第8章气瓶失效基础知识

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1、气瓶检验员（QP-1）培训教材 284 第 8 章 气瓶失效基础知识 8.1 概述 气瓶属于移动式压力容器，使用范围极其广泛，而且，所装介质多为易燃、易爆、有毒、腐蚀性 气体，一旦发生爆炸，不但其碎片和气体瞬间还原产生的冲击波伤害人员、摧毁房屋和设备，还会由 于气体的扩散而引起空间着火、爆炸和中毒，导致灾难性事故的发生，给经济发展和人民生命财产带 来严重损失，对社会安定造成巨大影响。 按照国际通用定义，“产品丧失其规定功能的现象称为失效”。气瓶的失效经常是由多方面原因造 成的。失效的主要来源包括设计、选材、制造工艺（特别是热加工工艺，例如，热冲孔、热收口、热 处理等） 、检查、试验、质量控制、

2、使用条件、气体充装、贮存状态但又都是由于气瓶的强度（包 括机械强度、抗化学腐蚀强度等）因素与应力（包括机械应力，残余应力等）因素和环境（介质和温 度等）因素不相适应所造成的。气瓶的失效是经常发生的，某些失效还往往带来生命财产方面的巨大 损失。气瓶的失效总是从气瓶上最不适应的部位开始，而且，气瓶失效的残体上，必然保留着失效过 程的迹象。所以，对气瓶失效模式的分析，对于气瓶定检项目的制定、检验方法的研究、合格标准的 确立，都是有着积极的推动作用。 8.2 气瓶失效常见几种模式 8.2.1 弹性失效弹性失效 气瓶的强度设计准则，既不是以塑性失效为判废准则（即要使瓶壁上应力最大点的材料进入屈服 阶段以

3、后，当塑性变形区不断扩展，直到整个瓶壁截面发生屈服，气瓶才算丧失其规定功能） ；也不是 以爆破失效为判废准则，而是以弹性失效为判废准则（即瓶壁受力最大点的应力强度（指筒体一次应 力）达到材料的屈服点（Rel）后，气瓶的环向残余变形限制在所用材料的弹性范围。 从国内外气瓶标准的有关规定进行分析，其特征不论是以容积残余变形率 ，还是以容积弹性变 形量 EE，作为气瓶定期检验中水压试验合格的评定指标，均要求气瓶在水压试验压力下不产生明显 的塑性变形。这是在用气瓶，特别是在用无缝气瓶在定检中判废的主要依据之一。 8.2.2 屈服失效屈服失效 气瓶内压会使气瓶产生可恢复的弹性变形，这是正常的现象。但当内

4、压增加到一定程度时，气瓶 便产生了不可恢复的变形塑性变形。 由于塑性变形而引起的失效，称之为屈服失效。其特征是失效气瓶存在着明显的塑性变形，如鼓 胀（圆周长超差） 、扭曲等变形特征。 塑性变形很容易判断，用肉眼即可看出。这一缺陷一般在气瓶外观初检阶段，便可剔出判废。 8.2.3 塑性断裂失效塑性断裂失效 第 8 章 气瓶失效基础知识 285 当气瓶所承受的实际应力大于该气瓶材料的屈服应力时，瓶体将产生塑性变形。如果实际应力进 一步增加，而该气瓶性能的塑性较好时，就可能发生塑性断裂。这种失效模式称为塑性断裂失效。 塑性断裂失效的特点是在气瓶断裂以前，有一定程度的塑性变形，其主要特征是： 1在裂纹

5、或断口附近有宏观塑性变形。例如：断口与气瓶表面呈 45角（或成 45角的剪切唇） 、 断口粗糙、色泽灰暗、呈纤维状。 2在断口上用扫描电镜观察，可见大面积的韧窝形貌。 3用高倍金相显微镜观察，裂纹或断口附近的金相组织，有明显的塑性变形层。 4气瓶一般无碎片或碎片很少。 5气瓶实际爆破压力接近计算爆破压力。 导致塑性断裂失效的主要原因有如下几种： 1超压、超温。 2因设计、制造或腐蚀造成壁厚不足。 3气瓶内部发生化学爆炸。 8.2.4 脆性断裂失效脆性断裂失效 根据气瓶在断裂前是否存在明显的塑性变形，可以把气瓶的所有断裂型式，分为塑性断裂与脆性 断裂两大类。我们把气瓶在断裂前，没有一定塑性变形的

6、失效，称之为脆性断裂失效。脆性断裂失效 的主要特征为： 1气瓶破坏时几乎无明显的塑性变形。断口呈金属光泽的结晶状，断口齐平，与主应力垂直，断 口的源区边缘没有剪切唇。裂纹起始于缺陷处或几何形状突变处。 2宏观观察断口，可见“人字纹”；用扫描电镜观察断口，可见河流花样或“冰糖块”状断口。 3气瓶常断裂成较多碎片。 4在低温的情况下容易发生。 5脆性断裂包括开裂和裂纹扩展两个阶段，开裂一般发生在材料韧性低的缺陷处，裂纹扩展 是指裂纹尖端处的材料应力超过材料的强度极限时，裂纹以极高的速度扩展导致气瓶发生脆性断 裂。 导致脆性断裂失效的主要原因有如下几种： 1低温导致材料韧性下降。 2材料本身存在如非

