摘 要：CNG（Compressed natural gas）氣瓶是一種常用的儲(chǔ)存和運(yùn)輸天然氣的特種設(shè)備，工作中不斷的承受循環(huán)變化的高壓應(yīng)力，易因材料內(nèi)部缺陷、熱加工工藝不當(dāng)?shù)仍驅(qū)е略谀承﹨^(qū)域產(chǎn)生變形、失穩(wěn)甚至爆破失效。本研究以34CrMo4 氣瓶為例，對(duì)實(shí)際失效氣瓶的破口區(qū)進(jìn)行了宏觀形貌檢測(cè)、厚度檢測(cè)、斷口處顯微金相組織檢測(cè)等，并進(jìn)行了理化數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)瓶體破裂的主要原因是由于材料的熱處理調(diào)質(zhì)工藝不當(dāng)，造成整體強(qiáng)度韌性降低。通過(guò)在淬火階段中加入壓縮空氣攪拌機(jī)構(gòu)，可以加快介質(zhì)流動(dòng)速度，破壞淬火過(guò)程中在鋼瓶表面形成的氣膜，提高氣瓶與介質(zhì)的熱交換速率，增大合金固態(tài)金屬的相變推動(dòng)力，從而減少鐵素體的含量，提高氣瓶整體的強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能。
隨著國(guó)家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，大規(guī)模使用化石燃料的現(xiàn)狀，將逐漸被以使用風(fēng)能、核能、太陽(yáng)能和天然氣等多元的清潔型能源所取代。現(xiàn)階段，天然氣作為人類(lèi)社會(huì)生活中普遍使用的便捷型清潔能源，正被廣泛的運(yùn)用在人類(lèi)社會(huì)的各個(gè)場(chǎng)合中。但 CNG（Compressed natural gas，壓縮天然氣）的運(yùn)輸極限是限制其推廣的重要原因之一。我國(guó)從 19 世紀(jì)中葉，開(kāi)始研發(fā)特種氣瓶；到 20 世紀(jì) 60 年代，壁厚大、質(zhì)量重的碳鋼材料才被輕便的錳鋼替代，這減輕了氣瓶的重量；鉻鉬鋼和其它合金鋼到上世紀(jì)70年代開(kāi)始出現(xiàn)，21世紀(jì)初開(kāi)始投放市場(chǎng)。德國(guó)、日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在20世紀(jì)50年代就已完成氣瓶材料的換代，并開(kāi)始規(guī)模化生產(chǎn)大容積無(wú)縫鋼質(zhì)氣瓶。
本實(shí)驗(yàn)選用的34CrMO4鋼是一種典型的中低碳低鉻鉬合金鋼，是現(xiàn)今歐盟市場(chǎng)的主要用鋼，但由于標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)的區(qū)域性，目前較少用作國(guó)內(nèi)大體積壓力氣瓶的材料。但隨著國(guó)內(nèi)對(duì)CGN氣瓶性能要求的逐漸提高，34CrMo4將會(huì)因其在高溫下的持久強(qiáng)度和卓越的蠕變強(qiáng)度，被更加廣泛的用作高負(fù)荷工作環(huán)境下的氣瓶材料，34CrMo4材料具有廣泛的應(yīng)用前景和適用范圍。本文以氣瓶的主要失效形式-疲勞斷裂為研究?jī)?nèi)容，詳細(xì)分析34CrMO4鋼質(zhì)CNG 氣瓶在疲勞斷裂中的主要原因，并在此基礎(chǔ)上提出在不改變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提下，通過(guò)對(duì)氣瓶熱加工工藝的改進(jìn)，提高34CrMO4鋼CNG氣瓶的整體性能，降低失效幾率，延長(zhǎng)工作壽命。
圖1展示了一個(gè)34CrMo4氣瓶（外徑為 準(zhǔn)56mm，壁厚為7.7mm，總長(zhǎng)為1555.6mm，彈性模量為210000 MPa， 泊松比為 0.3，最小抗拉強(qiáng)度為 950MPa，最小屈服強(qiáng)度為 820MPa）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。
