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高压无缝气瓶的无损检测及标准化

发布日期:2014-11-20 16:09    浏览次数:

摘要 阐达了高压无缝气瓶无损检测的现况,指出无损检测是气瓶制造和在役检验的有效方法。

主题词 高压无缝气瓶 无损检测 标准化 超声波 声发射 测厚 表面检测
高压无缝气瓶是一种用量大、流动性强、承受循环载荷的压力容器,主要用于工业气体的储存和运输。据不完全统计,世界上投入使用的气瓶约有一亿五千万只,容量一般为10-15L,直径140-230mm ,壁厚3.0-14mm。高压无缝气瓶的质控通常由国家统一管理,目前已有扩大到洲际和国际共管的趋势,我国实行国家安全监察制度。由于高压无缝气瓶具有许多独特的性质,因此它的设计、选材、制造、检查和定期检验的标准和规范是自成体系的。60年代成立的安全监察机构和1983年成立的全国气瓶标准化技术委员会对此做了大量工作,制定了气瓶标准化体系,目前已完成国家标准77个和专业标准32个。随着气瓶安全监察和标准化的不断完善,以及行业的科技进步,我国的气瓶在各应用领域发挥了巨大的作用。
国内高压无缝气瓶的标准和规范主要有:GB5099钢质无缝气瓶、GB11640铝合金无缝气瓶、GB13004钢质无缝气瓶定期检验与评安、GB13077铝合金无缝气瓶定期检验与评定和气瓶安全监察规程等。过去传统上认为,无缝气瓶的最终质量(包括用材、设计、制造和用途等)均可用水压试验来保证。因此,在现行标准规范中,没有对无损检测的作用提出明确的规定和任何强制性的要求。但从1968年开始,在瑞士和一些工业发达国家的高压无缝气瓶发生了一系列灾难性事故,损失惨重。经分析发现,气瓶尽管经过了法定水压试验,但在没有明显外部影响条件下仍发生了爆炸,有力地证明目前的制造和在役使用标准体系是不完善的。水压试验当然重要,但不是万能的,无法保证临界缺陷的检出和阻止缺陷的扩展。同时对盛有高纯气体或强腐蚀介质的无缝气瓶来说,水压试验后气瓶的清理、置换和干燥也是令人头痛的问题,因此,高压无缝气瓶无损检测技术的研究和检测标准的制订及完善显然是当
务之急。
1 高压无缝气瓶的无损检测
高压无缝气瓶由于没有焊缝,不存在明显的薄弱环节,内壁缺陷难于检出,因此,与压力容器相比,其无损检测存在较大的困难。
综合国内外研究开发的成果,目前高压无缝气瓶的无损检测主要包括测厚、表面检测、超声检测和声发射检测。
1.1 测厚
测厚技术是一种较老的检测方法,虽然简单,但切实可靠。对制造过程中由各种原因造成壁厚偏差较大或严重腐蚀导致壁厚明显减薄以及标准规范中有要求的气瓶应进行壁厚测定,将所测得的最小壁厚值代入下式对气瓶进行强度校核。


