張紅星

(嘉興市特種設(shè)備檢測(cè)院)

制造缺陷對(duì)車(chē)用氣瓶安全性能的影響

張紅星*

(嘉興市特種設(shè)備檢測(cè)院)

討論了車(chē)用氣瓶制造過(guò)程中常見(jiàn)的缺陷、產(chǎn)生原因和對(duì)氣瓶質(zhì)量安全的影響，并對(duì)各種缺陷給出了相應(yīng)的解決方法。

車(chē)用氣瓶 缺陷 質(zhì)量保證體系 監(jiān)督檢驗(yàn)

隨著我國(guó)汽車(chē)保有量的不斷增加，推廣燃?xì)馄?chē)不僅符合天然氣資源的經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略，還可有效應(yīng)對(duì)能源短缺和大氣污染[1]。近年來(lái)，車(chē)用壓縮天然氣瓶的生產(chǎn)廠家和制造數(shù)量增加非常迅速。此類(lèi)氣瓶具有承受高壓(20MPa)、車(chē)載移動(dòng)、工況復(fù)雜、承受疲勞載荷(1 5000次)以及事故危害大等特點(diǎn)，因此GB 24160《車(chē)用壓縮天然氣鋼質(zhì)內(nèi)膽環(huán)向纏繞氣瓶》和GB 17258《車(chē)用壓縮天然氣鋼瓶》中規(guī)定了設(shè)計(jì)和制造的基本程序和檢驗(yàn)要求。其中，一些環(huán)節(jié)和要求在制造過(guò)程中易被忽視，導(dǎo)致企業(yè)生產(chǎn)和管理不符合質(zhì)量保證體系運(yùn)行的要求，影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性，廢品率高，甚至?xí)斐刹缓细駳馄苛飨蛏鐣?huì)。

1 制度執(zhí)行不嚴(yán)格

氣瓶的設(shè)計(jì)和制造許可采用設(shè)計(jì)文件鑒定制度和型式試驗(yàn)制度，即每一種型式的氣瓶其設(shè)計(jì)文件均要經(jīng)過(guò)鑒定單位審批，然后按要求通過(guò)相應(yīng)的型式試驗(yàn)后方可生產(chǎn)，這一點(diǎn)已經(jīng)為制造單位普遍了解。但當(dāng)原有設(shè)計(jì)出現(xiàn)部分變更時(shí)，有的應(yīng)當(dāng)視為新設(shè)計(jì)，需要重新申請(qǐng)辦理設(shè)計(jì)文件更改鑒定，如容積和長(zhǎng)度變動(dòng)、瓶閥變更、制造工藝變更及端部形狀變化等。設(shè)計(jì)鑒定完成后，其中有的變更還需通過(guò)型式試驗(yàn)驗(yàn)證，合格之后方可生產(chǎn)。以上幾個(gè)因素容易被制造單位疏忽，導(dǎo)致文件型式覆蓋不全面，也常見(jiàn)設(shè)計(jì)文件鑒定和型式試驗(yàn)不及時(shí)及順序顛倒等，違反了《氣瓶設(shè)計(jì)文件鑒定規(guī)則》和《氣瓶型式試驗(yàn)規(guī)則》的相關(guān)規(guī)定。

2 組批混亂

氣瓶產(chǎn)品的生產(chǎn)和試驗(yàn)采用組批管理，即同一材料爐罐號(hào)、直徑、同一制造工藝、同一熱處理規(guī)范的連續(xù)爐可視為一批。車(chē)用氣瓶的組批數(shù)量為不超過(guò)200只(含破壞試驗(yàn)用氣瓶)。但在生產(chǎn)車(chē)間中較常見(jiàn)到組批混亂情況，表現(xiàn)為：材料管理不清、內(nèi)膽和氣瓶編號(hào)不及時(shí)、爐罐號(hào)不同混為一批、熱處理中斷混為一批等情況。每批氣瓶的產(chǎn)品完全不具同一性，即使抽樣檢驗(yàn)也不能代表該批所有產(chǎn)品的性能，無(wú)法進(jìn)行有效追溯，造成批量管理失控。

