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34CrMo4 无缝钢气瓶的热处理工艺改进

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摘 要:CNG(Compressed natural gas)气瓶是一种常用的储存和运输天然气的特种设备,工作中不断的承受循环变化的高压应力,易因材料内部缺陷、热加工工艺不当等原因导致在某些区域产生变形、失稳甚至爆破失效。本研究以34CrMo4 气瓶为例,对实际失效气瓶的破口区进行了宏观形貌检测、厚度检测、断口处显微金相组织检测等,并进行了理化数据分析,发现瓶体破裂的主要原因是由于材料的热处理调质工艺不当,造成整体强度韧性降低。通过在淬火阶段中加入压缩空气搅拌机构,可以加快介质流动速度,破坏淬火过程中在钢瓶表面形成的气膜,提高气瓶与介质的热交换速率,增大合金固态金属的相变推动力,从而减少铁素体的含量,提高气瓶整体的强度和韧性等力学性能。


随着国家能源结构的调整,大规模使用化石燃料的现状,将逐渐被以使用风能、核能、太阳能和天然气等多元的清洁型能源所取代。现阶段,天然气作为人类社会生活中普遍使用的便捷型清洁能源,正被广泛的运用在人类社会的各个场合中。但 CNG(Compressed natural gas,压缩天然气)的运输极限是限制其推广的重要原因之一。我国从 19 世纪中叶,开始研发特种气瓶;到 20 世纪 60 年代,壁厚大、质量重的碳钢材料才被轻便的锰钢替代,这减轻了气瓶的重量;铬钼钢和其它合金钢到上世纪70年代开始出现,21世纪初开始投放市场。德国、日本、美国等发达国家在20世纪50年代就已完成气瓶材料的换代,并开始规模化生产大容积无缝钢质气瓶。


本实验选用的34CrMO4钢是一种典型的中低碳低铬钼合金钢,是现今欧盟市场的主要用钢,但由于标准和技术的区域性,目前较少用作国内大体积压力气瓶的材料。但随着国内对CGN气瓶性能要求的逐渐提高,34CrMo4将会因其在高温下的持久强度和卓越的蠕变强度,被更加广泛的用作高负荷工作环境下的气瓶材料,34CrMo4材料具有广泛的应用前景和适用范围。本文以气瓶的主要失效形式-疲劳断裂为研究内容,详细分析34CrMO4钢质CNG 气瓶在疲劳断裂中的主要原因,并在此基础上提出在不改变结构设计的前提下,通过对气瓶热加工工艺的改进,提高34CrMO4钢CNG气瓶的整体性能,降低失效几率,延长工作寿命。 


图1展示了一个34CrMo4气瓶(外径为 准56mm,壁厚为7.7mm,总长为1555.6mm,弹性模量为210000 MPa, 泊松比为 0.3,最小抗拉强度为 950MPa,最小屈服强度为 820MPa)的结构设计图。

气瓶失效的主要形式是疲劳断裂,而疲劳断裂的大多数原因是由于在循环高压应力的工作环境中,气瓶的内部或外部发生细小的脆性变形,产生裂纹,随着载荷次数的增加,变形裂纹加剧直至后期迫使 整体或局部发生断裂。实验选用准356 mm×7.7mm,Rm(最大拉伸强度)低于1100MPa 的 34CrMo4合金钢气瓶, 并按照ISO11120气瓶标准和热处理加工工艺规范进行加工制造。但在气瓶生产制造过程中,由于工艺差别、设备差别、人员操作等不可控因素影响,个别气瓶的极限强度在远小于设计要求下便发生爆破。具体表现为:选用同批次的 准356 mm×7.7 mm 的 34CrMo4 的调质钢瓶,在常温下进行周期性的压力循环试验中(循环压力 2~30MPa,循环频次 4~6 次 /min),当试验循环到 4800 次时,瓶体发生爆破失效,这与ISO9809-1-2010《可重复充装钢瓶设计、制造和试验》 (调质后抗拉强度小于1100MPa)标准规定的“循环次数不小于 15000 次、只允许泄漏失效”的要求相矛盾。爆破失效图如图2所示。


针对爆破失效情况,通常可以通过改进结构设计或改善加工工艺两个方面去提高气瓶性能。就改进结构设计而言,增加设计壁厚会使封头、筒体之间的焊接难度增大;另一方面,在气瓶调质过程中,因壁厚增大,内外热交换速率可能会出现负差,造成瓶体在热处理过程中发生蠕变畸形或气瓶整体性能降低。故在现实规模化生产制造流程中,通常选用对热加工工艺进行改进来提高气瓶的强度。因此,需要对气瓶的失效进行具体的分析计算, 针对原因在热加工过程中进行工艺的改进。


