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长管拖车气瓶的无损检测技术
时间:2012-03-23 11:09:00 | 分享到:

压力容器无损检测
——长管拖车气瓶的无损检测技术
刘三江,沈功田,李邦宪
(中国特种设备检测研究中心,北京 100013)
摘要:长管拖车是新类型的压力容器,作为一种高效运输工具,在许多领域应用广泛。综述了
国内外拖车气瓶在制造和使用过程采用的各种无损检测方法及标准。方法包括超声、磁粉、渗透和
声发射检测等。并介绍了各种无损检测方法的特点。
关键词:超声检测;磁粉检测;渗透检测;声发射检测;压力容器;气瓶
中图分类号:TGll5.28 文献标识码:A 文章编号:1000-6656(2005)08-0418-05
Nondestructive Testing of Pressure Vessels:
Nondestructive Testing Technique for the Gas Cylinders of a Tube Trailer
LIU San-jiang, SHEN Gong-tian, LI Bang-xian
(China Special Equipment Inspection and Research Center, Beijing 100013, China)
Abstract: Tube trailer is a new type of pressure vessel. As a kind of high-efficiency
transportation, tube traileris extensively used in many fields. The nondestructive testing methods
and relative standards for the gas cylinders ofthe trailer during their fabrication and use home and
abroad were reviewed, including ultrasonic testing, magneticparticle testing, dye penetrant testing
and acoustic emission testing. The characteristics of the methods wereintroduced.
Keywords: Ultrasonic testing ; Magnetic particle testing ; Penetrant testing; Acoustic
emission testing ; Pressurevessel; Gas cylinder
长管拖车是将几个或十几个大容积钢质无缝气瓶组装在框架里,固定在汽车底盘上,并将气瓶
头部连通在一起,作为移动式储罐给用户供气,固定在长管拖车上的无缝钢瓶称为长管拖车气瓶(图
1)。国内外常用长管拖车气瓶的设计压力一般为15~30 MPa,容积为300~2600L,长度为5~12m。
图1 长管拖车结构图
长管拖车作为一种运输工具,由于其具有机动、灵活、便捷及高效等特点,一出现便得到了广
泛应用,在欧美等发达国家已经有几十年的历史,在交通运输、石油化工、工业制造、科学研究及
居民生活等领域发挥着重要的作用。与管道运输难以实现地域的全覆盖和运送介质较为单一相比较,
长管拖车能将气体运输到任何通公路的地方,覆盖范围更加广泛,且可运送液化或压缩的氧、氢、
氮和天然气等气体以及其它特种气体;与传统小气瓶运送效率较低相比较,长管拖车气瓶承载的压
力高、体积大,大大提高了运输效率,降低了搬运费用,还减少了单个气瓶的数量,使不安全因素
和事故发生的可能性也相应降低。
我国自20 世纪90 年代中期开始,从美国和韩国等进口了上百台长管拖车,但气瓶型号相对单
一,典型的规格为3AAX-2900 型,材质为4130X,外径为Ф559 mm,长度为10.46 m,壁厚20 mm,
水容积2183 L,主要用来运输压缩天然气。近两年,我国也开始从意大利进口无缝钢管,制造拖车
气瓶,并组装长管拖车。
美国建立了完备的长管拖车法规标准体系,其主管政府部门是美国运输部(DOT),依据的法律