3 材料隱患

車(chē)用氣瓶的主要加工制造方法是管制氣瓶。無(wú)縫管的質(zhì)量在一定程度上決定了氣瓶的安全性能，其中影響較大的有內(nèi)壁劃痕、壁厚不均、組織偏析及裂紋等因素，需要在材料驗(yàn)收環(huán)節(jié)加強(qiáng)檢驗(yàn)質(zhì)量。內(nèi)壁劃痕對(duì)氣瓶的疲勞性能影響較大，試驗(yàn)表明，劃痕嚴(yán)重的氣瓶在疲勞試驗(yàn)6 000～8 000次即出現(xiàn)破裂，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。而材料組織偏析對(duì)產(chǎn)品的影響體現(xiàn)在力學(xué)性能方面，試驗(yàn)表明部分原材料組織偏析在熱處理后不能完全消除，對(duì)低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)較大影響，實(shí)際當(dāng)中曾有試驗(yàn)-50℃沖擊值僅為17J/cm2，經(jīng)重復(fù)熱處理后沖擊試驗(yàn)仍不能達(dá)到合格要求，最終導(dǎo)致數(shù)批氣瓶全部報(bào)廢，給企業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p失。

氣瓶的力學(xué)性能作為一個(gè)重要的指標(biāo)，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量具有決定性影響。為了追求氣瓶輕量化，很多廠家近年來(lái)均提高材料強(qiáng)度至950MPa。隨著材料抗拉強(qiáng)度的提高，對(duì)氣瓶性能帶來(lái)一定影響：一是高強(qiáng)度鋼在濕H2S應(yīng)力腐蝕環(huán)境下更易受損傷，故需要按S、P含量通過(guò)抗硫化物應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)；二是材料塑性下降，熱處理難度有所提高[4]，如不能及時(shí)調(diào)整熱處理工藝往往難以同時(shí)獲得理想的抗拉強(qiáng)度和屈強(qiáng)比，實(shí)際當(dāng)中試驗(yàn)數(shù)據(jù)不合格情況也較常見(jiàn)，對(duì)此制造廠應(yīng)引起重視，做好相應(yīng)的工藝技術(shù)準(zhǔn)備。

4 熱加工工藝缺陷

目前車(chē)用氣瓶制造以無(wú)縫鋼管收口收底方法較常見(jiàn)，熱旋壓成形時(shí)受中頻爐加熱溫度控制、工裝夾具跳動(dòng)及加工精度等因素影響，易在瓶底、瓶口形成皺折、裂紋、熔合不良、溝槽以及瓶底與筒身結(jié)構(gòu)不連續(xù)等各種缺陷[2]，尤其以刮板加工方法對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響更為嚴(yán)重。以上幾個(gè)常見(jiàn)缺陷均會(huì)對(duì)氣瓶質(zhì)量產(chǎn)生較大危害，造成應(yīng)力集中[3]影響氣瓶疲勞壽命。試驗(yàn)證明此類(lèi)缺陷氣瓶在壓力循環(huán)下不到10 000次即見(jiàn)破裂，且不符合“未爆先漏”(LBB)要求。

5 瓶閥錯(cuò)配

車(chē)用氣瓶閥門(mén)的型號(hào)、泄放面積作為氣瓶設(shè)計(jì)文件的一個(gè)重要部分已經(jīng)過(guò)詳細(xì)計(jì)算，其易熔塞-爆破片組合的泄放通徑面積必須大于計(jì)算所需面積，以保證在火災(zāi)溫升環(huán)節(jié)下能夠迅速泄壓，保證氣瓶安全。而在GB 17296《車(chē)用壓縮天然氣瓶閥》規(guī)定的表示方法中并不反應(yīng)瓶閥通徑，因此造成制造廠常會(huì)按型號(hào)辦理入庫(kù)手續(xù)而忽略通徑尺寸，往往導(dǎo)致出廠時(shí)瓶閥錯(cuò)配，尤其在大容積氣瓶中較為常見(jiàn)，為氣瓶安全埋下嚴(yán)重隱患。