2 失效分析

当材料的自身强度不足以支持气瓶的实际载荷时,气瓶将发生失稳或失效。材料在实际的交变循环载荷压力下产生微量的脆性裂纹, 随着循环次数的增加,脆性裂纹扩张加剧,使得材料强度不足以支持实际载荷而发生断裂。疲劳失效的主要原因有以下两大类:几何裂纹、表面状态、结构设计等外部原因和组织、内部缺陷、材料强韧化、热处理状况等内部原因。以下将从材料外部的宏观检测来探究气瓶失效的原因。


2.1 宏观形态分析

宏观形态的失稳分析主要从断裂口的表面缺陷和端口周边几何特征来进行分析论证。


(1) 端口失效分析

气瓶爆破失效破口的外貌见图 2。对断口周围的外观进行全面的目视检查和低倍组织检查,可知,断裂处没有发现明显的表面缺陷或内部缺陷, 这说明气瓶失效的原因与表面和内部缺陷无关。


(2) 断口及周边厚度检测分析

气瓶钢在锻造过程中容易在圆柱区形成厚度减薄区,从而削弱材料的强度,造成在实际周期性循环载荷下的爆破失稳。为此,对同批次发生失效的气瓶的爆破边和撕裂边,进行厚度检测(轴向、环向均布4点,测点间距约300mm)如图2所示。其中爆破边会因塑性变形出现明显的减薄,经检测最薄处厚度为 7.1 mm,减薄量最大为 0.9 mm;撕裂边及周边的厚度最小为 7.86 mm,而疲劳试验前检测气瓶厚度最小为7.98 mm,故满足设计最小壁厚7.7mm 的要求,说明应力集中区不是由于圆柱段厚度不够造成的。


2.2 断裂力学分析计算

由于宏观观测检测不到明显缺陷,需要对气瓶细微裂纹进行检测。通过无损检测,对人工缺陷和气瓶表面、内部的细小裂纹缺陷进行检查,从而进一步判断气瓶失效原因。


(1) 人工缺陷规则化处理无损检测是利用声、光、磁或电等特性,在不损坏或不影响被检对象使用性能的前提下, 检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性,由此给出缺陷的大小、位置、性质和数 量等信息。按 照 GB/T5777-2008《无缝钢管超声波探伤检验方法》C5 级标准要求,钢瓶无损检测人工缺陷最大尺寸为 0.2 mm(深度)×40mm(长度),其规则化处理结果如表 1。

下面计算材料表面裂纹应力强度和极限等效裂纹尺寸,确定钢瓶实际缺陷与人工缺陷间的关系。


(2)表面裂纹应力强度因子计算

材料的裂纹强度因子KI是反应裂纹剪短应力强弱的重要物理参数。按照牛曼-瑞久(Newman-Raju)公式(1)可知表面裂纹应力强度表达为:

修正系数计算结果见表 2。

在 30MPa 最高循环压力时,气瓶表面裂纹应力强度因子的计算如下:

式中:P 为钢瓶 承载内压力,MPa;D 为钢瓶圆筒 段内孔直径,mm;t 为钢瓶圆筒段壁厚,mm。KI=30×340.6/15.4×(π×0.2×10-3)×0.5×1.1311=18.8(MPa)

在实测的 34CrMo4 钢瓶材料 (950MPa≤Rm≤1099 MPa, Rp0.2≥820 MPa,Rp0.2/Rm≤0.95, A≥14% , Rp0.2 为屈服强度;A 为伸长率), 其表面裂纹断裂韧度 Kie 为 66MPa 。

因为 Kie>KI,所以,钢瓶实际缺陷在不大于人工缺陷时是安全的。


(3) 极限等效裂纹尺寸计算

在 30MPa 时钢瓶的极限等效裂纹尺寸 (深度)计算如下:

式中:Kie=66MPa;P=30MPa;D=340.6×10-3m;t=7.7×10-3m。 

可得:ā=2.462×10-3m

因为ā>a, 所以钢瓶实际缺陷在不大于人工缺陷时是安全的。

综上,按照 GB/T 5777-2008《无缝钢管超声波探伤检验方法》C5 级标准,进行探伤的钢瓶,不会因材料表面或内部的微小缺陷而发生爆破失效。所以内部细小的缺陷不会导致气瓶的爆破失效。


2.3 显微组织检测

2.1 和 2.2 分析可知,宏观缺陷和气瓶细微缺陷不是气瓶在承受高压低循环次数载荷下发生爆破失效的原因, 即机械加工工艺的细微缺陷不是导致气瓶失效爆破的原因。需要更深一步检测是否因材料本身的组织结构发生改变,导致气瓶最终失效。


