關(guān)于鋼質(zhì)無縫氣瓶熱處理工藝評定規(guī)范性的思考

祖 寧* 張學(xué)鴻 劉 佺 管樹鵬

（1.天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 國家市場監(jiān)管重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（特種設(shè)備數(shù)字孿生共性技術(shù)） 2.天津天海高壓容器制造有限公司）

0 引言

在鋼質(zhì)無縫氣瓶的制造工序中，熱處理工序?qū)Ξa(chǎn)品的安全性能起著至關(guān)重要的作用。不同材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的鋼質(zhì)無縫氣瓶，所采用的熱處理方式是不同的，如加熱溫度范圍、保溫時間、冷卻方式等參數(shù)均有不同。TSG 23—2021《氣瓶安全技術(shù)規(guī)程》中明確提出，氣瓶制造單位應(yīng)當(dāng)針對產(chǎn)品進(jìn)行熱處理工藝評定，監(jiān)督檢驗(yàn)人員要對相應(yīng)評定進(jìn)行審查并簽字確認(rèn)；在無縫氣瓶的制造標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5099—2017《鋼質(zhì)無縫氣瓶》和汽車用壓縮天然氣鋼瓶制造標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17258—2022《汽車用壓縮天然氣鋼瓶》中也明確提出，氣瓶的熱處理應(yīng)按評定合格的熱處理工藝進(jìn)行。因此，氣瓶制造單位應(yīng)當(dāng)針對具體的產(chǎn)品分別進(jìn)行熱處理工藝評定，從而制定出合適的熱處理工藝規(guī)程。

目前，國內(nèi)還沒有相應(yīng)的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)能夠明確指導(dǎo)鋼質(zhì)無縫氣瓶熱處理工藝評定的制定過程，各制造廠對于熱處理工藝評定的制定水平參差不齊。筆者提出了鋼質(zhì)無縫氣瓶的熱處理工藝評定涵蓋的內(nèi)容及相應(yīng)要求，并通過試驗(yàn)進(jìn)行舉例。

1 主要影響因素

影響氣瓶熱處理工藝評定結(jié)果的因素主要有熱處理工藝參數(shù)的制定，熱處理設(shè)備的選擇與要求，以及對氣瓶熱處理質(zhì)量的評價(jià)。

1.1 熱處理工藝參數(shù)

（1）調(diào)質(zhì)熱處理工藝參數(shù)

調(diào)質(zhì)熱處理的淬火加熱溫度一般為Ac3+30 ～50℃，對于合金含量成分較高的材料，淬火溫度可適當(dāng)提高。保溫時間應(yīng)充分考慮淬火要求中組織轉(zhuǎn)變的充分性以及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對熱處理性能的符合性。冷卻階段的冷卻速度，淬火液濃度和溫度的波動范圍，在熱處理工藝評定中應(yīng)給出相關(guān)要求?；鼗鸸に噮?shù)應(yīng)充分保證產(chǎn)品最終熱處理金相組織的要求和力學(xué)性能的要求。

（2）正火熱處理工藝參數(shù)的選擇

正火處理的加熱溫度一般為Ac3+30 ～50℃，對于合金含量成分較高的材料，正火溫度可適當(dāng)提高。出爐冷卻階段要充分保證同批次鋼瓶冷卻速度一致，例如需要考慮冷卻空間的溫差、風(fēng)速等。

1.2 熱處理設(shè)備

鋼質(zhì)無縫氣瓶熱處理過程的熱處理設(shè)備應(yīng)具有連續(xù)工作的可靠性，以保證每個產(chǎn)品在連續(xù)生產(chǎn)過程中達(dá)到相應(yīng)的質(zhì)量要求。

（1）加熱設(shè)備

熱處理設(shè)備一般采用連續(xù)爐，爐體中應(yīng)具有自動控制運(yùn)行節(jié)拍的裝置。根據(jù)GB/T 9452—2012《熱處理爐有效加熱區(qū)測定方法》測定出滿足熱處理工藝規(guī)定的加熱溫度及溫度均勻性要求的有效加熱區(qū)，且有效加熱區(qū)和有效保溫區(qū)內(nèi)的溫度偏差允許范圍也應(yīng)在熱處理工藝評定中作出明確規(guī)定。需要注意的是，當(dāng)熱處理爐存在GB/T 9452—2003《熱處理爐有效加熱區(qū)測定方法》標(biāo)準(zhǔn)5.1.1 章節(jié)中的幾種情況時，應(yīng)重新測定有效加熱區(qū)。熱處理爐中的加熱區(qū)和保溫區(qū)均應(yīng)配有熱電偶進(jìn)行溫度實(shí)時監(jiān)測，熱電偶布置及爐溫監(jiān)測方法可參照GB/T 30825—2014《熱處理溫度測量》。

