大容积钢质无缝气瓶致脆风险的防范措施.pdf

－ 20 －化工装备大容积钢质无缝气瓶致脆风险的防范措施王红霞 ( 石家庄安瑞科气体机械有限公司 , 石家庄 050061)陈奇峰 ( 河北省锅炉压力容器监督检测所 , 石家庄 050051)摘 要 ： 本世纪初， 国产大容积钢质无缝气瓶， 逐渐取代进口， 占领国内市场， 并进军国际市场钢瓶盛装和运输的气体当中， 一部分是氢气、 天然气等具有致脆风险的气体 国产钢瓶如何在质量上、安全上占领优势， 让国内外客户放心， 如何防范钢瓶的氢脆， 在钢瓶的材料、 设计、 制造、 检验等方面有哪些措施， 本文进行了较详细的论述关键词 ： 大容积 钢质无缝气瓶 致脆风险 防范措施随着我国工业的快速发展， 气体工业的发展速度日新月异， 工业气体， 特别是氢气、 天然气等气体得到了广泛应用， 氢气和天然气的运输成为气体利用的非常重要的问题 目前异地运输氢气、 天然气最主要的方式是 ： 高压气体管瓶运输车 为提高运输效率， 大容积管瓶运输车 （高压气体长管拖车） 成为当前首选的高压气体运输设备虽然这种高压天然气和氢气管瓶运输车用途非常广泛， 但截止到二十世纪九十年代末， 我国尚不能生产这种大容积管瓶车。

近十年中， 我国使用的管瓶车一般来自两个渠道 ： 一是进口， 从上世纪 90 年代初期从韩国、 俄罗斯进口小口径多管束的管瓶车， 到上世纪 90 年代末期从美国FIBA 、 CPI 、 韩国 NK 公司进口φ 377 ～φ 559 口径的管瓶车 ； 二是使用我国现有的 30CrMo 材料的小钢瓶 （ 50 ～ 80L ） 200 支以上装在集装箱内的管瓶车 由于每支钢瓶都没有单独的安全装置和排污口， 瓶子多、 容积小、 接点多、 泄漏点多， 因而使用的安全性较差， 没有发展前景随着近几年民族企业的快速崛起， 以石家庄安瑞科气体机械有限公司为代表的大容积钢质无缝气瓶的国内制造企业快速发展， 质量稳步提升，信誉大幅度提高 优良的质量、 良好的信誉， 使国内生产的大容积管瓶运输车逐步、 进而全部替代进口， 使国内的大容积管瓶车市场实现了国产化 同时， 正在进军国外市场， 实现出口大 容积钢质无缝气瓶在盛装氢气、 天然气等有致脆风险的介质时， 面临的主要问题之一是 ：钢瓶的氢脆问题 那么国产钢瓶如何与进口钢瓶抗衡， 如何能够替代进口、 并实现出口呢？首先，质量过关， 各项性能指标达到甚至超过了国外同行业先进水平 ； 二是生产设备、 工艺控制和检测设备等达到甚至超过了国外先进水平。

本文主要论述国产大容积钢质无缝气瓶在解决氢脆方面所采取的主要措施什么是氢脆？氢脆是指由于金属中残留的氢与金属生成氢化物所造成的金属脆化现象对于盛装氢气、 天然气等具有致脆风险的国产钢瓶， 在防止氢脆方面主要从选材、 设计、 制造等方面进行控制 措施如下 ：1 、 吸取美国 49CFR § 178.35 、 37 、 DOT-SP8009 以及 ISO11120 标准中的精华， 制定包含上述标准且严于上述标准的企业标准 Q/SHJ 20-2004《大容积钢质无缝气瓶》， 通过了全国气瓶标准化技术委员会专家的审查并在瓶标委备案2 、 盛装氢气、 天然气等气体的钢瓶首先应满足企业标准的要求， 同时满足 DOT 49CFR § 178.37 《 3AA 和 3AAX 无缝钢瓶规范》 和 DOT-SP8009特许规范的要求技术应用与发展－ 21 －化工装备DOT-3AAX 不是专门针对氢气或其它有应力腐蚀倾向的气体的钢瓶标准 DOT-3AAX 钢瓶可以用于盛装包括氢气和甲烷在内的 12 种非液化气体 而专门针对盛装压缩天然气的 DOT-3AAX 气瓶提出了更高的制造和检验要求， 并获得美国DOT 的认可， 即 DOT 特许规范 DOT-SP8009 。

