jìn)行SEM觀察，組織變化如圖9所示?？梢钥闯觯诳绽錉顟B(tài)下，熱暴露溫度在650～700 ℃時(shí)，形貌與原始狀態(tài)形貌類似；700 ℃時(shí)，組織形貌更加均勻；750 ℃時(shí)，形貌開始出現(xiàn)針片狀組織；800 ℃時(shí)，出現(xiàn)成塊狀分布組織；850 ℃時(shí)，在塊狀組織中又出現(xiàn)少量片狀組織。

在水冷狀態(tài)下，熱暴露溫度在700 ℃時(shí)，形貌與空冷狀態(tài)700 ℃時(shí)類似;750 ℃時(shí)，形貌有明顯變化，出現(xiàn)馬氏體；800，850 ℃時(shí)，均為馬氏體組織。

為進(jìn)一步了解組織隨熱暴露溫度升高所產(chǎn)生的變化，針對(duì)750 ℃以下的幾個(gè)狀態(tài)進(jìn)行了TEM觀察，如圖10所示?？梢钥闯?，在空冷狀態(tài)下,700 ℃時(shí)的組織內(nèi)部位錯(cuò)數(shù)量和密度和650 ℃相比減少了，750 ℃時(shí)，片層狀組織消失。在水冷狀態(tài)下，在700 ℃時(shí)的組織與空冷狀態(tài)組織類似；750 ℃時(shí)，出現(xiàn)明顯的板條狀馬氏體組織。

圖10 經(jīng)歷不同熱暴露溫度、不同冷卻方式后的TEM觀察

長(zhǎng)管拖車氣瓶材料原始組織狀態(tài)為調(diào)質(zhì)組織高溫回火索氏體，組織中存在條塊中鐵素體和滲碳體，在低于730 ℃時(shí)，整體組織未發(fā)生相變，隨著熱暴露溫度的升高，組織中條塊狀鐵素體逐漸溶解至消失，從TEM中觀察到位錯(cuò)密度隨溫度升高而減少。750 ℃時(shí)，從金相及SEM中觀察到有相變發(fā)生，說(shuō)明組織進(jìn)入奧氏體化階段。從750 ℃水冷狀態(tài)TEM中觀察到存在馬氏體，驗(yàn)證了組織進(jìn)入奧氏體化階段的說(shuō)法。

結(jié)合力學(xué)性能的結(jié)果來(lái)看，在空冷狀態(tài)下，隨著熱暴露溫度的升高，到達(dá)730 ℃時(shí)之前的回火索氏體組織中條塊狀鐵素體逐漸變小，位錯(cuò)密度減小，導(dǎo)致屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的下降；750 ℃時(shí)，已經(jīng)完全相變，開始出現(xiàn)島鏈狀珠光體組織，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度繼續(xù)下降；800 ℃時(shí)，組織為珠光體和塊狀鐵素體交錯(cuò)組織，并伴有少量貝氏體出現(xiàn)，此時(shí)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最低，且沖擊韌性明顯下降；850 ℃時(shí)，出現(xiàn)針片狀魏氏組織，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有所提升，但沖擊韌性持續(xù)降低。在水冷狀態(tài)下；熱暴露溫度700 ℃時(shí)，各項(xiàng)力學(xué)性能與空冷對(duì)應(yīng)狀態(tài)相差不大；750 ℃以上時(shí)，由于馬氏體的出現(xiàn)，抗拉強(qiáng)度和硬度也隨之上升，但沖擊韌性隨之下降。

最終，本文通過(guò)研究模擬火災(zāi)條件下力學(xué)性能和微觀組織的變化，建立了微觀組織與力學(xué)性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在經(jīng)歷火災(zāi)事故后長(zhǎng)管拖車氣瓶不能進(jìn)行破壞性試驗(yàn)的前提下，判斷氣瓶材料火災(zāi)后的力學(xué)性能是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)金相組織對(duì)應(yīng)力學(xué)性能，評(píng)價(jià)氣瓶的安全性，給出檢驗(yàn)判定依據(jù)，對(duì)長(zhǎng)管拖車氣瓶本體安全性能的判斷和評(píng)價(jià)提供參考數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

(1)在熱暴露溫度高于700 ℃后，不論冷卻方式是采用空冷還是水冷，長(zhǎng)管拖車氣瓶材料的力學(xué)性能均出現(xiàn)不滿足GB/T 13445—2016及企業(yè)制造標(biāo)準(zhǔn)要求項(xiàng)。

(2)隨著熱暴露溫度的升高，長(zhǎng)管拖車氣瓶材料原始組織中條塊狀鐵素體及位錯(cuò)密度降低，判斷是材料力學(xué)性能下降的主要原因。

(3)在對(duì)發(fā)生火災(zāi)事故的長(zhǎng)管拖車檢驗(yàn)評(píng)價(jià)時(shí)，可通過(guò)金相檢驗(yàn)的結(jié)果與模擬火災(zāi)各狀態(tài)金相顯微組織圖譜進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合對(duì)應(yīng)力學(xué)性能，判斷長(zhǎng)管拖車氣瓶性能是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，為火災(zāi)后長(zhǎng)管拖車氣瓶的檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)提供參考。