李 桐，金明哲，駱 輝，王學敏

(1.北京科技大學，北京 100083；2.中國特種設備檢測研究院，北京 100029)

0 引言

長管拖車是一種移動式壓力容器，主要用于盛裝壓縮天然氣，為管道鋪設不便地區(qū)和城市交通應用天然氣提供儲運保障，現(xiàn)在國內(nèi)市場保有量14 000余臺。長管拖車(如圖1所示)主要由數(shù)只大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶通過管路連接組裝而成，設計工作壓力一般為20 MPa，容積約18～30 m3，主要用于盛裝高壓易燃易爆氣體，因此，長管拖車在使用過程中的安全性尤為重要。據(jù)統(tǒng)計，每年都會發(fā)生數(shù)起長管拖車火災事故，對于出現(xiàn)火災事故的長管拖車氣瓶，目前的檢驗檢測手段單一且不能給出明確的評定結果。因此，針對火災事故后受火的長管拖車氣瓶安全狀態(tài)的判定，需要一種有效的評價方法。

圖1 長管拖車

目前，對于壓力容器經(jīng)歷火災后合于使用評價的研究，主要集中在固定式壓力容器。丁發(fā)興等[1]研究了Q235鋼高溫后的力學性能；多位學者[2-10]研究了鍋爐、容器用鋼受溫度影響后的力學性能及組織變化規(guī)律?？梢姡瑢τ阱仩t、容器用鋼經(jīng)歷高溫后安全性的研究多集中在鍋爐、容器常用材料，而對于移動式壓力容器受火后安全性的研究，現(xiàn)有研究多集中在容器本體及安全附件在受火過程中的熱響應規(guī)律。古晉斌等[11]使用FLUENT軟件模擬計算了輪胎火災環(huán)境下長管拖車氣瓶的熱響應過程；趙保頔等[12]研究了火災環(huán)境下CNG長管拖車泄壓裝置的響應規(guī)律。對于長管拖車氣瓶用材料在受火后安全性的研究鮮有報道。

本文針對長管拖車氣瓶用材料4130X鋼，進行不同熱暴露溫度、不同保溫時間和不同冷卻方式的熱處理手段來模擬受火條件，對各模擬條件下的氣瓶材料進行拉伸、沖擊、硬度等力學性能測試，并觀察對應狀態(tài)下的金相微觀組織，對關鍵熱暴露溫度狀態(tài)進行精細化微觀組織特征觀察分析，研究微觀組織在不同受火條件下的變化規(guī)律，為今后發(fā)生火災事故長管拖車氣瓶的檢驗與評價提供參考。

1 試驗

1.1 試驗材料

本試驗材料取自長管拖車氣瓶用鋼材4130X，其化學成分如表1所示，材料原始熱處理狀態(tài)是由氣瓶經(jīng)過950 ℃淬火后、650 ℃高溫回火得到的調(diào)質(zhì)組織，微觀組織為高溫回火索氏體。

表1 4130X鋼的化學成分

1.2 模擬不同熱暴露條件下試樣的制備

由于長管拖車氣瓶在火災事故中瓶壁溫度所能達到的實際溫度未知，因此模擬熱暴露溫度分別設置了550,650,700,730,750,770,800,850 ℃等溫度。在各溫度下的保溫時間分別為30 min,1 h,2 h。又因長管拖車發(fā)生火災通常會采取噴水冷卻或者自然冷卻兩種方式處理，所以本研究選取了空冷和水冷兩種冷卻方式。根據(jù)4130X鋼的化學成分，通過Thermal calc 軟件計算得出材料奧氏體化轉變溫度在750 ℃附近，如圖2所示。因此，模擬溫度在750 ℃附近設置了730,750,770 ℃三個溫度點，所有模擬熱暴露溫度進行空冷冷卻方式，針對模擬熱暴露溫度為700,750,800,850 ℃試樣增加水冷的冷卻方式。

BCC-體心立方結構；FCC-面心立方結構。

試驗采用高溫箱式電阻爐進行熱處理，樣坯取自長管拖車氣瓶，切割成170 mm×85 mm樣坯，在室溫下置于電阻爐內(nèi)，然后升溫至預定溫度，保溫預定時間，取出后，按照不同冷卻方式冷卻至室溫。

1.3 力學性能試驗

將不同熱暴露溫度下制備的試樣進行拉伸試驗，拉伸試驗選用圓形棒狀試樣，形狀和尺寸如圖3所示，每個狀態(tài)沿氣瓶的環(huán)向和軸向各制備2根拉伸試樣。根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，在萬能材料試驗機上進行拉伸試驗，所有試樣均使用引伸計。

圖3 拉伸試樣結構尺寸

將不同熱暴露溫度下制備試樣進行沖擊試驗，沖擊試樣加工尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，每個狀態(tài)沿氣瓶的縱向和橫向各制備3根試樣。根據(jù)GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》，在擺錘式?jīng)_擊試驗機上進行沖擊試驗，試驗溫度為-40 ℃。根據(jù)GB/T 231.1—2009《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，進行布氏硬度測定。

