尹谢平;徐淑芳
【摘 要】为了研究环缠绕钢内胆气瓶（CNG －Ⅱ气瓶）爆破失效原因，对制造过程中爆破失效的钢内胆气瓶断口、材料化学成分、力学性能、内外表面无损检测和金相组织进行试验研究和分析，对钢管热轧、热扩和冷拔工艺进行分析。结果表明，环缠绕钢内胆气瓶爆破失效的原因为：钢管终轧温度高、冷却速度慢导致化学成分偏析的钢管出现网状碳化物；热扩推挤速度快造成钢管加热时间不足，使钢管在低于工艺要求温度下热扩，导致存在网状碳化物的钢管开裂，形成孔洞和裂纹，冷拔加速材料内部孔洞和裂纹扩展；气瓶在水压试验或水压爆破试验中因材料中的孔洞或裂纹快速扩展出现爆破失效。%To research the reason of rupture failure on hoop-wrapped composite cylinders with steel liner (CNG -Ⅱ cylinder),through the experimental research and analysis on the rupture,chemical composi-tion,mechanical property,PT for inside and outside,and metallurgical structure of cylinders with steel lin-er which failed rupture under manufacturing,and analysis on tubes manufacturing process of heat-rolling, heat-expanding and cold-drawing.The results show t hat:The high final-rolling temperature and slow cool-ing velocity in heat-rolling of tubes caused the net carbide in the segregation tubes;quick extruding veloc-ity of the core in heat-expanding caused short heating time of tubes,tubes were heat-expanding under tem-perature below technology requirement and leaded to crack and formed the holes and cracks in tubes with the net carbide,and cold drawing sped up the extension of the holes and cracks in material;the extension of holes and cracks in material caused the rupture failure when cylinders were hydrostatic tested or burst tested.
【期刊名称】《压力容器》
【年(卷),期】2016(033)010
【总页数】7页(P38-44)
【关键词】CNG -Ⅱ气瓶;钢内胆气瓶;水压试验;水压爆破试验;失效分析
【作 者】尹谢平;徐淑芳
【作者单位】浙江金盾压力容器有限公司，浙江 上虞 312367;浙江格洛斯无缝钢管有限公司，浙江 上虞312367
【正文语种】中 文
晶粒度检测【中图分类】TH138.22;TG115.21;TG115.5
燃料汽车动力系统广泛使用压缩天然气，而汽车上储存压缩天然气主要有2种不同型式的气瓶：全钢质无缝气瓶和在钢质内胆外面环缠绕玻璃纤维的复合气瓶。这种环缠绕钢内胆气瓶，降低了气瓶质量，减少了汽车整备质量与运行损耗，被广泛使用于城市出租汽车和公交汽车。
目前，国内普遍使用的环缠绕钢内胆气瓶，其直径规格为φ325 mm、φ356 mm和φ406 mm等规格(注：钢内胆外直径)，按照GB 24160—2009《车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶》[1]标准进行设计制造。φ325 mm环缠绕气瓶的抗拉强度范围为815 ～ 880 MPa，设计参数见表1。
采用某钢管厂生产的30CrMo、φ325 mm×5.0 mm钢管制造65～120 L环缠绕钢内胆气瓶时，
共生产39个批次约7000只气瓶。每批的批量力学性能试验都满足GB 24160—2009标准和设计图样的规定要求。但先后在水压试验、批量水压爆破试验中，发现4个批次4个气瓶出现爆破失效，见表2。1#爆破失效气瓶见图1。