法规主要有联邦危险品法(Federal Hazmat Law)、联邦法规(CFR)和免除令(Exemption)等,联邦法
规49 CFR part 171~180 是危险品规程,其中49 CFRpart 178 是有关气瓶的内容,对政府职能、
制造厂责任、检验机构及气瓶设计、制造、检验和充装等方面的技术要求作出了规定。此外还有压
缩气体协会(CGA)和美国试验材料协会(ASTM)制订的各种技术标准[1]。
我国开始长管拖车的应用、研究和制造时间很短,还没有足够的技术和经验积累,因此没有形
成成熟的法规标准体系。2000 年版《气瓶安全监察规程》对1989 年版第2 条“适用范围”作了修改,
公称容积适用范围改为0.4~3000 L,显然长管拖车气瓶属于其监察范围;而《特种设备目录》(国
质检锅[2004]31 号)又将长管拖车归类为移动式压力容器;同时我国专门针对长管拖车制造、使用和
检验等方面的技术标准也不完善;另外,长管拖车的车辆部分不属于特种设备范畴,由交管部门进
行管理。因此,下面根据国内外长管拖车管理、制造、使用和检验等情况,重点介绍长管拖车气瓶
的无损检测技术。
1 长管拖车制造过程中的无损检测技术
美国制造长管拖车依据联邦危险品法、DOT 规范、联邦法规49 CFR part 178 及相关免除令等,
此外还应用CGA 和ASTM 等相关技术标准;若气瓶用于固定储气站,则遵守美国机械工程师协会
(ASME)规范。我国制造长管拖车遵守《特种设备安全监察条例》《气瓶安全监察规程》和国家、机
械和冶金行业等相关材料、试验分析方法和检验检测方法的技术标准,制造企业也建立有企业标准。
长管拖车制造过程的主要流程是,材料入库验收→无缝钢管复验(外观、尺寸、厚度、成分、组
织、超声检测和磁粉检测等) →加热→旋压/锻压收口成形→淬火热处理→内外表面喷丸处理→检验
检测(表面宏观检查、硬度测试、磁粉检测、按批量取样作拉伸、冲击、金相和压扁试验等) →机加
工(瓶口螺纹加工和内外螺纹渗透/磁粉检测) →水压试验(外测法) →气密试验→最终检验(超声检测、
测厚和磁粉检测) →组装拖车。不同国家及不同企业制造不同规格和要求的拖车气瓶时,上述制造
和检验流程和要求略有不同。
以下介绍气瓶制造过程中的超声、磁粉和渗透等无损检测技术。
1.1 原材料的无损检测
1.1.1 无缝钢管的超声检测
《气瓶安全监察规程》第25 条规定原材料无缝钢管按相应标准的规定进行无损检测,对盛装有
应力腐蚀倾向气体的钢质气瓶,原材料无缝钢管表面应采用超声波进行无损检测,瓶体表面不应有
折叠、分层和裂纹等缺陷存在。
原材料无缝钢管应逐个进行超声检测并合格,或由钢管厂提供超声检测合格的报告。钢管厂已
进行超声检测的,可按批抽取10%进行超声波复验,抽检不合格则加倍抽检,仍不合格则整批逐个
复验。
我国可用于无缝钢管的超声检测的标准有GB/T 5777—1996《元缝钢管超声波探伤检验方法》
和JB 4730~1994《压力容器无损检测》。两者都规定了自动和手工两种检测方法,其中GB/T 5777
标准能检出纵向和横向缺陷,但不能有效检出层状缺陷,且没有给出针对拖车气瓶缺陷的等级评定;
JB 4730 标准虽然给出了缺陷的等级评定,但其适用的钢管外径最大范围为φ480 mm,而常见拖车
气瓶用钢管的外径为Ф559 mm,不在其范围之内,另外该标准主要针对纵向缺陷的检测;因此,国
内需要建立专门针对大型无缝气瓶的超声检测标准,采用自动超声检测系统,同时实现纵向、横向
缺陷的检测,100%测厚以及折叠和分层缺陷的检测。目前,国内制造企业应用GB/T 5777 和JB 4730
标准规定的检测方法、要求和相关国际标准,建立了自动超声检测系统对拖车气瓶进行检测,通过
至少5 个探头的排列组合,同时实现纵向、横向缺陷和折叠、分层缺陷的检测及100 %测厚,结果
评定参照国外成熟的标准,确定超声检测的合格级别为不低于JB 4730 标准规定的Ⅰ级,即缺陷回
波幅度等于或小于对比试块人工缺陷(缺陷深度占壁厚的5%)回波。
ASTM E 213—2004 标准可用于拖车气瓶的超声检测[2],长管拖车制造厂也通过申请DOT 免
除令建有企业的超声检测规范,如DOT-E 11916。对拖车气瓶超声检测的主要规定有,自动超声波
设备应装有多组排列的传感器,进行直声束和斜声束的检测,并确保100%瓶壁得到覆盖,探头频
