大容積鋼質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

隨著我國工業的快速發展，氣體工業的發展速度日新月異，工業氣體，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。優良的質量、良好的信譽，使國內生產的大容積管瓶運輸車逐步、進而全部替代進口，使國內的大容積管瓶車市場實現了國產化。同時，正在進軍國外市場，實現出口。

1 大容積鋼質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標準Q/SHJ 20-2004《大容積鋼質無縫氣瓶》，通過了全國氣瓶標準化技術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標準的要求,同時滿足DOT49CFR§178.37《3AA 和3AAX 無縫鋼瓶規范》和DOT-SP8009 特許規范的要求。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標準的要求，同時滿足DOT 49CFR §178.37《3AA 和3AAX 無縫鋼瓶規范》和DOTSP8009 特許規范的要求。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定。對照國產大容積鋼質無縫氣瓶，所依據的企業標準及設計、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。為保證運輸的安全性，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。氣瓶必須用優質鉻鉬鋼4130X 制造。因為鉻鉬鋼具有優良的綜合性能，經過調質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，對鋼瓶進行調質熱處理。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；并對瓶體內外壁脫碳層的深度作出嚴格規定，以確保瓶體組織不存在馬氏體，避免發生氫脆。

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。抗拉強度降低,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[3]。由此可見,氫脆容易發生在高強度材料中,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定的指標。為此，國產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或瓶體進行壓扁試驗。壓扁間距T 等于6 倍樣環的平均實測厚度，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 遇水產生電離，生成的氫向鋼中擴散，在局部區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源地，在這些地區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：應力集中區域容易產生應力腐蝕、延遲裂紋和氫脆。

1.8 鋼瓶的缺陷容易加劇鋼瓶氫脆的產生、應力腐蝕的產生、鋼瓶的破壞。所以要防止鋼瓶產生氫脆和其他破壞，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檢測方法，對瓶體的外表面進行全面檢測，外觀質量應滿足標準要求，不得有超標缺陷，直線度、橢圓度均應在標準要求范圍之內；同時對瓶體內壁進行檢測：采用內窺攝像系統對鋼瓶內壁進行全面檢測，防止任何超標缺陷存在。

2 結語

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,各項指標和質量控制措施均高于ISO11120 的各項要求。

［1］美國聯邦法規標準DOT 49CFR §178.37；DOT-SP 8009 特許規范[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).