（2）冷卻設(shè)備

評定中應(yīng)對冷卻液工作溫度范圍進(jìn)行明確規(guī)定，且給出保證措施，熱處理過程中應(yīng)對冷卻液溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，確保冷卻液溫度波動在規(guī)定范圍內(nèi)。一般可通過循環(huán)冷卻方式，或者加入壓縮空氣攪拌機(jī)構(gòu)[1]的方式對冷卻液的溫度進(jìn)行控制，通過增大熱量傳遞速率,提高介質(zhì)的流動性來加速材料的相變速率，從而提高力學(xué)性能。冷卻速度的測量方法可參照標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7951—2004《測定工業(yè)淬火油冷卻性能的鎳合金探頭實(shí)驗(yàn)方法》。

（3）溫度測定及溫控設(shè)備

加熱爐的每個加熱區(qū)應(yīng)配有溫度控制及自動記錄裝置，根據(jù)加熱爐大小對加熱區(qū)和相應(yīng)裝置的數(shù)量作出規(guī)定。對控溫儀表和記錄儀表的準(zhǔn)確度級別，應(yīng)根據(jù)有效加熱區(qū)的溫度均勻性作出相應(yīng)規(guī)定，具體要求可參照GB/T 9452—2012《熱處理爐有效加熱區(qū)測定方法》中的表1，根據(jù)我國傳統(tǒng)的熱處理爐類別體系[2]，建議選用熱處理爐類型為Ⅲ類及以上。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

（4）爐體運(yùn)轉(zhuǎn)試車

產(chǎn)品進(jìn)行熱處理之前，應(yīng)對爐體進(jìn)行試車[3]，在運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)定時間內(nèi)觀察運(yùn)轉(zhuǎn)部件傳動情況，改進(jìn)傳動不合理狀況，保證設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)順暢；在烘爐過程中,定時運(yùn)轉(zhuǎn)傳動設(shè)備和控制儀表,觀察部件運(yùn)行情況以及儀表顯示情況,改進(jìn)熱運(yùn)行不合理狀況，以保證熱運(yùn)行順暢。

2 材料及樣瓶

氣瓶材料的牌號、交貨狀態(tài)、化學(xué)成分和力學(xué)性能等應(yīng)符合相應(yīng)氣瓶制造標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和相應(yīng)材料標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。瓶坯的尺寸外形和壁厚也應(yīng)符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。組批數(shù)量應(yīng)能反應(yīng)企業(yè)批量生產(chǎn)的要求，且不超過GB/T 5099—2017，GB/T 17258—2022, GB/T 33362—2016《金屬材料 硬度值的換算》標(biāo)準(zhǔn)中對批量數(shù)量的要求。

3 評定項(xiàng)目及檢測要求

抽取2 只或2 只以上鋼瓶，按相應(yīng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)、無損檢測、力學(xué)性能試驗(yàn)、金相試驗(yàn)和水壓爆破試驗(yàn)。

3.1 宏觀檢驗(yàn)

對熱處理后的樣瓶壁厚、制造公差和內(nèi)外表面進(jìn)行檢驗(yàn)，試驗(yàn)方法及判定依據(jù)應(yīng)參照相應(yīng)的制造檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 無損檢測

采用在線自動超聲檢測方法對樣瓶進(jìn)行無損檢測，判定依據(jù)參照相應(yīng)的制造標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 力學(xué)性能檢測

3.3.1 力學(xué)性能試樣取樣

力學(xué)性能試樣截取及測試位置如圖1 所示。在與拉伸試樣平行的兩側(cè)（沿筒體縱向方向）選取硬度測點(diǎn)進(jìn)行硬度檢測。取樣數(shù)量按以下規(guī)則選取：

圖1 試樣及測試位置示意圖

（1）縱向拉伸試驗(yàn)試樣至少2 件，為了更好地驗(yàn)證工藝評定的有效性，可沿氣瓶周向方向取多個拉伸試驗(yàn)試樣，并在每個試樣平行的兩側(cè)（沿筒體縱向方向）進(jìn)行硬度檢測;

（2）瓶體厚度大于等于3 mm 時，取橫向或縱向沖擊試驗(yàn)試樣至少3 件，為了更好地驗(yàn)證工藝評定的有效性，可沿氣瓶周向方向取多個沖擊試驗(yàn)試樣；

（3）取環(huán)向冷彎試驗(yàn)試樣至少2 件或壓扁試驗(yàn)試樣瓶至少1 只或壓扁試驗(yàn)試樣環(huán)至少1 件。

3.3.2 力學(xué)性能檢測結(jié)果

試樣的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)測試結(jié)果應(yīng)滿足相應(yīng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗(yàn)方法參照相應(yīng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。需要特別指出的是，對于調(diào)質(zhì)熱處理氣瓶來說，硬度檢測是一種操作方便，也能敏感反映出金屬力學(xué)性能的檢測手段，在熱處理工藝評定過程中作出相應(yīng)規(guī)定是十分有必要的。在對硬度檢測要求方面，氣瓶制造標(biāo)準(zhǔn)要求硬度值應(yīng)符合材料熱處理后強(qiáng)度值所對應(yīng)的硬度要求，沒有給出一個具體的參照值。而在GB/T 33362—2016 標(biāo)準(zhǔn)中提到，通過轉(zhuǎn)換得到的值是估值，僅作參考而并不可靠。因此，筆者認(rèn)為，可以通過對熱處理評定試樣采用多點(diǎn)硬度檢測，在熱處理工藝評定中給出硬度值范圍，以供參考。