7、金属夹杂、裂纹等缺陷。 3热处理工艺失控。 4材料中 S、P 含量过高，应力腐蚀、晶间腐蚀等局部腐蚀。 塑性断裂失效和脆性断裂失效的分析，无论是对爆破试验合格与否的鉴别，还是对气瓶爆炸事故 的断口分析都是极为有用的。 8.2.5 疲劳断裂失效疲劳断裂失效 气瓶的反复充装，其实质是对气瓶的一种交变载荷。气瓶疲劳断裂交变裁荷的最大值，一般小于 气瓶主体材料的屈服应力，这就决定了气瓶的疲劳断裂是不会出现明显的塑性变形的。气瓶的疲劳断 裂过程，包括裂纹的萌生、扩展和最终瞬时断裂三个阶段。因此，气瓶的疲劳断裂是其交变载荷循环 作用的结果。 疲劳断裂失效：气瓶在反复交变载荷的作用下出现的金属疲劳破坏。一类

8、是通常所说的疲劳，是 气瓶检验员（QP-1）培训教材 286 在应力较低、交变频率较高的情况下发生的；另一类是低周疲劳，是在应力较高（一般接近或高于材 料的屈服极限）而应力交变频率较低的情况下发生的。由于介质的作用，可大大加速裂纹的扩展速率， 形成腐蚀疲劳断裂。 疲劳断裂失效的主要特征是： 1断口附近，宏观上没有塑性变形的痕迹。一般表现为低应力破坏。 2疲劳断裂是损伤的积累。为此，疲劳断裂的过程，一般时间较长。气瓶上的裂纹生成及其裂纹 长度、裂纹数量的增加是和气瓶承压时间成正比。 3疲劳裂纹的扩展，造成瓶壁有效厚度的减小，当达到某一临界尺寸时，剩余的瓶壁截面承受不 住气瓶内压所施加的载荷时，气

9、瓶将突然爆炸。所以，在气瓶的疲劳断口上，可以看到疲劳扩展区和 瞬断区。疲劳断裂一般为穿晶断裂。 4宏观断口较完整，呈瓷状或贝壳状，有疲劳弧线、疲劳台阶、疲劳源等。微观上裂纹一般没有 分支且裂纹尖端较钝，微观断口有疲劳条纹等。 疲劳断裂过程可分为裂纹形核和裂纹扩展两个阶段。裂纹扩展可分为疲劳扩展区和瞬断区。瞬断 区是裂纹扩展到一定程度后，由于材料的受力截面减小，当材料应力达到其强度极限时发生快速韧性 断裂的区域。 导致疲劳断裂失效的主要原因有如下几种： 1循环交变载荷，如气瓶的反复充装。 2由于结构不合理、缺陷造成的局部应力集中。 8.2.6 腐蚀失效腐蚀失效 气瓶腐蚀失效是指瓶体金属与周围介质

10、或瓶内介质之间发生化学（指腐蚀过程中，没有微电池产 生，只是由于纯化学作用而引起的损伤）或电化学（指腐蚀过程中有微电池产生，在其作用下腐蚀过 程加速）作用而遭到的破坏。这种失效模式，除应力腐蚀和氢脆具有突发性失效特征以外，大都分腐 蚀失效是伴随着气瓶的外观变化而逐渐进行的。所以，不易受到人们的重视。 应力腐蚀是指气瓶在腐蚀介质中，受拉应力的作用，同时，又有电化学腐蚀而造成的瓶体迅速开 裂。气瓶在腐蚀和应力同时作用下产生的断裂叫应力腐蚀断裂，是由于特定的金属和腐蚀介质组合， 在应力（特别是拉应力）的作用下产生腐蚀裂纹及其扩展断裂，宏观上的断裂是脆性的，是最危险的 腐蚀形态之一，常引起突发性事故。

11、 广义地说，氢脆也是属于应力腐蚀范畴。从电化学过程来看，应力腐蚀是金属的阳极溶解，氢脆 则是由于阴极反应所产生的氢，为金属吸收而造成的脆性。 腐蚀失效的主要特征是，失效处存在着腐蚀产物。根据有无腐蚀产物的存在，就可以判断是否发 生了腐蚀失效。 导致腐蚀失效的主要原因有如下几种： 1设计结构不合理，局部应力集中。 2选材不当。 3制造工艺失控，特别是热处理失控。 4未考虑介质中的微量杂质对材料耐蚀性能的影响。 8.2.7 冲击断裂失效冲击断裂失效 野蛮地装卸气瓶以及对气瓶进行撞击、摔碰、跌落等所形成的动载，对于金属部分，会使气瓶局 第 8 章 气瓶失效基础知识 287 部产生很高的应力应变值。

