杨茂森, 余孟栗, 彭著洋, 干 兵, 王 莉

(四川省特种设备检验研究院, 成都 610100)

无缝气瓶是一种可重复充装压缩气体或高压液化气体的钢瓶，被广泛应用于工业、医疗等领域。无缝气瓶的生产工艺一般为：钢管厂先采用“管坯-加热-穿管-轧制-定径”等工序生产气瓶用无缝钢管；气瓶厂采用无缝钢管作为坯料，经过热旋压收口收底成型、正火处理等工序，最终加工成无缝气瓶[1]。在对某气瓶进行常规超声测厚时，发现其局部位置厚度异常，故对该气瓶壁厚异常部位进行超声检测，以确定缺陷分布位置和深度，再采用化学成分分析、金相检验、能谱分析等方法，确定了缺陷的类型，分析了缺陷产生的原因。

1 理化检验

1.1 超声检测

该气瓶规格(外径×长度×壁厚)为219 mm×1 200 mm×5.7 mm，材料为37Mn钢。参照NB/T 47013.3—2015 《承压设备无损检测 第3部分：超声检测》标准规定的脉冲反射法超声检测对瓶体壁厚异常部位进行检测，超声检测灵敏度为50%+10 dB，采用双晶探头，探头频率为5 MHz，探头角度为0°，探头直径为10 mm。气瓶不同位置的超声检测结果如图1所示。图1a)中，缺陷波当量较低，内表面底波反射当量较高，较无缺陷处底波高度变化不大，说明该处缺陷面积较小；图1b)中，缺陷反射波高度大于底波，底波高度降低明显，说明该处缺陷面积较大，但仍小于超声波声束截面面积；图1c)中，底波完全消失，仅有缺陷反射回波，该处缺陷面积较大，且大于超声波声束截面面积。

图1 气瓶不同位置的超声检测结果

经超声检测判断，缺陷总体呈现出分层特征，缺陷在气瓶的位置如图2所示。由图2可知：缺陷沿瓶体轴向分布，呈长条状，长为180 mm，宽为40 mm，面积约为7 200 mm2。整个缺陷在气瓶厚度方向上的位置一致，角度与外表面约为0°，但不同位置缺陷反射当量大小不一致。该气瓶其余位置经检测未发现有类似分层缺陷。

图2 缺陷在气瓶的分布位置示意

1.2 化学成分分析

用直读光谱仪对37Mn钢无缝气瓶材料进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：该气瓶用37Mn钢的化学成分符合GB/T 18248—2008 《气瓶用无缝钢管》标准的要求[2]。

表1 37Mn钢无缝气瓶的化学成分分析结果 %

1.3 金相检验

采用4%(体积分数)的硝酸酒精溶液对气瓶分层缺陷附近材料侵蚀后进行金相检验。该气瓶材料的显微组织如图3所示，由图3可知：气瓶材料组织为珠光体+铁素体，组织无异常，未见明显带状组织[3-4]。

图3 37Mn钢无缝气瓶的显微组织

沿气瓶周向切取的1#试样局部区域的缺陷处微观形貌如图4所示。由图4可知：缺陷处含有大量的非金属夹杂物[5-6]，非金属夹杂物距气瓶外表面约0.6～0.7 mm，长度较长，厚度较小，以条状、断续条状平行于外表面，沿瓶体周向分布。

图4 1#试样(周向)局部区域的缺陷处微观形貌

1#试样的非金属夹杂物微观形貌如图5所示。由图5可知：大量的颗粒状夹杂物沿周向分布，颗粒物大小为2 μm～5 μm，具有B类(氧化铝类)夹杂物的特征[7]。

图5 1#试样(周向)非金属夹杂物微观形貌

图6为沿气瓶轴向切取的2#试样非金属夹杂物微观形貌。由图6可知：非金属夹杂物沿瓶体轴向(钢管轧制方向)，且平行于外表面呈条状、链状分布，贯穿整个2#试样。非金属夹杂物距瓶体外表面约0.6～0.7 mm，厚度为5 μm～70 μm。

图6 2#试样(轴向)非金属夹杂物微观形貌

1.4 能谱分析

对两组试样中的非金属夹杂物进行能谱分析，结果如图7～9所示。由图7～9可以看出：夹杂物呈条状、颗粒状分布，条状夹杂物中包含有块状或颗粒状夹杂物。能谱显示两组试样的夹杂物成分基本相同，主要元素为O和Al，还含有Ca，Ti和Mg等元素，但含量相对较少。表明该处分层缺陷由氧化物类夹杂物组成，主要为Al2O3和少量CaO，MgO，TiO2组成的复合夹杂物[8-9]。

图7 1#试样夹杂物能谱分析位置1及其能谱图

图8 1#试样夹杂物能谱分析位置2及其能谱图

图9 2#试样夹杂物能谱分析位置及其能谱图

2 综合分析

综上所述，该气瓶分层缺陷主要由Al2O3和少量的CaO，MgO，TiO2的复合夹杂物组成，该夹杂物具有一定的厚度，且造成气瓶两侧基体金属分离，故在常规壁厚检测时其厚度异常减少，超声检测时体现为分层特征。

在管坯的冶炼、浇注过程中，Al2O3，CaO，MgO，TiO2等为脱氧产物以及熔渣成分，当工艺控制不当时，上述氧化物不能及时从钢水中上浮排出，往往以非金属夹杂物的形式残留在钢中。无缝钢管在穿管、轧制过程中，复合夹杂物在外力的作用下发生变形，并进一步被拉长压扁，最终沿钢管轧制方向以面状分布在钢管基体内部。

当钢管材料存在非金属夹杂物等缺陷时，瓶体的结构不连续会导致局部应力集中，这会降低钢材的塑性、韧性以及抗疲劳性能，特别是在气瓶反复充装后，缺陷处瓶体疲劳开裂敏感性大大增加，因此，在生产无缝钢管时，气瓶用钢管制造企业应当严格按照相关标准要求，对气瓶进行检验，保证无缝钢管的品质。

3 结语

(1) 该气瓶缺陷是由残留在钢中的Al2O3和少量的CaO，MgO，TiO2等复合夹杂物组成的。

(2) 无缝钢管生产企业以及气瓶生产企业应当严格按照相关标准要求对气瓶进行检验，以确保其品质。