氣瓶失效的主要形式是疲勞斷裂，而疲勞斷裂的大多數(shù)原因是由于在循環(huán)高壓應(yīng)力的工作環(huán)境中，氣瓶的內(nèi)部或外部發(fā)生細(xì)小的脆性變形，產(chǎn)生裂紋，隨著載荷次數(shù)的增加，變形裂紋加劇直至后期迫使 整體或局部發(fā)生斷裂。實(shí)驗(yàn)選用準(zhǔn)356 mm×7.7mm，Rm（最大拉伸強(qiáng)度）低于1100MPa 的 34CrMo4合金鋼氣瓶， 并按照ISO11120氣瓶標(biāo)準(zhǔn)和熱處理加工工藝規(guī)范進(jìn)行加工制造。但在氣瓶生產(chǎn)制造過(guò)程中，由于工藝差別、設(shè)備差別、人員操作等不可控因素影響，個(gè)別氣瓶的極限強(qiáng)度在遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求下便發(fā)生爆破。具體表現(xiàn)為：選用同批次的 準(zhǔn)356 mm×7.7 mm 的 34CrMo4 的調(diào)質(zhì)鋼瓶，在常溫下進(jìn)行周期性的壓力循環(huán)試驗(yàn)中（循環(huán)壓力 2～30MPa，循環(huán)頻次 4～6 次 /min），當(dāng)試驗(yàn)循環(huán)到 4800 次時(shí)，瓶體發(fā)生爆破失效，這與ISO9809-1-2010《可重復(fù)充裝鋼瓶設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)》 （調(diào)質(zhì)后抗拉強(qiáng)度小于1100MPa）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的“循環(huán)次數(shù)不小于 15000 次、只允許泄漏失效”的要求相矛盾。爆破失效圖如圖2所示。
針對(duì)爆破失效情況，通常可以通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或改善加工工藝兩個(gè)方面去提高氣瓶性能。就改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，增加設(shè)計(jì)壁厚會(huì)使封頭、筒體之間的焊接難度增大；另一方面，在氣瓶調(diào)質(zhì)過(guò)程中，因壁厚增大，內(nèi)外熱交換速率可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)差，造成瓶體在熱處理過(guò)程中發(fā)生蠕變畸形或氣瓶整體性能降低。故在現(xiàn)實(shí)規(guī)模化生產(chǎn)制造流程中，通常選用對(duì)熱加工工藝進(jìn)行改進(jìn)來(lái)提高氣瓶的強(qiáng)度。因此，需要對(duì)氣瓶的失效進(jìn)行具體的分析計(jì)算， 針對(duì)原因在熱加工過(guò)程中進(jìn)行工藝的改進(jìn)。
2 失效分析
當(dāng)材料的自身強(qiáng)度不足以支持氣瓶的實(shí)際載荷時(shí)，氣瓶將發(fā)生失穩(wěn)或失效。材料在實(shí)際的交變循環(huán)載荷壓力下產(chǎn)生微量的脆性裂紋， 隨著循環(huán)次數(shù)的增加，脆性裂紋擴(kuò)張加劇，使得材料強(qiáng)度不足以支持實(shí)際載荷而發(fā)生斷裂。疲勞失效的主要原因有以下兩大類(lèi)：幾何裂紋、表面狀態(tài)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等外部原因和組織、內(nèi)部缺陷、材料強(qiáng)韌化、熱處理狀況等內(nèi)部原因。以下將從材料外部的宏觀檢測(cè)來(lái)探究氣瓶失效的原因。
2.1 宏觀形態(tài)分析
宏觀形態(tài)的失穩(wěn)分析主要從斷裂口的表面缺陷和端口周邊幾何特征來(lái)進(jìn)行分析論證。
