高純氣體中容積鋼質無縫氣瓶定期檢驗

,, , ,

(中國特種設備檢測研究院，北京 100013)

0 引言

高純氣體氣瓶用于充裝純度大于99.999%且氣體含水量小于0.001‰的氣體。隨著我國產業(yè)結構升級，集成電路、芯片、半導體等產業(yè)高速發(fā)展，對高純氣體種類和數量的需求也日益增加，因此高純氣體氣瓶數量也在快速增加。充裝高純氣體的氣瓶類型主要有大容積無縫氣瓶、中容積無縫氣瓶和焊接氣瓶，其中中容積鋼質無縫氣瓶數量居多，據統(tǒng)計，該類型氣瓶占到高純氣體氣瓶總數的90%以上，因此保障其安全至關重要。

根據TSG R0006—2014《氣瓶安全技術監(jiān)察規(guī)程》[1]的分類，容積在12～150 L之間的氣瓶稱為中容積氣瓶。與充裝普通介質的氣瓶相比，高純氣體中容積氣瓶內部往往要經過研磨處理來降低表面粗糙度，此外還經過加熱烘干、抽真空等處理，降低瓶內腐蝕性介質、水分和氧含量，以滿足使用要求。該類型氣瓶在使用工況、失效模式等方面與普通工業(yè)氣瓶也有很大差別。根據氣瓶內部宏觀檢查結果顯示，在一個檢驗周期內的氣瓶內表面仍然光潔發(fā)亮，沒有任何腐蝕跡象，并且該類型氣瓶也不存在濕H2S應力腐蝕、銹蝕等失效形式。隨著大量中容積氣瓶進入檢驗周期，對檢驗技術也提出新要求。傳統(tǒng)氣瓶檢驗方法[2-3]以宏觀檢查、水壓試驗為主，這種檢驗方法極大破壞氣瓶使用狀態(tài)，對于檢驗完成的氣瓶需進行大量后處理工作才能滿足使用要求，后處理的費用也極高。因此傳統(tǒng)檢驗方法不能滿足需要，必須根據氣瓶制造和使用特點，開發(fā)新型檢驗方法，以滿足該類型氣瓶定期檢驗需要。

1 高純氣體中容積鋼質無縫氣瓶概況

中容積無縫氣瓶可以每個單獨使用，也可以由數個氣瓶經管路、框架組成集裝格使用。公稱工作壓力有15 MPa或20 MPa兩種規(guī)格，容積47 L，直徑229 mm。

由于高純氣體發(fā)展歷史以及部分氣體氣瓶經常在國際間流轉等原因，目前國內在用的中容積無縫氣瓶大部分是按照DOT-3AA[4]設計制造的，其中一部分為國外生產、一部分為國內企業(yè)按照DOT-3AA標準設計制造；還有部分氣瓶按照GB 5099—94《鋼質無縫氣瓶》[5]設計制造，該部分氣瓶一般只在國內使用。隨著該類型氣瓶數量增多以及國際流轉頻繁，國內高純氣體行業(yè)快速發(fā)展，越來越多氣瓶的設計制造已同時滿足 DOT-3AA以及GB 5099要求。氣瓶材料一般為優(yōu)質Cr-Mo鋼，通過鋼坯沖拔成型，或者鋼管旋壓收口收底成型，然后經過調質處理。氣瓶成型后，應先進行無損探傷，檢測瓶體淬火裂紋，并對氣瓶進行內壓外測法水壓試驗，測量氣瓶殘余變形率、進行整體強度校核、檢驗氣瓶熱處理狀況。

2 中容積鋼質無縫氣瓶主要檢測技術

在中容積鋼質無縫氣瓶檢驗過程中，主要采用宏觀檢查、水壓試驗、聲發(fā)射、全自動超聲波等檢測技術。根據氣瓶類型，檢驗標準中規(guī)定采用不同的檢測技術。

2.1 水壓試驗

水壓試驗是氣瓶檢驗中最常用檢測方法[6]，通常分為內壓法和內壓外測法兩種，外測法現場如圖1所示。通過水壓試驗，一方面可以對氣瓶強度進行檢驗；另一方面測量氣瓶殘余變形率，判定在試驗壓力作用下器壁應力是否接近或超過材料的彈性極限，檢驗氣瓶熱處理狀況。在制造過程中，該方法普遍被采用。