1.4 微觀組織觀察

將各狀態(tài)的試樣經(jīng)砂紙磨光、機械拋光后，用4%的硝酸酒精侵蝕后，根據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》,進行顯微組織觀察，記錄金相照片；并對650～850 ℃等熱暴露溫度試樣在掃描電鏡下進行微觀組織形貌觀察；考慮到相變轉變溫度在750 ℃附近，因此對650～750 ℃等熱暴露溫度試樣在透射電鏡下進行觀察。

2 試驗結果及分析

2.1 經(jīng)歷不同熱暴露溫度后材料力學性能變化

長管拖車氣瓶的制造在國內(nèi)主要有5家制造企業(yè)，對于長管拖車氣瓶制造的力學性能指標有各企業(yè)的制造標準，與GB/T 33145—2016《大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶》中各項力學性能的指標對比如表2所示，表中企業(yè)名稱以代號表示。

表2 大容積鋼制無縫氣瓶制造力學性能指標

材料的屈服強度和抗拉強度隨熱暴露溫度變化如圖4所示?？梢钥闯?，采用空冷方式冷卻時，屈服強度在熱暴露溫度低于650 ℃時，與原始狀態(tài)相比無明顯變化；從650～800 ℃時，屈服強度逐漸減低，在800 ℃時，屈服強度低至400 MPa附近，不符合GB/T 33145—2016《大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶》及企業(yè)制造標準要求，之后，屈服強度隨著熱暴露溫度升高，屈服強度再次升高；抗拉強度在熱暴露溫度低于650 ℃時，與原始狀態(tài)相比無明顯變化，在700 ℃時，已經(jīng)低于700 MPa，不符合GB/T 33145—2016及企業(yè)制造標準，800 ℃之后，隨著熱暴露溫度升高再次升高。采用水冷方式冷卻時，700 ℃屈服強度與空冷狀態(tài)700 ℃時，屈服強度差別不大，750 ℃之后，隨著熱暴露溫度的升高而升高；而抗拉強度自750 ℃起，已經(jīng)超出標準要求。

(a)橫向屈服強度

經(jīng)歷各熱暴露溫度后，氣瓶材料-40 ℃沖擊韌性變化見圖5。可以看出，采用空冷方式冷卻時，沖擊韌性在熱暴露溫度低于770 ℃時，與原始狀態(tài)相比無明顯變化，超過800 ℃后，沖擊韌性不符合標準要求。采用水冷方式冷卻時，沖擊韌性在熱暴露溫度低于700 ℃時，與原始狀態(tài)相比無明顯變化，高于770 ℃后，沖擊韌性不符合標準要求。

(a)橫向沖擊韌性

經(jīng)歷各熱暴露溫度狀態(tài)后，氣瓶材料硬度變化如圖6所示。可以看出，采用空冷方式冷卻時，材料的硬度在熱暴露溫度低于650 ℃時，與原始狀態(tài)相比無明顯變化，熱暴露溫度從650～750 ℃時硬度逐漸降低，之后，隨著熱暴露溫度升高硬度再次升高。采用水冷方式冷卻時，材料的硬度在熱暴露溫度低于750 ℃時，與原始狀態(tài)相比無明顯變化，熱暴露溫度高于770 ℃后，硬度值超出標準要求范圍。

(a)空冷后

結果表明，空冷狀態(tài)下，屈服強度在750～800 ℃時，不符合標準要求；抗拉強度在700～800 ℃時，不符合標準要求；沖擊韌性在800～850 ℃時，不符合標準要求。 水冷狀態(tài)下，屈服強度高于750 ℃不符合標準要求；抗拉強度高于700 ℃不符合標準要求；沖擊韌性高于750 ℃不符合標準要求；硬度高于800 ℃不符合標準要求。

2.2 經(jīng)歷不同熱暴露溫度后材料微觀組織變化

長管拖車氣瓶材料4130X鋼原始狀態(tài)及各熱暴露溫度狀態(tài)下金相組織變化如圖7，8所示。長管拖車氣瓶材料4130X鋼原始熱處理狀態(tài)的金相微觀組織主要為回火索氏體。

圖7 原始狀態(tài)的金相組織

圖8 經(jīng)歷不同熱暴露溫度下，不同冷卻方式后的金相組織

可以看出，在空冷狀態(tài)下，熱暴露溫度在700 ℃以下的金相微觀組織主要為回火索氏體，隨熱暴露溫度升高至730 ℃過程中，白色條塊狀鐵素體明顯減少甚至消失，750 ℃開始出現(xiàn)島鏈狀珠光體組織，770 ℃時珠光體組織長大，伴隨鐵素體和貝氏體組織出現(xiàn)，800 ℃時鐵素體組織成塊狀與珠光體交錯分布并伴有貝氏體，850 ℃時出現(xiàn)珠光體和針片狀魏氏組織。