6 纏繞層返修

復(fù)合氣瓶纏繞層會(huì)出現(xiàn)纖維裸露、分層、固化不良、機(jī)械損傷及氣泡等缺陷，此種情況只能通過(guò)纏繞層返修進(jìn)行修復(fù)。纏繞層固化以后難于剝離，故返修較為費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且容易損傷內(nèi)膽。因此制造單位需要制定專(zhuān)門(mén)的返修工藝，嚴(yán)格限定返修工裝、方法、修磨和檢驗(yàn)工序。為達(dá)到“內(nèi)膽加壓引起塑性變形，使氣瓶?jī)?nèi)部零壓力時(shí)纖維產(chǎn)生拉應(yīng)力”的效果，氣瓶經(jīng)過(guò)返修、重新纏繞以后還需再次進(jìn)行自緊和耐壓試驗(yàn)，這里產(chǎn)生一個(gè)新的問(wèn)題：返修之前已經(jīng)經(jīng)過(guò)自緊、耐壓試驗(yàn)的氣瓶，為達(dá)到設(shè)計(jì)要求再次自緊，這樣內(nèi)膽需要經(jīng)過(guò)兩次塑性變形，在GB 24160和ISO 11439中均未提及纏繞返修工序和相關(guān)要求，此種情況下殘余變形率應(yīng)該如何計(jì)算，對(duì)氣瓶的綜合性能影響也并不清楚，需要進(jìn)一步開(kāi)展研究和試驗(yàn)。

7 疲勞試驗(yàn)不準(zhǔn)確

車(chē)用氣瓶的疲勞試驗(yàn)為按批抽取樣瓶，如一型號(hào)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)連續(xù)10批以上達(dá)到一定要求，之后可適當(dāng)降低試驗(yàn)頻率，改為每10批抽一次，或每5批抽一次，制造單位如不能妥善對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行控制，在型號(hào)多、試驗(yàn)多的情況下常見(jiàn)疲勞試驗(yàn)漏做、錯(cuò)做。此外，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定疲勞試驗(yàn)時(shí)氣瓶升降壓循環(huán)速率為每分鐘不超過(guò)10次，有的操作人員為節(jié)省時(shí)間，私自加快試驗(yàn)速率，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果失真，其結(jié)果并不能證明該批氣瓶的真實(shí)疲勞性能。

8 結(jié)束語(yǔ)

列舉了車(chē)用氣瓶制造時(shí)常見(jiàn)的一些問(wèn)題及其對(duì)氣瓶安全質(zhì)量帶來(lái)的影響，涉及環(huán)節(jié)較多，如設(shè)計(jì)、工藝、材料、熱處理、檢驗(yàn)與試驗(yàn)以及不合格品控制等。一般來(lái)說(shuō)，車(chē)用氣瓶制造量大，工序多，加工難度較大，連續(xù)性強(qiáng)，每一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)偏差均會(huì)對(duì)下道工序乃至氣瓶最終質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，因此要兩個(gè)方面引起重視：對(duì)制造單位而言，應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到制造質(zhì)量保證體系的重要性，不斷提高質(zhì)量體系運(yùn)轉(zhuǎn)水平，加強(qiáng)人員能力，更新設(shè)備，改進(jìn)方法；對(duì)于車(chē)用氣瓶監(jiān)督檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)及監(jiān)檢人員而言，需仔細(xì)研讀相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的具體要求，深入現(xiàn)場(chǎng)，及時(shí)獲取第一手信息，才能準(zhǔn)確把握車(chē)用氣瓶制造過(guò)程質(zhì)量保證體系運(yùn)行存在的問(wèn)題并采取相應(yīng)措施，充分發(fā)揮第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的作用，保證監(jiān)檢質(zhì)量。

[1] 張紅星,江華生.車(chē)用壓縮天然氣氣瓶的研究概況[J].石油和化工設(shè)備, 2011,14(10):5～8.

[2] 許久勝.車(chē)用壓縮天然氣鋼瓶?jī)?nèi)膽縱向溝槽產(chǎn)生原因及對(duì)策[J].石油和化工設(shè)備, 2013,16(5):66～67.

[3] 張應(yīng)祿.車(chē)用天然氣纏繞氣瓶安全分析[J].天然氣工業(yè), 2009,29(4):102～104.

[4] 孫詠梅,黃貞益.35CrMo鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶的熱處理工藝研究[J].機(jī)械工程師, 2009,(8):37～38.

*張紅星，男，1975年8月生，工程師。浙江省嘉興市，314050。

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