圖1 氣瓶內壓外測法水壓試驗現場

水壓試驗對氣瓶整體減薄、材質劣化等缺陷檢驗比較有效；對局部腐蝕減薄、塑性變形，裂紋類線性缺陷檢驗效果并不好。故在定期檢驗中，水壓試驗有效性一直存在爭議，檢驗案例表明，存在嚴重塑性變形的氣瓶，其殘余變形率并不超標。某單位就無縫氣瓶線性缺陷對水壓試驗影響進行研究，在鋼質無縫氣瓶上加工橫向、縱向人工缺陷，然后進行水壓試驗，其結果見表1。結果表明，瓶體裂紋類線性缺陷對殘余變形率影響極小。

表1 含線性缺陷氣瓶水壓試驗結果

注：裂紋尺寸為長度×深度，氣瓶規(guī)格?559 mm×2 100 mm×16.5 mm，水壓試驗壓力為33.4 MPa

2.2 聲發(fā)射檢測

聲發(fā)射檢測對氣瓶中裂紋類缺陷、塑性變形、泄漏極其敏感，對局部減薄類缺陷不敏感。聲發(fā)射檢測的優(yōu)點在于能有效發(fā)現瓶壁上存在的活性腐蝕和裂紋等危險性缺陷部位，能夠實現對氣瓶整體檢驗，且可實現多氣瓶同時在線檢驗，無需拆卸，效率高，很好地兼顧了安全性和經濟性，氣瓶聲發(fā)射檢測見圖2。

(a)

(b)

2.3 全自動超聲波檢測技術

超聲波檢測是利用材料及其缺陷的聲學性能差異對超聲波傳播波形反射情況和穿透時間的能量變化來檢驗材料內部缺陷的無損檢測方法。對于鋼質無縫氣瓶，采用100%全自動超聲波檢測，對氣瓶同時實現徑向、周向檢測以及壁厚測定，可以發(fā)現氣瓶腐蝕減薄、線性缺陷和應力腐蝕裂紋等危險性缺陷。全自動超聲波檢測如圖3所示。

圖3 氣瓶全自動超聲波檢測設備

3 國內中容積氣瓶檢驗方法及有效性分析

目前，國內中容積鋼質無縫氣瓶主要參照GB/T 13004—2016《鋼質無縫氣瓶定期檢驗與評定》進行定期檢驗，分為瓶體、瓶閥兩部分檢驗。對于瓶體部分的檢驗，主要考慮了氣瓶在運行過程可能存在的失效模式，包括機械損傷、熱損傷、裂紋以及氣體對氣瓶產生的均勻腐蝕、局部腐蝕引起的強度降低等。主要采用的檢驗方法包括宏觀檢查、水壓試驗、稱重等。對于充裝普通工業(yè)氣體氣瓶而言，可以通過內部宏觀檢查、稱重等方法來檢驗局部腐蝕和均勻腐蝕，通過水壓試驗來檢驗氣瓶的安全使用強度。然而對于高純氣體氣瓶，由于充裝氣體純度較高，水分含量極低，氣瓶在正常的安全使用過程中不存在均勻腐蝕及局部腐蝕失效形式，采用水壓試驗方法對氣瓶內部狀態(tài)損傷較大，水壓試驗完畢需要經過研磨、烘干、鈍化等一系列后處理措施，由檢驗引起的附加成本是檢驗費用的數倍甚至十幾倍。此外，對含人工缺陷的氣瓶進行水壓試驗的研究結果表明，水壓試驗對于線性缺陷的檢出效果并不好，因此從檢驗的經濟性和有效性來看，采用水壓試驗的方法并不適合高純氣體氣瓶的檢驗。