（1） 端口失效分析
氣瓶爆破失效破口的外貌見(jiàn)圖 2。對(duì)斷口周?chē)耐庥^進(jìn)行全面的目視檢查和低倍組織檢查，可知，斷裂處沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的表面缺陷或內(nèi)部缺陷， 這說(shuō)明氣瓶失效的原因與表面和內(nèi)部缺陷無(wú)關(guān)。
（2） 斷口及周邊厚度檢測(cè)分析
氣瓶鋼在鍛造過(guò)程中容易在圓柱區(qū)形成厚度減薄區(qū)，從而削弱材料的強(qiáng)度，造成在實(shí)際周期性循環(huán)載荷下的爆破失穩(wěn)。為此，對(duì)同批次發(fā)生失效的氣瓶的爆破邊和撕裂邊，進(jìn)行厚度檢測(cè)（軸向、環(huán)向均布4點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距約300mm）如圖2所示。其中爆破邊會(huì)因塑性變形出現(xiàn)明顯的減薄，經(jīng)檢測(cè)最薄處厚度為 7.1 mm，減薄量最大為 0.9 mm；撕裂邊及周邊的厚度最小為 7.86 mm，而疲勞試驗(yàn)前檢測(cè)氣瓶厚度最小為7.98 mm，故滿(mǎn)足設(shè)計(jì)最小壁厚7.7mm 的要求，說(shuō)明應(yīng)力集中區(qū)不是由于圓柱段厚度不夠造成的。
2.2 斷裂力學(xué)分析計(jì)算
由于宏觀觀測(cè)檢測(cè)不到明顯缺陷，需要對(duì)氣瓶細(xì)微裂紋進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)無(wú)損檢測(cè)，對(duì)人工缺陷和氣瓶表面、內(nèi)部的細(xì)小裂紋缺陷進(jìn)行檢查，從而進(jìn)一步判斷氣瓶失效原因。
（1） 人工缺陷規(guī)則化處理無(wú)損檢測(cè)是利用聲、光、磁或電等特性，在不損壞或不影響被檢對(duì)象使用性能的前提下， 檢測(cè)被檢對(duì)象中是否存在缺陷或不均勻性，由此給出缺陷的大小、位置、性質(zhì)和數(shù) 量等信息。按 照 GB/T5777-2008《無(wú)縫鋼管超聲波探傷檢驗(yàn)方法》C5 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求，鋼瓶無(wú)損檢測(cè)人工缺陷最大尺寸為 0.2 mm（深度）×40mm（長(zhǎng)度），其規(guī)則化處理結(jié)果如表 1。
下面計(jì)算材料表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度和極限等效裂紋尺寸，確定鋼瓶實(shí)際缺陷與人工缺陷間的關(guān)系。
（2）表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算
材料的裂紋強(qiáng)度因子KI是反應(yīng)裂紋剪短應(yīng)力強(qiáng)弱的重要物理參數(shù)。按照牛曼－瑞久（Newman－Raju）公式（1）可知表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度表達(dá)為：
修正系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 2。
在 30MPa 最高循環(huán)壓力時(shí)，氣瓶表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算如下：
式中：P 為鋼瓶 承載內(nèi)壓力，MPa；D 為鋼瓶圓筒 段內(nèi)孔直徑，mm；t 為鋼瓶圓筒段壁厚，mm。KI=30×340.6/15.4×(π×0.2×10-3)×0.5×1.1311=18.8（MPa）
在實(shí)測(cè)的 34CrMo4 鋼瓶材料 （950MPa≤Rm≤1099 MPa， Rp0.2≥820 MPa，Rp0.2/Rm≤0.95, A≥14% ， Rp0.2 為屈服強(qiáng)度；A 為伸長(zhǎng)率）， 其表面裂紋斷裂韌度 Kie 為 66MPa 。