ISO11120 中第 11 章专门对有致脆危险的钢瓶的材料、 设计、 制造及检验等方面作了特殊规定对照国产大容积钢质无缝气瓶， 所依据的企业标准及设计、 制造的盛装氢气、 压缩天然气的管瓶运输车， 完全满足 DOT-3AAX 气瓶标准的要求， 并满足 DOT-SP 8009 特许规范的各项要求 ；同时也完全满足 ISO11120 中第 11 章对有致脆危险的钢瓶的材料、 设计、 制造及检验等方面的各项要求3 、 美国 90 ％以上的 3AAX 气瓶用于充装氢气和天然气 高压氢气对高强钢可能产生氢脆（ HE ） ； 压缩天然气由于含有 H 2 S 和水分， 对高强钢有应力腐蚀作用 （ H 2 S SCC ） 为保证运输的安全性， 运输和制造厂对 DOT-3AAX 气瓶提出更高的要求， 并获得美国运输部的认可 , 即 DOT-SP8009 DOT-SP8009 中明确要求盛装压缩天然气的钢瓶必须用 4130X 制造 ； 4130X 钢中 S 、 P 的含量必须小于 0.015% 和 0.024% 钢的氢脆与化学成分和组织密切相关， 未回火的马氏体组织最容易发生氢脆， 钢种的夹杂物，尤 其是硫化物极易诱发氢脆。

所以， 国产大容积钢瓶为避免氢脆， 采取的措施为 ：3.1 限制钢种并控制材料中硫和磷的含量 气瓶必须用优质铬钼钢 4130X 制造 因为铬钼钢具有优良的综合性能， 经过调质处理后在较高的强度水平上仍能保持良好的塑性和足够的韧性 钢中的硫、 磷含量分别不能超过 0.010% 和 0.020% ISO11120要求硫和磷的含量分别不能超过 0.025% ， 总量不能超过 0.035% ） 同时对瓶体材料的其他化学成分作出了较严格的规定 ， 见表 1 3.2 为得到满足性能和要求的金相组织， 对钢瓶进行调质热处理 热处理后要求对瓶体的金相组织进行检测 要求瓶体纤维组织应为回火索氏体 ； 晶粒度不应低于 6 级 ； 并对瓶体内外壁脱碳层的深度作出严格规定， 以确保瓶体组织不存在马氏体， 避免发生氢脆4 、 研究表明 ： 高强度容器中钢的脆性与抗拉强度有关 抗拉强度降低， 临界应力密度因子增加 当抗拉强度降低到 882MPa 以下时， 临界应力密度因子增加很快， 氢脆的敏感度降低 ； 试验证明 ： AISI4340 、 AISI4130 和锰钢抗拉强度到表 1 化学成分 （ % ）C Mn Si P S Cr Mo0.25 ～ 0.35 0.40 ～ 0.90 0.15 ～ 0.35 ≤ 0.020 ≤ 0.010 0.80 ～ 1.10 0.15 ～ 0.25882MPa 以下时， 氢脆的敏感性降低， 其中 4130 更优。

由此可见 ： 氢脆容易发生在高强度材料中， 钢的抗拉强度和屈服强度越高， 氢脆敏感性越大 因此， 国产大容积钢瓶为了降低氢脆敏感度， 必须对钢的强度加以限制控制钢瓶材料的最终抗拉强度和屈强比 瓶体调质热处理后， 气瓶的抗拉强度保证值不能超过 869MPa ， 屈强比不得超过 86% （ ISO11120 要求 ： 抗拉强度保证值不能超过 950MPa ， 屈强比不能超过 0.90 ； DOT-SP 8009 要求 ： 抗拉强度保证技术应用与发展－ 22 －化工装备值不能超过 869MPa ， 屈强比不能超过 86% ）5 、 钢瓶的硬度和抗拉强度是密切相关的， 钢瓶的硬度反映的是瓶体的强度状况 为了控制瓶体的强度必须控制瓶体的硬度不超过规定的指标为此， 国产大容积钢瓶采取了如下措施 ：控制钢瓶的硬度 瓶体热处理后逐只进行硬度检测， 硬度值最大不超过 HB269 且同一环向截面外表面的硬度值偏差不大于 HB30 ISO11120 限定的硬度上限与抗拉强度相适应 ；DOT-SP 8009 要求硬度上限不得超过 HB269 ）6 、 研究表明 ： 钢中的氢含量在 5ppm 以上， 随着氢含量的增加， 钢的脆性增大， 断裂应力、 断面收缩率和延伸率都降低 ； 所以， 适当提高钢材的塑性和韧性， 有助于防止氢脆。