12、这种应力应变值比起由大小相等的静载所产生的应力应变值要高出很多倍。 冲击断裂失效的主要特征是使受动载作用的气瓶分裂成多块碎片。这是因为冲击载荷很容易引起气瓶 的脆性断裂。 但如果冲击对气瓶所产生的是弹性变形或塑性变形超过了允许的限度，这种失效称作冲击变形失 效，如果气瓶承受反复的冲击载荷引起疲劳裂纹的萌生和扩散而产生的失效，称作冲击疲劳失效。 当然，气瓶的失效是复杂的。有时，以上的失效模式会使气瓶形成各种复合的失效模式。如腐蚀 疲劳失效就是腐蚀与疲劳的复合失效模式。腐蚀会加速疲劳裂纹的萌生与扩展，而疲劳也会加速腐蚀 的过程。两者交替作用，互相促进，是一种更加危险的失效形式。 8.3 在用气瓶失

13、效的原因 在用气瓶存在有以下几个方面的失效原因： 1先天不足（即设计、制造时留下的缺陷）的气瓶还在运行。 2由于气瓶在运行中的冲撞、磕碰、摔跌、而后天产生的影响气瓶安全使用的缺陷潜伏着事故的 隐患。 3由于频繁、反复的充气而产生的交变载荷的作用，有可能产生疲劳裂纹；或瓶体中已经存在的 缺陷有了发展。 4由于介质对气瓶材质的腐蚀，瓶壁在逐渐的减薄、或由于应力腐蚀的作用而使气瓶材料性能发 生劣化。 5由于气瓶结构不合理，选材不当或焊接质量低劣以及检验上的漏检或误判，气瓶的焊缝、热影 响区以及局部应力过大区域存在着裂纹，有了新的扩展。 6由于气瓶壁厚过薄或温升压力的影响以及气体超装的作用。气瓶处于超

14、载运行，因而产生了较 大的塑性变形。 7定期检验流于形式或根本就没有进行过定检而造成超期服役或终身服役的现象仍然存在。 显然，气瓶存在着的以上问题，如不及时发现和消除，而任其发展下去，气瓶必然会以各种失效 模式出现，导致气瓶事故的发生，因此，对在用气瓶进行定期检验与评定，进而对判废气瓶进行失效 分析，是预防气瓶事故发生，保证气瓶安全使用的重要手段。特别是面临着我国在用气瓶运行的严峻 状况，气瓶的定期检验与分析评定工作，有着极为重要的现实意义，这已为国内外定期检验的实践所 证实。 其次，对在用气瓶进行定期检验和分析评定工作，也是提高国内气瓶设计与制造水平的一项有效 措施。因为经检验、分析与评定，

15、受检气瓶无论是合格还是判废，都可以视为气瓶是在标准条件下所 做科学试验的结果，通过定期检验、分析与评定，可以掌握气瓶真实的质量特性，可以反映气瓶在设 计、制造中的薄弱环节，进而在技术和管理上采取对策，以便在更大范周内，努力做到延缓或防止气 瓶各种失效模式的发生。 此外，对在用气瓶进行定期检验，也会给社会带来很大经济效益。这种效益的获得，不单单是通 过定期检验，科学地估价气瓶的使用寿命，防止气瓶灾难性事故的发生，从而保证了人民生命财产的 要求，而且科学技术是生产力，检验手段的提高，气瓶质量特性的反馈，会使气瓶设计制造单位的技 术水平得到提高，并将促使整个气瓶行业的进步。这种技术上进步而带动的经济

16、上的效益，往往是难 以估计的。 气瓶检验员（QP-1）培训教材 288 8.4 气瓶缺陷分类及失效分析 8.4.1 气瓶内外表面的缺陷分类气瓶内外表面的缺陷分类 8.4.1.1 按缺陷所在部位分类按缺陷所在部位分类 1气瓶外表面的缺陷 （1）凹陷； （2）凹坑； （3）凸起； （4）机械损伤：磕伤和划伤的统称。机械损伤，通常可见沟底。常温时的机械扭伤，在伤口处呈 现金属的光泽或黄锈；高温时的机械损伤，其伤口表面附薄层氧化铁皮。在输送堆放过程中形成的机 械损伤，则在伤口处有高低不平的凸凹面和其它非金属夹杂。 （5）裂纹； （6）夹杂：包夹在金属材料表面层内眼可见的非金属夹杂。如脱氧渣、保护剂、耐火砖的破碎块 等。其形状为点状、条状或块状。 （7）夹层； （8）结疤：钢板表面呈“舌状”或“色鳞片状”的一种很不规则的翘起薄片，一处是与钢的本体相联 结、并折合到板面上，不易脱落：另一种是与钢的本体没有联结，但粘合到板面上，易于脱落。亦称 重皮、折皮。 （9）折叠：钢板表面形成局部互相