因?yàn)?Kie＞KI，所以，鋼瓶實(shí)際缺陷在不大于人工缺陷時(shí)是安全的。
（3） 極限等效裂紋尺寸計(jì)算
在 30MPa 時(shí)鋼瓶的極限等效裂紋尺寸 （深度）計(jì)算如下：
式中：Kie=66MPa；P=30MPa；D=340.6×10-3m；t=7.7×10-3m。
可得：ā=2.462×10-3m
因?yàn)楱。綼， 所以鋼瓶實(shí)際缺陷在不大于人工缺陷時(shí)是安全的。
綜上，按照 GB/T 5777-2008《無(wú)縫鋼管超聲波探傷檢驗(yàn)方法》C5 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行探傷的鋼瓶，不會(huì)因材料表面或內(nèi)部的微小缺陷而發(fā)生爆破失效。所以?xún)?nèi)部細(xì)小的缺陷不會(huì)導(dǎo)致氣瓶的爆破失效。
2.3 顯微組織檢測(cè)
2.1 和 2.2 分析可知，宏觀缺陷和氣瓶細(xì)微缺陷不是氣瓶在承受高壓低循環(huán)次數(shù)載荷下發(fā)生爆破失效的原因， 即機(jī)械加工工藝的細(xì)微缺陷不是導(dǎo)致氣瓶失效爆破的原因。需要更深一步檢測(cè)是否因材料本身的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，導(dǎo)致氣瓶最終失效。
截取斷口處材料，對(duì)斷口處進(jìn)行了500倍顯微組織檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)構(gòu)如下：爆破邊組織見(jiàn)圖3（a），撕裂邊組織見(jiàn)圖3（b）。兩張圖對(duì)比發(fā)現(xiàn)爆破邊組織中存在有明顯的鐵素體，而撕裂邊組織是較均勻的回火索氏體。也就是說(shuō)，在爆破邊，出現(xiàn)了因奧氏體化不均勻的鐵素體，但是鐵素體在爆破區(qū)的存在是否降低氣瓶的整體強(qiáng)度并最終導(dǎo)致氣瓶失穩(wěn)，還需要進(jìn)一步分析論證。下面對(duì)氣瓶失穩(wěn)區(qū)的爆破邊和撕裂邊進(jìn)行表面硬度檢測(cè)，并對(duì)同批熱處理的15件氣瓶進(jìn)行失效試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證推斷的正誤。
2.4 斷口表面硬度檢測(cè)
根據(jù)氣瓶設(shè)計(jì)要求，其抗拉強(qiáng)度為 950MPa～1099MPa（換算成硬度為30.5HRC～35.5HRC）。現(xiàn)將存在的斷口爆破邊和撕裂邊進(jìn)行處理，分別用電火花線(xiàn)切割，去除45°斜邊并磨平，進(jìn)行表面硬度檢測(cè)（間距7mm），數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。分析可知，爆破邊的硬度最低為25 HRC、最高30 HRC、平均27.7HRC，換算成抗拉強(qiáng)度為890MPa，比設(shè)計(jì)要求最小抗拉強(qiáng)度的保證值950MPa低了60MPa。由此可推斷，滲 碳體的聚集降低了爆破區(qū)的硬度，與氣瓶失效有關(guān)。
2.5 失效實(shí)驗(yàn)
鐵素體的聚集存在主要是由熱加工工藝導(dǎo)致的。熱處理加工過(guò)程的調(diào)質(zhì)溫度控制不均會(huì)導(dǎo)致氣瓶周身受熱溫度和冷熱交換速率不均勻，從而導(dǎo)致氣瓶金屬的相變組織轉(zhuǎn)變不徹底，降低了整體強(qiáng)度，導(dǎo)致氣瓶不能承受實(shí)際的循環(huán)載荷并發(fā)生失穩(wěn)爆破。下面從水壓試驗(yàn)和爆破試驗(yàn)，對(duì)材料的屈服極限和爆破強(qiáng)度進(jìn)行分析。