對于瓶閥部分的檢驗，普通工業(yè)氣體氣瓶一般采用拆卸檢驗的方法，主要采用宏觀檢查和氣密性試驗等方法，很好地保障氣瓶的安全運行。在拆卸氣瓶閥門的過程中易造成瓶閥或氣瓶連接螺紋損壞，根據某氣瓶檢驗站統(tǒng)計，瓶閥損耗率約為20%。普通工業(yè)氣體氣瓶的瓶閥價格較低，國內眾多公司都能生產和維修，因此在檢驗中更換瓶閥帶來的費用并不高；但對于高純氣體鋼瓶，所裝瓶閥目前全世界只有盧森堡、日本等幾家工廠可以生產，單個閥門的價格甚至高于瓶體價格，此類閥門加工和密封精度較高，國內尚無制造和維修能力。對于高純氣瓶閥門的檢驗，采用拆卸瓶閥的檢驗方法很容易造成閥門破壞，使閥門更換成本較高。因此，從檢驗過程來看，目前GB/T 13004—2016《鋼質無縫氣瓶定期檢驗與評定》規(guī)定的傳統(tǒng)檢驗方法對于高純氣體氣瓶的檢驗既不科學也不經濟。

4 國外高純氣體中容積氣瓶檢驗方法

美國DOT標準以及ISO標準對氣瓶檢驗方法進行了規(guī)定[4，7-8]。在高純氣體氣瓶領域，DOT標準應用較為廣泛，在該標準中，采用宏觀檢查、水壓試驗對氣瓶進行檢驗，同時以免除令形式頒布替代檢測方法。美國在氣瓶聲發(fā)射檢測等方面進行了大量研究，FIBA公司曾對2 000多個氣瓶進行聲發(fā)射試驗，并將檢測結果和水壓試驗進行對比。在大量試驗研究基礎上，美國法規(guī)以免除令方式頒布的檢驗標準中可以免除內部宏觀檢驗和水壓試驗。如對CPI公司、FIBA公司頒布的免除令DOT-E11916和DOT-E10922，規(guī)定可采用100%自動超聲波檢測代替內部宏觀檢驗和水壓試驗，以及免除令DOT-E12413，DOT-E9419和DOT-E9847等，可采用聲發(fā)射、超聲波檢測代替內部宏觀檢查和水壓試驗。

在歐洲，對于無縫氣瓶也建立了不同檢驗方法，如ISO 11120，EN1968，ISO 6406等，氣瓶可以采用宏觀檢查、外測法水壓試驗的檢驗方法；也可以采用宏觀檢查、100%自動超聲波檢測方法。標準中將氣瓶水壓試驗和100%自動超聲檢測列為選擇項目，氣瓶只需進行水壓試驗或100%自動超聲檢測。在ISO 16148中，可采用宏觀檢查、聲發(fā)射、手動超聲檢測方法進行氣瓶檢驗。據調研，國外高純氣體生產公司在氣瓶定期檢驗中，多采用無損檢測方法對氣瓶進行定期檢驗。

國外采用的高純氣體中容積氣瓶檢驗中，以自動超聲、聲發(fā)射等檢測技術為主，有效檢測瓶體上線性裂紋類缺陷，采用該檢驗方法不需要對氣瓶進行水壓試驗，保持氣瓶內部狀態(tài)，同時不必拆卸瓶閥，避免因拆卸過程的螺紋損傷造成較大的經濟損失。

5 國內高純氣體中容積氣瓶檢驗方法及案例

5.1 國內高純氣體中容積氣瓶檢驗現狀

國內高純氣體氣瓶起步較晚，早期該類型氣瓶檢驗按照普通工業(yè)氣體氣瓶進行檢驗[2，7-8]，據相關檢驗機構統(tǒng)計，氣瓶報廢率不超過0.2%。由于檢驗附加成本較高，檢驗方法缺乏科學性，造成該類型氣瓶定檢率很低，大量含缺陷氣瓶在服役。

自2015年起，筆者根據氣瓶常見的失效模式[9-10]，以及高純介質獨特的制造工藝，同時參照DOT，ISO等標準的檢驗方法，開展以自動超聲、聲發(fā)射為主的氣瓶檢驗，利用充裝介質對連接接頭、閥門進行密封性檢查，目前已完成上千個氣瓶檢驗工作，并發(fā)現了大量缺陷。

