37Mn鋼無縫氣瓶局部位置厚度異常原因

楊茂森, 余孟栗, 彭著洋, 干 兵, 王 莉

(四川省特種設備檢驗研究院, 成都 610100)

無縫氣瓶是一種可重復充裝壓縮氣體或高壓液化氣體的鋼瓶，被廣泛應用于工業、醫療等領域。無縫氣瓶的生產工藝一般為：鋼管廠先采用“管坯-加熱-穿管-軋制-定徑”等工序生產氣瓶用無縫鋼管；氣瓶廠采用無縫鋼管作為坯料，經過熱旋壓收口收底成型、正火處理等工序，最終加工成無縫氣瓶[1]。在對某氣瓶進行常規超聲測厚時，發現其局部位置厚度異常，故對該氣瓶壁厚異常部位進行超聲檢測，以確定缺陷分布位置和深度，再采用化學成分分析、金相檢驗、能譜分析等方法，確定了缺陷的類型，分析了缺陷產生的原因。

1 理化檢驗

1.1 超聲檢測

該氣瓶規格(外徑×長度×壁厚)為219 mm×1 200 mm×5.7 mm，材料為37Mn鋼。參照NB/T 47013.3—2015 《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》標準規定的脈沖反射法超聲檢測對瓶體壁厚異常部位進行檢測，超聲檢測靈敏度為50%+10 dB，采用雙晶探頭，探頭頻率為5 MHz，探頭角度為0°，探頭直徑為10 mm。氣瓶不同位置的超聲檢測結果如圖1所示。圖1a)中，缺陷波當量較低，內表面底波反射當量較高，較無缺陷處底波高度變化不大，說明該處缺陷面積較小；圖1b)中，缺陷反射波高度大于底波，底波高度降低明顯，說明該處缺陷面積較大，但仍小于超聲波聲束截面面積；圖1c)中，底波完全消失，僅有缺陷反射回波，該處缺陷面積較大，且大于超聲波聲束截面面積。

圖1 氣瓶不同位置的超聲檢測結果

經超聲檢測判斷，缺陷總體呈現出分層特征，缺陷在氣瓶的位置如圖2所示。由圖2可知：缺陷沿瓶體軸向分布，呈長條狀，長為180 mm，寬為40 mm，面積約為7 200 mm2。整個缺陷在氣瓶厚度方向上的位置一致，角度與外表面約為0°，但不同位置缺陷反射當量大小不一致。該氣瓶其余位置經檢測未發現有類似分層缺陷。

圖2 缺陷在氣瓶的分布位置示意

1.2 化學成分分析

用直讀光譜儀對37Mn鋼無縫氣瓶材料進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可知：該氣瓶用37Mn鋼的化學成分符合GB/T 18248—2008 《氣瓶用無縫鋼管》標準的要求[2]。

表1 37Mn鋼無縫氣瓶的化學成分分析結果 %

1.3 金相檢驗

采用4%(體積分數)的硝酸酒精溶液對氣瓶分層缺陷附近材料侵蝕后進行金相檢驗。該氣瓶材料的顯微組織如圖3所示，由圖3可知：氣瓶材料組織為珠光體+鐵素體，組織無異常，未見明顯帶狀組織[3-4]。

圖3 37Mn鋼無縫氣瓶的顯微組織

沿氣瓶周向切取的1#試樣局部區域的缺陷處微觀形貌如圖4所示。由圖4可知：缺陷處含有大量的非金屬夾雜物[5-6]，非金屬夾雜物距氣瓶外表面約0.6～0.7 mm，長度較長，厚度較小，以條狀、斷續條狀平行于外表面，沿瓶體周向分布。

圖4 1#試樣(周向)局部區域的缺陷處微觀形貌

1#試樣的非金屬夾雜物微觀形貌如圖5所示。由圖5可知：大量的顆粒狀夾雜物沿周向分布，顆粒物大小為2 μm～5 μm，具有B類(氧化鋁類)夾雜物的特征[7]。

圖5 1#試樣(周向)非金屬夾雜物微觀形貌

圖6為沿氣瓶軸向切取的2#試樣非金屬夾雜物微觀形貌。由圖6可知：非金屬夾雜物沿瓶體軸向(鋼管軋制方向)，且平行于外表面呈條狀、鏈狀分布，貫穿整個2#試樣。非金屬夾雜物距瓶體外表面約0.6～0.7 mm，厚度為5 μm～70 μm。

圖6 2#試樣(軸向)非金屬夾雜物微觀形貌

1.4 能譜分析

對兩組試樣中的非金屬夾雜物進行能譜分析，結果如圖7～9所示。由圖7～9可以看出：夾雜物呈條狀、顆粒狀分布，條狀夾雜物中包含有塊狀或顆粒狀夾雜物。能譜顯示兩組試樣的夾雜物成分基本相同，主要元素為O和Al，還含有Ca，Ti和Mg等元素，但含量相對較少。表明該處分層缺陷由氧化物類夾雜物組成，主要為Al2O3和少量CaO，MgO，TiO2組成的復合夾雜物[8-9]。

圖7 1#試樣夾雜物能譜分析位置1及其能譜圖

圖8 1#試樣夾雜物能譜分析位置2及其能譜圖

圖9 2#試樣夾雜物能譜分析位置及其能譜圖

2 綜合分析

綜上所述，該氣瓶分層缺陷主要由Al2O3和少量的CaO，MgO，TiO2的復合夾雜物組成，該夾雜物具有一定的厚度，且造成氣瓶兩側基體金屬分離，故在常規壁厚檢測時其厚度異常減少，超聲檢測時體現為分層特征。

在管坯的冶煉、澆注過程中，Al2O3，CaO，MgO，TiO2等為脫氧產物以及熔渣成分，當工藝控制不當時，上述氧化物不能及時從鋼水中上浮排出，往往以非金屬夾雜物的形式殘留在鋼中。無縫鋼管在穿管、軋制過程中，復合夾雜物在外力的作用下發生變形，并進一步被拉長壓扁，最終沿鋼管軋制方向以面狀分布在鋼管基體內部。

當鋼管材料存在非金屬夾雜物等缺陷時，瓶體的結構不連續會導致局部應力集中，這會降低鋼材的塑性、韌性以及抗疲勞性能，特別是在氣瓶反復充裝后，缺陷處瓶體疲勞開裂敏感性大大增加，因此，在生產無縫鋼管時，氣瓶用鋼管制造企業應當嚴格按照相關標準要求，對氣瓶進行檢驗，保證無縫鋼管的品質。

3 結語

(1) 該氣瓶缺陷是由殘留在鋼中的Al2O3和少量的CaO，MgO，TiO2等復合夾雜物組成的。

(2) 無縫鋼管生產企業以及氣瓶生產企業應當嚴格按照相關標準要求對氣瓶進行檢驗，以確保其品質。