若P满足不了要求,则该气瓶应报废或降压使用,
测厚方法应按JB74×××压力容器无损检测(待批)的规定进行。
1.2 表面检测
磁粉和渗透是传统的表面无损检测方法,用来检测制造和在役使用中产生的表面缺陷。磁粉检测主要用于检测钢制无缝气瓶的表面和近表面缺陷;而渗透检测则主要用于检测铝或其它材料制的无缝气瓶表面开口缺陷。由于无缝气瓶的内壁无法用手触及,因此,钢制无缝气瓶的内壁缺陷,可按以下步骤检测。
1.2.1 对气瓶进行置换,并用压缩气体清洗内壁。
1.2.2 在气瓶内壁喷涂快干的白背景色。
1.2.3 对气瓶进行整体磁化,将搅拌好的磁悬液由气瓶口均匀地喷洒到内壁,并用光纤内窥镜观察和评定缺陷。
磁粉和渗透检测方法应参照压力容器无损检测的有关规定进行。
1.3 超声检测
超声检测是一种比较成熟的检测技术。目前,国内的气瓶制造和在役使用标准体系中,尚没有相对应的超声检测标准。而在国际上,尤其是在欧洲,已有一些工业化国家将超声检测列入有关的气瓶标准中强制执行。按实际用途大致有以下几种。
1.3.1 氢气瓶制造和定期检验中的超声检测
70年代初,在工业化国家,氢气瓶的损坏和失效相当严重,传统的制造和定期检验标准规范已不能有效保障安全。试验研究发现,氢气瓶的失效与缺陷的存在有关。在气瓶充放的周期循环应力作用下,达到某一极限尺寸的缺陷,会发生扩展,但通常速度缓慢。当存在氢时,在有缺陷部位将产生局部脆化效应。从而加速裂纹的扩展,导致气瓶的破坏和失效。这类缺陷可用超声检出。根据上述情况可得出如下结论。
1.3.1.1 氢气瓶内的缺陷可以,而且应该用超声检测来检出,其检测灵敏度应保证不漏掉任何危险性缺陷。
1.3.1.2 氢气瓶应进行核算和破坏性试验,以确定其寿命,通常充放次数不得超过7500次。
位于巴黎的工业气体委员会(IGC)将超声检测作为氢气瓶检查的限制性内容列入标准规范中。其检测灵敏度用带有深度为壁厚5%矩形槽的人工试样来校正。试样的材料和尺寸应与被检钢瓶相同,其形状如图1所示。自1976年以来,德国和部分欧洲国家对氢气瓶和较少使用的车载气瓶都用上述规范进行制造和在役检验,取得了满意效果,从而基本上解决了氢气瓶的安全问题。
1.3.2 超声检测在一氧化碳气瓶上的应用
60年代末,一些国家发现一氧化碳气瓶在水压试验或充装过程中会发生失效和爆炸。经分析,失效是由气瓶内的残余水和一氧化碳作用而产生的氢致应力腐蚀裂纹引起的。西欧各国通守长期试验研究得出如下结论。


1.3.2.1 增加无损检测要求,尤其是超声检测要求。超声检测灵敏度可按IGC规定的人工试样来校正,但应比氢气瓶的检测灵敏度提高8dB。大量的破坏机理试验证明,这样的灵敏度水平是适宜的。氢致应力腐蚀裂纹区域是可检出的。
1.3.2.2 应采用专门的方法保证气瓶内部干燥。
1.3.2.3 一氧化碳气瓶不得采用对氢致应力腐蚀裂纹敏感的材料制作。
目前,这种检测方法在德国和欧洲获得了大量应用,已成为气瓶标准规范中不可分割的部分。
1.3.3 超声检测代替水压试验
盛有强腐蚀或高纯介质的高压无缝气瓶,水压试验后内壁应进行干燥和清理,否则介质在瓶内遇水会发生爆炸。由于清理困难,因此,许多气瓶水压试验后不能再用于盛装这类介质,而用超声检测代替水压试验是有效的。
为了更有效地进行超声检测,应在以前工作基础上,深入进行有限元计算,搞清不同形状瓶底受力条件,找到薄弱环节,便于确定检测灵敏度。
1990年以来,采用这种替代所进行的在役检测和某些条件下的制造检验正在不断推广,目前已得到某些国家政府的认可。这种趋势必将导致压缩气体技术法则(TRG)的修改和补充,使现行的标准规范更加完善。
1.3.4 超声检测代替气瓶内壁目视检查
在讨论超声检测在气瓶上的各种应用时,有一点很值得注意,即用超声检测代替在役检测中的内壁目视检查。这样做可节省时间和费用,且残余气体不必置换和排清。但这种替代受到很大限制,大量试验数据表明,只有在满足下述条件的基础上,该方案才是可行的。
1.3.4.1 检测的目的旨在发现那些可能导致气瓶破坏或失效的缺陷。
1.3.4.2 气瓶内壁不得有任何制造和使用损伤,以及局部腐蚀。
1.3.4.3 充装介质应保证干燥和纯度,控制有害介质的含量。
1.3.4.4 制造日期应用统一限制,不得过长。
1.3.4.5 满足上述条件的被检气瓶应打上专用标志,以免混淆。
迄今为止,用超声检测代替在役检验中的内壁目视检查仍局限于很小范围内,但有不断扩大的趋势。至于能达到多大的范围,尚需做大量的工作。
1.3.5 超声检测系统
由于高压无缝气瓶量大面广,因此,用手工扫查远不能满足要求。为了解决这个问题,下面将简介目前国外使用的一套气瓶超声检测系统(瑞士)的主要性能。
1.3.5.1 利用可倾斜的转动平台能将被检气瓶置放于合适的位置。
1.3.5.2 能使带有5个探头的夹持架沿气瓶表面进行扫查(图2)。其中4个探头用于轴向或周向缺陷扫查(5MHz、a=42°-45°),1个探头用于层状缺陷检测和测厚(5MHz、a=0°)。
1.3.5.3 声波通过一段短水程后进入气瓶,瓶体上的缺陷(腐蚀、裂纹、拉伤等)将在电子评价系统荧光屏上产生视觉或声觉报警信号。根据缺陷所在位置和反射波的特性,可对缺陷的危害性进行评价(图3)。