连续4个批次出现爆破失效，按照GB 24160—2009标准要求，这4个批次属于不合格，气瓶不能出厂。对于没有出现问题的批次，通过后续大量抽样水压爆破试验，未发现异常情况，可以按合格出厂。但不排除合格批次中可能存在不合格气瓶，因此，为了保证出厂气瓶的绝对安全，全部气瓶按报废处理。
为了防止类似问题的再次发生，组织炼钢厂、钢管热轧厂、钢管热扩与冷拔厂进行失效原因分析和研究。
在1#爆破气瓶上取化学成分分析试样，按照GB/T 4336—2002《碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法(常规方法)》标准要求，对材料化学成分进行分析。在1#、2#、3#和4#爆破气瓶上无明显变形区域，取拉伸、冲击和弯曲试验试样，分别按照GB/T 228.1—2010《金属材料 室温拉伸试验方法》、GB/T 229—2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》和GB/T 24160—2009《车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶》标准和设计图样的
要求，对材料进行力学性能试验。
在1#爆破气瓶上，沿断口面取若干个金相试样，按照GB/T 224—2008《钢的脱碳层深度测定方法》、GB/T 6394—2002《金属平均晶粒度测定方法》、GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验方法》、GB/T 13298—1991《金属显微组织检验方法》、GB/T 13299—1991《钢的显微组织评定方法》、GB 18248—2008《气瓶用无缝钢管》标准要求，采用电镜和金相显微镜对断口进行金相分析。并对管坯和钢管抽样进行金相分析。
对1#爆破气瓶、钢管内外表面进行表面无损检测。
2.1 断口分析[2-3]
1#爆破气瓶为环缠绕钢内胆气瓶，爆破时瓶体外面的环缠绕层完好，由于瓶体外面环缠绕层作用，钢内胆爆破口呈直线，止裂于未缠绕、大厚度的肩部和底部过渡区。断口形貌见图2。
对1#爆破气瓶断口进行电镜扫描检验，表明裂纹沿晶界开裂，属于沿晶断裂形貌，见图3。
在电镜和金相显微镜下仔细观察，断口附近材料中存在大量的、沿晶分布的孔洞与裂纹，见图4～6。材料中的孔洞与裂纹沿爆破口两侧约20 mm范围分布，并且与钢管轴向(爆破口方向)近似平行，越靠近爆破口孔洞和裂纹越多。
对1#爆破气瓶断口上孔洞与裂纹的材料成分进行电镜能谱分析，C、O含量比较高，见图7。表明材料中孔洞与裂纹面存在氧化现象，未发现非金属夹杂物。
在2#、3#和4#爆破气瓶断口上，各取一个金相试样，在电镜和金相显微镜下仔细观察，同样发现断口附近材料中存在大量的、沿晶分布的孔洞与裂纹，断口属于沿晶断裂形貌。
钢质气瓶爆破时，如果材料性能良好、无缺陷，即使爆破口张开很大(即产生大的塑性变形)，断口附近材料变形都是连续的，不会出现孔洞和裂纹。1#爆破气瓶的爆破压力24 MPa，低于环缠绕气瓶水压试验压力30 MPa，也就是说，环缠绕气瓶爆破时处于弹性变形阶段。因此，钢管材料中原来存在孔洞和裂纹。
2.2 化学成分分析与力学性能试验
材料化学成分光谱分析与力学性能试验结果分别见表3和表4。由此可以看出，化学成分、
力学性能均符合GB 24160—2009标准规定与设计要求。但4只爆破气瓶冲击值比其所在的批次批量试验的冲击值低很多，表明材料冲击性能存在很大问题。
2.3 内外观表面无损检测
采用表面着探伤方法，对1#爆破气瓶内外表面进行无损检测，在断口附近发现点状和小于3 mm线状缺陷显示，未发现明显的长裂纹。
对未下料钢管进行内外表面检验，可疑部位采用表面着探伤无损检测，发现1根钢管内表面存在表面裂纹(见图8)，裂纹与钢管轴线近似平行，并且分布在50 mm范围内。修磨约1 mm后再进行无损检测，裂纹消失。
2.4 非金属夹杂物分析
对1#爆破气瓶材料中非金属夹杂物进行检验，发现存在少量的硫化物夹杂物、硫化物与硅铝酸盐复合夹杂物，分别见图9，10。按照GB/T 10561—2005标准评定，非金属夹杂物A类1.5级，符合GB 18248—2008标准要求。
2.5 金相组织分析
2.5.1 调质热处理组织、晶粒度与偏析[4-5]
按照GB/T 13298—1991和GB/T 6394—2002标准要求，1#爆破气瓶材料金相组织为回火素氏体，并有少量的铁素体，晶粒度大部分区域为12级，少部分区域为9级，见图11。
表明钢内胆气瓶热处理后金相组织符合GB 24160—2009标准要求。
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