截取断口处材料,对断口处进行了500倍显微组织检测。检测结构如下:爆破边组织见图3(a),撕裂边组织见图3(b)。两张图对比发现爆破边组织中存在有明显的铁素体,而撕裂边组织是较均匀的回火索氏体。也就是说,在爆破边,出现了因奥氏体化不均匀的铁素体,但是铁素体在爆破区的存在是否降低气瓶的整体强度并最终导致气瓶失稳,还需要进一步分析论证。下面对气瓶失稳区的爆破边和撕裂边进行表面硬度检测,并对同批热处理的15件气瓶进行失效试验来验证推断的正误。


2.4 断口表面硬度检测

根据气瓶设计要求,其抗拉强度为 950MPa~1099MPa(换算成硬度为30.5HRC~35.5HRC)。现将存在的断口爆破边和撕裂边进行处理,分别用电火花线切割,去除45°斜边并磨平,进行表面硬度检测(间距7mm),数据见表3。分析可知,爆破边的硬度最低为25 HRC、最高30 HRC、平均27.7HRC,换算成抗拉强度为890MPa,比设计要求最小抗拉强度的保证值950MPa低了60MPa。由此可推断,渗 碳体的聚集降低了爆破区的硬度,与气瓶失效有关。

2.5 失效实验

铁素体的聚集存在主要是由热加工工艺导致的。热处理加工过程的调质温度控制不均会导致气瓶周身受热温度和冷热交换速率不均匀,从而导致气瓶金属的相变组织转变不彻底,降低了整体强度,导致气瓶不能承受实际的循环载荷并发生失稳爆破。下面从水压试验和爆破试验,对材料的屈服极限和爆破强度进行分析。


水压试验装置设置如图4所示。根据外侧法30MPa的试验数据, 同批热处理的15件34CrMo4钢瓶中,其残余变形率最大达到了16%,大大的超出设计范围,这说明在30MPa的水压试验中,瓶体已发生了部分塑性变形。结合2.3和2.4分析,大规模发生气瓶爆破与热处理加工工艺有关。


经排查热处理加工工艺后发现,本系列 4 件同批热处理的调质钢瓶,其水压爆破极限值,按照公式[2] 计算的爆破断口抗拉强度分别为 950 MPa、926MPa、892MPa、877M Pa,其中有2件的抗拉强度明显偏低,偏差最大的比设计要求的最小抗拉强度保证值950MPa 的低了73MPa。



综上所述,在热处理加工过程中会因调质过程的不当, 即气瓶材料在正火处理后的奥氏体不能完全转变成马氏体,气瓶内部会夹杂强度较低的珠光体和贝氏体组织,造成其低温冲击韧性和断裂韧性较低。气瓶用钢属于亚共析钢,淬火加热温度一般为Ac3+(30+50)℃。但如果亚共析钢在 Ac1~Ac3 之间加热,加热时组织为奥氏体和铁素体两相,在淬火冷却后,组织中除马氏体外,还保留一部分铁素体,这将严重降低钢的强度和硬度[12-14],导致气瓶在圆柱区形成局部低强度区域,从而使材料的局部屈服强度小于理论设计值。致使每一次的压力循环之后微小塑性变形量的逐次累积,当材料的强度和韧性不足以支持实际的应力水平时,34CrMo4 CNG 气瓶将发生爆破失效。所以,需要对调质过程进行改进,提升气瓶的整体性能,降低失效几率。


3 工艺改进

气瓶瓶口采用的是密封焊接处理,钢瓶在进入淬火介质时,其表面会因高温沸腾,在接触介质的表面形成蒸汽膜,使固液界面处的热量不能快速交换并扩散,造成内外热扩散速率不均匀,金属相变的驱动力不足,金属奥氏体转化不完全,导致材料强度下降。因此,为了提高冷凝效果,从两个方面提出了改进措施: 

(1) 在淬火槽中加入一套介质搅拌机构系统,提高介质的流动性,增大热量传递速率,让瓶内热量尽快散失。 

(2) 将冷却介质由常见的 NaCl 溶液换为 PAG(PolyalkyleneGlycol,聚烷撑乙二醇)介质,提高钢材的淬硬能力,从而使钢材的强度和硬度大大提高[15]。


4 结论

(1) 改进工艺后的试验检测过程中,34CrMo4气瓶爆破失稳最小值提升了41.5%,气瓶拉伸强度平均值比之前提高了37.5%,批次的残余变形率降到0%。气瓶整体性能大大提升,达到理想目标。 


(2) 在淬火阶段,材料表面暴沸产生隔绝气膜,使淬火过程的马氏体化不均匀,调质过后仍有铁素体的存在降低了材料的优质性能:为了改善这一现象,可以通过在淬火过程中加入压缩空气搅拌机构,适当提高材料的冷却速度来加速金 属材料相变速率,从而提升产品强度、硬度、耐压性、韧性等金属力学性能。


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