5.2 高純氣體中容積氣瓶檢驗案例

對前期檢驗的1 000個氣瓶進行統(tǒng)計，中容積無縫氣瓶檢驗案例主要分為鋼印標示不全、壁厚不滿足設計要求、瓶體外部裂紋、瓶體內部凸棱或凹槽等案例，統(tǒng)計情況見表2。影響氣瓶本體安全類缺陷共計17個氣瓶，占總數的1.7%。

表2 高純氣體中容積無縫氣瓶缺陷類型統(tǒng)計

氣瓶鋼印標示不符合要求的情況是由于高純氣體行業(yè)普遍采用DOT標準，在氣瓶制造過程中不要求對充裝介質進行鋼印標示，由使用單位進行充裝介質標示；而在使用過程中，部分使用單位未對氣瓶充裝介質進行鋼印標示，因此很多氣瓶無充裝介質鋼印，如圖4所示。我國TSG R0006—2014《氣瓶安全技術監(jiān)察規(guī)程》中明確規(guī)定氣瓶充裝和制造標志一致的氣體進行鋼印標示，因此,該類型氣瓶不符合國內安全規(guī)范要求。

圖4 氣瓶無充裝介質的鋼印標示

氣瓶壁厚是保證氣瓶安全重要參數，由于多數氣瓶采用沖拔成型，制造過程未進行全面積測厚，氣瓶實際壁厚不滿足設計壁厚的要求。以公稱工作壓力15 MPa，直徑229 mm的氣瓶為例，設計壁厚為6.2 mm，在全自動超聲檢測過程中，發(fā)現部分瓶體局部壁厚低于設計壁厚，最薄處為5.1 mm，如圖5所示，低于設計壁厚17.7%，根據檢驗數據統(tǒng)計，檢驗氣瓶中約1%氣瓶壁厚不滿足設計要求。

經超聲、聲發(fā)射檢測，發(fā)現瓶體外部存在裂紋，如圖6所示。在檢驗過程中，共發(fā)現4起氣瓶存在外部裂紋，裂紋深度大于2.4 mm，長度約為40 mm，裂紋處原始壁厚為7.2 mm，打磨至5.8 mm，缺陷仍未消除，該氣瓶瓶體裂紋尖端存在擴展痕跡，該類型缺陷對氣瓶安全運行造成極大隱患。根據檢驗數據統(tǒng)計，檢驗氣瓶中約0.4%氣瓶存在外部裂紋。

圖5 瓶體壁厚測量圖

圖6 氣瓶外表面裂紋

經超聲波檢測發(fā)現，氣瓶內部存在縱向溝槽，如圖7所示，深度約為1.2 mm，初步分析，是由于氣瓶沖拔過程中磨具磨損等原因造成的，內部溝槽處形成應力集中區(qū)域，隨著充裝次數增加，極易形成裂紋源。根據檢驗數據統(tǒng)計，檢驗氣瓶中約0.3%氣瓶存在內部皺褶。

圖7 氣瓶內部溝槽

6 結語

目前，國內采用以超聲、聲發(fā)射為主的高純氣體氣瓶檢驗方法，已完成數千個氣瓶檢驗工作，有效保證氣瓶安全運行，且發(fā)現大量傳統(tǒng)以水壓試驗為主的檢驗方法無法發(fā)現的缺陷，檢驗方法更具有科學性。該檢驗方法不破壞氣瓶內部狀態(tài)，檢驗完成后直接滿足使用要求，降低檢驗成本。根據檢驗數據分析，中容積無縫氣瓶制造廠家眾多，氣瓶生產數量巨大，檢驗中發(fā)現該類型產品報廢率較高。鋼印標示錯誤、壁薄、內部皺褶和部分外表面裂紋等檢驗過程中問題是由于氣瓶生產環(huán)節(jié)造成，說明氣瓶生產企業(yè)在質量控制以及氣瓶制造環(huán)節(jié)檢驗項目存在問題，產品生產質量需要加強監(jiān)管或者增加檢驗項目。

此外，雖然目前高純氣體氣瓶生產、制造、處理技術已經實現了國產化，但與高純氣體介質相適應的氣瓶閥門的制造技術尚未掌握。閥門是氣瓶最重要的附件，而目前國內對高純介質閥門失效模式，以及對應不同介質閥門使用壽命、更換周期等的研究尚未形成標準，有待進一步分析研究。