3.4 金相試驗(yàn)

金相試驗(yàn)可從拉伸試驗(yàn)的瓶體上截取，其制備、尺寸、試驗(yàn)方法和結(jié)果評定應(yīng)按相應(yīng)的制造標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

3.5 水壓爆破試驗(yàn)

水壓爆破試驗(yàn)的試驗(yàn)方法及結(jié)果評定按相應(yīng)的制造標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

4 重新進(jìn)行熱處理工藝評定的情況

當(dāng)涉及到以下幾種情況時，應(yīng)重新進(jìn)行熱處理工藝評定：（1）熱處理種類和工藝參數(shù)的改變；（2）熱處理設(shè)備的更換； （3）鋼瓶主體結(jié)構(gòu)形式及尺寸的改變；（4）鋼瓶材料的改變。

5 熱處理工藝評定程序

（1）下達(dá)經(jīng)熱處理責(zé)任工程師審核的熱處理工藝評定任務(wù)書和熱處理工藝評定指導(dǎo)書；（2）執(zhí)行單位負(fù)責(zé)熱處理的實(shí)施，檢驗(yàn)部門負(fù)責(zé)產(chǎn)品的性能檢驗(yàn)；（3）技術(shù)部門負(fù)責(zé)完成熱處理工藝評定報(bào)告的編制，并經(jīng)熱處理責(zé)任工程師審核。

6 熱處理工藝評定質(zhì)量驗(yàn)證實(shí)例

6.1 熱處理過程

以某廠生產(chǎn)的外徑為229 mm，壁厚為5.4 mm 的30CrMo 無縫鋼管為原材料，交貨狀態(tài)是熱軋態(tài)，其化學(xué)成分可見表1。

按照本文1.2 章節(jié)進(jìn)行了熱處理設(shè)備的調(diào)試。采用的熱處理工藝參數(shù)為880 ℃ ， 24 min （水冷） 結(jié)合620 ℃ ，72 min （空冷），淬火液濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為10.1%，淬火液溫度為10～45 ℃。根據(jù)爐內(nèi)工位數(shù)以及氣瓶的保溫時間計(jì)算可以得到入爐后的步進(jìn)周期為71 s/工位。

6.2 試驗(yàn)結(jié)果

（1）宏觀檢驗(yàn)

按GB/T 5099.1—2017 制造標(biāo)準(zhǔn)中的相應(yīng)要求對熱處理后的氣瓶進(jìn)行壁厚、制造公差和內(nèi)外表面檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）力學(xué)性能試驗(yàn)

熱處理后，隨機(jī)抽取1 只鋼瓶進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。力學(xué)性能試樣截取位置可參照圖1。拉伸試樣沿筒體周向方向截取8 件，在每1 件拉伸試樣兩側(cè)的硬度測試位置進(jìn)行硬度測試，每個位置取3 ～5 點(diǎn)測試并取平均值，測試結(jié)果可見表2。冷彎試樣截取兩件，彎心直徑為7Sa，測試結(jié)果無裂紋；沖擊試樣沿筒體周向方向?qū)ΨQ截取兩組，試樣尺寸為5 mm×10 mm×55 mm， 沖擊試驗(yàn)溫度為-50 ℃，結(jié)果可見表3。

表2 拉伸試驗(yàn)及硬度測試結(jié)果

表3 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。且各組數(shù)值相差較小，體現(xiàn)了該批氣瓶熱處理后總體性能的穩(wěn)定性。

（3）金相試驗(yàn)

組織為回火索氏體Ⅰ級合格，內(nèi)壁脫碳層深度為0.03 mm,外壁脫碳層深度為0.05 mm，滿足GB/T 3099—2017 標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)要求。

（4）水壓爆破試驗(yàn)

按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行了水壓爆破試驗(yàn)，鋼瓶的實(shí)測屈服壓力和實(shí)測爆破壓力均滿足GB/T 3099—2017 標(biāo)準(zhǔn)要求，瓶體爆破后無碎片，爆破口位于筒體，主破口呈塑性斷裂形貌。

通過以上檢驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，各項(xiàng)指標(biāo)能夠滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求，且瓶體總體性能穩(wěn)定，可用于指導(dǎo)產(chǎn)品的熱處理過程。

7 結(jié)語

本文從鋼質(zhì)無縫氣瓶熱處理工藝的制定，熱處理設(shè)備的調(diào)試以及對產(chǎn)品熱處理試樣的檢驗(yàn)結(jié)果評價(jià)幾個方面，闡述了鋼質(zhì)無縫氣瓶熱處理工藝評定的制定過程，對鋼質(zhì)無縫氣瓶制造規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中提及的熱處理工藝評定給出了具體的制定要求，并對硬度檢測判定依據(jù)做了一定的補(bǔ)充說明，可用于指導(dǎo)無縫氣瓶生產(chǎn)中的熱處理過程。