1.3.5.4 检测灵敏度的调整在人工试样上进行,它是由与被检气瓶相同尺寸、相同材料的一段茼节上加工4个矩形槽制成的,其形状见图1,矩形槽的深度为壁厚的5%。
超声检测方法可参照“压力容器无损检测”中筒形锻件、高压无缝钢管、钢焊缝或铝焊缝的超声检测方法执行。
1.4 声发射检测
声发射检测技术是近年发展起来的一门动态无损检测方法,用于高压无缝气瓶水压或气压试验时的监控,发现承压载荷下的活动性危险缺陷。更加可靠保障高压无缝气瓶的安全使用。
高压无缝气瓶用材多属高强低韧性或中强低韧性钢,断裂韧性值较低。裂纹尖端一旦屈服即产生起裂信号(基频范围为100-400kHz),若再加载,气瓶就会产生破裂或失效,大量的试验研究得出如下结论。
1.4.1 等效裂纹尺寸越大,壁厚剩余值越小,应力应变值就越高,声发射信号就越易从该处释放。
1.4.2 声发射检测可在较低应力水平上,即低于水压或气压试压力下,检出危害气瓶安全的活动性缺陷,尤其是扩展期的裂纹。
近年来,我所通过对钢制高压无缝气瓶材料(16MnR、20g、30CrMnSi、30CrMo4和15MnMoVR等)的声发射特性、波形和频谱特性的试验研究,以及带有人工缺陷气瓶的加压系统试验,取得了大量数据。在此基础上制订了JB/TQ753在役压力容器声发射检测方法和JB×××军用高压气瓶声发射检测评定方法(待批)两个标准,初步解决了高压无缝气瓶的声发射检测问题。材料屈服应力小于800MPa的钢制高压无缝气瓶的声发射检测方法可按JB/TQ753的规定进行,材料屈服应力大于等于800MPa或屈强比大于等于80%的钢制高压无缝气瓶的声发射检测方法应按后一标准的规定进行。1987年以来,我所对西昌卫星发射基地228个车载高压无缝氦、氮气瓶和2个球形气瓶进行了声发射检测的推广应用,如图4所示。检测方案主要采用声发射检测、常规无损检测和安全评定结合的方法。即在气瓶的在役检验过程中,对气瓶水压或气压试验进行监控,检出活动性危险缺陷区域。然后,用常规无损检测方法对声发射信号发生部位重点检测,以确定缺陷的位置、尺寸、尤其是自身高度,并根据CVDA-84压力容器缺陷评定规范进行评定计算,定出安全使用年限。现场检测声发射仪器的配置接口示意图如图5。被检气瓶经过一个检验周期的现场使用,至今运行良好,获得用户一致好评。实践证明,声发射检测是高压无缝气瓶的有效检测方法,对保障气瓶的安全具有十分重要的意义。存在的不足是:对铝制高压无缝气瓶来说,试验数据比较少,工作尚不深入,至今仍停留在实验室阶段,有待进一步深入。


2 结束语
60年代末、70年代初发生的一系列高压无缝气瓶失效和爆炸事故,导致对气瓶的质量保证体系的重新认识和评价。通过大量的试验研究和理论分析,证明无损检测作为一种有效手段,在气瓶制造和在役检验中超着极其重要的作用。世界上主要工业发达国家在积累大量的数据和足够的实践经验基础上,已经或很快要将无损检测列入高压无缝气瓶的制造和在役检验规范和标准中,作为限定条文强制执行。国内这方面的工作做得还很不够,与国际先进水平差距还较大,也应加速开展这方面的研究,为保障高压无缝气瓶的安全使用,健全和完善气瓶的标准体系,赶上世界先进水平做出贡献。