水壓試驗(yàn)裝置設(shè)置如圖4所示。根據(jù)外側(cè)法30MPa的試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 同批熱處理的15件34CrMo4鋼瓶中，其殘余變形率最大達(dá)到了16%，大大的超出設(shè)計(jì)范圍，這說(shuō)明在30MPa的水壓試驗(yàn)中，瓶體已發(fā)生了部分塑性變形。結(jié)合2.3和2.4分析，大規(guī)模發(fā)生氣瓶爆破與熱處理加工工藝有關(guān)。
經(jīng)排查熱處理加工工藝后發(fā)現(xiàn)，本系列 4 件同批熱處理的調(diào)質(zhì)鋼瓶，其水壓爆破極限值，按照公式[2] 計(jì)算的爆破斷口抗拉強(qiáng)度分別為 950 MPa、926MPa、892MPa、877M Pa，其中有2件的抗拉強(qiáng)度明顯偏低，偏差最大的比設(shè)計(jì)要求的最小抗拉強(qiáng)度保證值950MPa 的低了73MPa。
綜上所述，在熱處理加工過(guò)程中會(huì)因調(diào)質(zhì)過(guò)程的不當(dāng)， 即氣瓶材料在正火處理后的奧氏體不能完全轉(zhuǎn)變成馬氏體，氣瓶?jī)?nèi)部會(huì)夾雜強(qiáng)度較低的珠光體和貝氏體組織，造成其低溫沖擊韌性和斷裂韌性較低。氣瓶用鋼屬于亞共析鋼，淬火加熱溫度一般為Ac3+（30+50）℃。但如果亞共析鋼在 Ac1～Ac3 之間加熱，加熱時(shí)組織為奧氏體和鐵素體兩相，在淬火冷卻后，組織中除馬氏體外，還保留一部分鐵素體，這將嚴(yán)重降低鋼的強(qiáng)度和硬度[12-14]，導(dǎo)致氣瓶在圓柱區(qū)形成局部低強(qiáng)度區(qū)域，從而使材料的局部屈服強(qiáng)度小于理論設(shè)計(jì)值。致使每一次的壓力循環(huán)之后微小塑性變形量的逐次累積，當(dāng)材料的強(qiáng)度和韌性不足以支持實(shí)際的應(yīng)力水平時(shí)，34CrMo4 CNG 氣瓶將發(fā)生爆破失效。所以，需要對(duì)調(diào)質(zhì)過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)，提升氣瓶的整體性能，降低失效幾率。
3 工藝改進(jìn)
氣瓶瓶口采用的是密封焊接處理，鋼瓶在進(jìn)入淬火介質(zhì)時(shí)，其表面會(huì)因高溫沸騰，在接觸介質(zhì)的表面形成蒸汽膜，使固液界面處的熱量不能快速交換并擴(kuò)散，造成內(nèi)外熱擴(kuò)散速率不均勻，金屬相變的驅(qū)動(dòng)力不足，金屬奧氏體轉(zhuǎn)化不完全，導(dǎo)致材料強(qiáng)度下降。因此，為了提高冷凝效果，從兩個(gè)方面提出了改進(jìn)措施：
（1） 在淬火槽中加入一套介質(zhì)攪拌機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，提高介質(zhì)的流動(dòng)性，增大熱量傳遞速率，讓瓶?jī)?nèi)熱量盡快散失。
（2） 將冷卻介質(zhì)由常見(jiàn)的 NaCl 溶液換為 PAG（PolyalkyleneGlycol，聚烷撐乙二醇）介質(zhì)，提高鋼材的淬硬能力，從而使鋼材的強(qiáng)度和硬度大大提高[15]。
4 結(jié)論
（1） 改進(jìn)工藝后的試驗(yàn)檢測(cè)過(guò)程中，34CrMo4氣瓶爆破失穩(wěn)最小值提升了41.5%，氣瓶拉伸強(qiáng)度平均值比之前提高了37.5%，批次的殘余變形率降到0%。氣瓶整體性能大大提升，達(dá)到理想目標(biāo)。
（2） 在淬火階段，材料表面暴沸產(chǎn)生隔絕氣膜，使淬火過(guò)程的馬氏體化不均勻，調(diào)質(zhì)過(guò)后仍有鐵素體的存在降低了材料的優(yōu)質(zhì)性能：為了改善這一現(xiàn)象，可以通過(guò)在淬火過(guò)程中加入壓縮空氣攪拌機(jī)構(gòu)，適當(dāng)提高材料的冷卻速度來(lái)加速金 屬材料相變速率，從而提升產(chǎn)品強(qiáng)度、硬度、耐壓性、韌性等金屬力學(xué)性能。
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