在水冷狀態(tài)下，熱暴露溫度在700 ℃時的金相微觀組織與原始組織對比，條塊狀鐵素體明顯減少甚至消失，與空冷狀態(tài)700 ℃時組織類似，750 ℃有針狀馬氏體出現(xiàn)，800 ℃開始出現(xiàn)板條狀馬氏體，850 ℃狀態(tài)下馬氏體板條組織明顯。

針對650～850 ℃等狀態(tài)及原始狀態(tài)進行SEM觀察，組織變化如圖9所示。可以看出，在空冷狀態(tài)下，熱暴露溫度在650～700 ℃時，形貌與原始狀態(tài)形貌類似；700 ℃時，組織形貌更加均勻；750 ℃時，形貌開始出現(xiàn)針片狀組織；800 ℃時，出現(xiàn)成塊狀分布組織；850 ℃時，在塊狀組織中又出現(xiàn)少量片狀組織。

在水冷狀態(tài)下，熱暴露溫度在700 ℃時，形貌與空冷狀態(tài)700 ℃時類似;750 ℃時，形貌有明顯變化，出現(xiàn)馬氏體；800，850 ℃時，均為馬氏體組織。

為進一步了解組織隨熱暴露溫度升高所產(chǎn)生的變化，針對750 ℃以下的幾個狀態(tài)進行了TEM觀察，如圖10所示?？梢钥闯觯诳绽錉顟B(tài)下,700 ℃時的組織內(nèi)部位錯數(shù)量和密度和650 ℃相比減少了，750 ℃時，片層狀組織消失。在水冷狀態(tài)下，在700 ℃時的組織與空冷狀態(tài)組織類似；750 ℃時，出現(xiàn)明顯的板條狀馬氏體組織。

圖10 經(jīng)歷不同熱暴露溫度、不同冷卻方式后的TEM觀察

長管拖車氣瓶材料原始組織狀態(tài)為調(diào)質(zhì)組織高溫回火索氏體，組織中存在條塊中鐵素體和滲碳體，在低于730 ℃時，整體組織未發(fā)生相變，隨著熱暴露溫度的升高，組織中條塊狀鐵素體逐漸溶解至消失，從TEM中觀察到位錯密度隨溫度升高而減少。750 ℃時，從金相及SEM中觀察到有相變發(fā)生，說明組織進入奧氏體化階段。從750 ℃水冷狀態(tài)TEM中觀察到存在馬氏體，驗證了組織進入奧氏體化階段的說法。

結合力學性能的結果來看，在空冷狀態(tài)下，隨著熱暴露溫度的升高，到達730 ℃時之前的回火索氏體組織中條塊狀鐵素體逐漸變小，位錯密度減小，導致屈服強度和抗拉強度的下降；750 ℃時，已經(jīng)完全相變，開始出現(xiàn)島鏈狀珠光體組織，屈服強度和抗拉強度繼續(xù)下降；800 ℃時，組織為珠光體和塊狀鐵素體交錯組織，并伴有少量貝氏體出現(xiàn)，此時屈服強度和抗拉強度最低，且沖擊韌性明顯下降；850 ℃時，出現(xiàn)針片狀魏氏組織，屈服強度和抗拉強度有所提升，但沖擊韌性持續(xù)降低。在水冷狀態(tài)下；熱暴露溫度700 ℃時，各項力學性能與空冷對應狀態(tài)相差不大；750 ℃以上時，由于馬氏體的出現(xiàn)，抗拉強度和硬度也隨之上升，但沖擊韌性隨之下降。

最終，本文通過研究模擬火災條件下力學性能和微觀組織的變化，建立了微觀組織與力學性能的對應關系，在經(jīng)歷火災事故后長管拖車氣瓶不能進行破壞性試驗的前提下，判斷氣瓶材料火災后的力學性能是否符合相關標準，可依據(jù)現(xiàn)場金相組織對應力學性能，評價氣瓶的安全性，給出檢驗判定依據(jù)，對長管拖車氣瓶本體安全性能的判斷和評價提供參考數(shù)據(jù)。

3 結論

(1)在熱暴露溫度高于700 ℃后，不論冷卻方式是采用空冷還是水冷，長管拖車氣瓶材料的力學性能均出現(xiàn)不滿足GB/T 13445—2016及企業(yè)制造標準要求項。

(2)隨著熱暴露溫度的升高，長管拖車氣瓶材料原始組織中條塊狀鐵素體及位錯密度降低，判斷是材料力學性能下降的主要原因。

(3)在對發(fā)生火災事故的長管拖車檢驗評價時，可通過金相檢驗的結果與模擬火災各狀態(tài)金相顯微組織圖譜進行對比，結合對應力學性能，判斷長管拖車氣瓶性能是否滿足相關標準要求，為火災后長管拖車氣瓶的檢驗與評價提供參考。