国产大容积钢瓶要求瓶体材料有较高的塑性和韧性 瓶体热处理后的延伸率要求不得小于20% ； 钢瓶瓶体热处理后要求对试验环或瓶体进行压扁试验 压扁间距 T 等于 6 倍样环的平均实测厚度， 压扁处无裂纹为合格 ； 同时， 瓶体热处理后， 要求对瓶体材料进行夏比 V 型缺口 -40 ℃的低温冲击试验， 三个标准试样冲击功的平均值 Akv≥ 40J ， 单个试样的冲击功 Akv ≥ 32J DOT-SP 8009 要求 ： 延伸率不得小于 20% ； 压扁试验 ： 将试验环压扁至 6 倍钢瓶厚度， 无裂纹为合格 ； 冲击试验不要求ISO11120 要求 ： 延伸率不得小于 16% ； 压扁试验不要求 ； 要求对瓶体材料进行夏比 V 型缺口 -20 ℃的低温冲击试验， 冲击功 Akv ≥ 50J/cm 2 7 、 资料介绍 ： 氢脆出现在天然气钢瓶中， 起因于钢瓶长期有水存在 尽管天然气中 H 2 S 的含量为 17.3mg/m 3 ， 但因钢瓶中残存的水， 使水中溶入大量的 H 2 S 温度低于 250 ℃， 干燥的 H 2 S 不对钢材起腐蚀作用， 低于 250 ℃下 H 2 S 只有与水并存时才对钢材有腐蚀作用。

H 2 S 遇水产生电离， 生成的氢向钢中扩散， 在局部区域集聚达到极限浓度时导致钢的脆性破坏 钢中任何气穴、 夹杂物、 夹层都是潜在的鼓包的发源地， 在这些地区集聚的氢气压力会逐渐升高， 以至在鼓包处引起破裂 特别是在有应力的情况下， 会加剧氢脆开裂实践表明 ： 应力集中区域容易产生应力腐蚀、 延迟裂纹和氢脆 所以国产大容积钢瓶在制造过程中采取了避免容易产生氢脆的应力集中的多种措施 如 ： 瓶肩形状圆滑过度、 无突变 ； 收口后， 去除瓶口附近内壁的皱折和其他缺陷， 并保持圆滑过度 ； 用内窥镜或其他专用工具检查瓶肩内部是否存在皱折或裂纹， 其表面不允许有裂纹存在 ； 瓶体内外表面光滑平整 ； 螺纹光滑、 退刀槽平缓， 尽量减小应力集中8 、 钢瓶的缺陷容易加剧钢瓶氢脆的产生、 应力腐蚀的产生、 钢瓶的破坏 所以要防止钢瓶产生氢脆和其他破坏， 必须控制钢瓶缺陷及缺陷的尺寸为防止瓶体在热处理后和水压试验后产生裂纹， 在热处理后和水压试验后分别对瓶体进行100% 磁粉检测， 不允许有任何裂纹存在 ； 同时水压试验后， 对瓶体进行 100% 超声检测， 不得存在有超出瓶体最小壁厚 5% 的缺陷存在。

再者， 对瓶口螺纹进行 100% 磁粉检测， 防止产生裂纹采用目测和其他常规检测方法， 对瓶体的外表面进行全面检测， 外观质量应满足标准要求， 不得有超标缺陷， 直线度、 椭圆度均应在标准要求范围之内 ； 同时对瓶体内壁进行检测 ： 采用内窥技术应用与发展－ 23 －化工装备摄像系统对钢瓶内壁进行全面检测， 防止任何超标缺陷存在9 、 实践表明 ： 钢瓶内壁的拉应力容易导致氢脆 如何改变钢瓶的拉应力状态是预防氢脆的措施之一 所以对国产钢瓶内壁进行喷丸处理， 内表面形成局部残余压应力， 使气瓶内壁处于预压应力状态，改善钢瓶的抗疲劳性能和抗氢脆能力10 、 盛装氢气和天然气等容易造成致脆危险的介质的钢瓶， 安全装置采用爆破片结构， 不宜采用安全阀结构， 也是保证钢瓶使用安全的措施之一 原因有四 ：10.1 爆破片对氢气和天然气气瓶的影响——最大限度的避免泄漏 ；10.2 爆破片结构密封严密，安全阀在运输中的颠簸、 振动会引起间歇起跳 ；10.3 爆破片的结构尺寸小，夹持器比安全阀坚固 ；10.4 爆破片的口径比安全阀大得多，可以迅速地释放气体 CGA 着火试验证明， 装设了爆破片的气瓶在着火状态下不会爆炸，着火状态时， 爆破片由于温度升高， 强度降低可以在额定爆破压力下爆破。

11 、 结束语 ： 国产大容积钢质无缝气瓶如何以质量优势、安全优势、价格优势占领国内市场、进军国际市场， 赶超世界先进水平， 成为全。