率2.25~5MHz,晶片直径φ 6.35~φ25.4 mm(φO.25~φ1in),能自动检测传感器与瓶壁间的耦合
状况,设备每六个月应用国家标准标定过的设备进行校核;作为标准样瓶的气瓶段必须与被检测气
瓶具有相同的公称直径、表面状况和冶金条件,加工缺陷前须用其它独立的方法测定样瓶的平均壁
厚;样瓶上须至少加工两个不同厚度的台阶,人工缺陷应模拟点、线和面三类缺陷,面状缺陷直径
φ60.325 mm,深度≤1/5 最小设计壁厚,剩余壁厚应与检测气瓶的设计壁厚一致,点状缺陷直径φ6.35
mm,深度≤1/3 最小设计壁厚,线状缺陷深度为气瓶最小设计壁厚的1/5;设备上次标定已超过4 h
或完成50 个气瓶检测时,必须重新标定;检出缺陷或有怀疑时,则按ASTM E 213 标准进行手工
超声检测。
1.1.2 无缝钢管的磁粉检测
原材料无缝钢管的磁粉检测没有强制要求,制造厂可根据实际情况选择是否进行检测。磁粉检
测的主要目的是检测钢管表面是否存在裂纹缺陷。
磁粉检测按照JB 4730 标准进行,一般使用大型固定式磁粉探伤机,采用轴向通电法,周向磁
化,以发现瓶体危险性最大的纵向裂纹。
1.2 气瓶成形后的无损检测
1.2.1 气瓶成形后的磁粉检测
钢管经旋压或锻压收口成形、淬火热处理及内外表面喷丸处理后,应进行100%磁粉检测,主
要是检测瓶体是否在热处理过程中产生表面裂纹及其它缺陷。不同国家和企业在气瓶成形和热处理
后的检测要求不尽相同,有的磁粉检测放在水压试验后进行。但从生产流程看,最好在这一阶段进
行100%磁粉检测,因为淬火热处理产生裂纹等危险性缺陷的可能性较大,如存在该类缺陷,通过
磁粉检测既可尽早发现并及时进行修复处理,又可防止其导致气瓶在随后的水压试验中破裂,避免
对试验设备和人员造成危害。
磁粉检测试验方法同1.1.2 节所述。
1.2.2 瓶口螺纹的磁粉/渗透检测
瓶口内外螺纹加工完成后,除应用标准螺纹塞规和螺纹环规检测螺纹精度外,还应对内外螺纹
进行表面检测,主要目的是检出螺纹表面是否存在裂纹和气孔等缺陷。由于瓶口较小,磁粉检测操
作和观察不便,最好采用渗透检测方法。磁粉和渗透检测按照JB 4730 标准进行。
1.3 气瓶水压试验后的无损检测
气瓶水压试验合格后,应进行100%超声检测;若热处理后未进行100%磁粉检测,则还应进
行100%磁粉检测。
超声和磁粉检测方法及标准同1.1 节。超声检测的合格级别为不得存在超出钢瓶瓶体最小壁厚5
%的缺陷,磁粉检测不得有任何裂纹存在。另外,由于瓶肩处的瓶体弧度和厚度急剧变化,超声检
测不能实施,因此实际上无法实现100%覆盖,免除令DOT-E 11916 规定超声检测所覆盖的区域必
须是半球封头切点外76.2 mm(3in)处的100%圆弧段;瓶肩处则应通过其它检测手段检测,瓶肩与
圆筒应圆滑过渡,不允许存在裂纹、折叠和皱褶等缺陷。
2 在用长管拖车气瓶的无损检测技术
长管拖车与生产生活关系密切,造价昂贵,往来于城市道路和人口、建筑物密集区,拖车气瓶
工作压力高,介质易燃易爆,一旦发生事故,将产生巨大的生命财产损失和恶劣的社会影响,因此,
通过定期检验确保其安全可靠运行具有重大的经济和社会价值。我国最早进口的一批长管拖车使用
已超过5 a(年),使用状况不明,尽快开展在用长管拖车定期检验工作具有紧迫性。但我国还没有针
对长管拖车定期检验的规程和技术标准,至今尚未全面开展在用长管拖车气瓶的定期检验工作。
气瓶定期检验常用的方法是水压试验测量容积残余变形率。但拖车气瓶水压试验表明,长管拖
车气瓶瓶壁局部减薄和存在裂纹缺陷,即使情况相当严重,水压试验时也不会出现明显的容积残余
变形,水压试验方法不能有效评价长管拖车气瓶的安全性,用于定期检验意义不大[3]。长管拖车气
瓶材料为低合金钢,使用中又承载很大的拉伸应力,盛装压缩天然气时在湿硫化氢作用下,主要的
破坏模式是腐蚀导致壁厚减薄和应力腐蚀产生裂纹并快速扩展,从而导致气瓶在下次检验之前破坏,
发生低应力脆断,因此,对拖车气瓶的安全性评价不能采用传统的强度理论,而应该用断裂力学的
分析方法,在定期检验中用声发射、超声、磁粉或渗透等无损检测手段检出危险性缺陷,用应力腐
蚀开裂界限应力强度因子K Iscc 评价其安全性[4]。
2.1 国外长管拖车气瓶定期检验的无损检测技术
关于长管拖车气瓶定期检验与评定,美国法规规定采用内外部宏观检验和水压试验,容积残余
变形率>10%则气瓶判废,但同时规定了以免除令的方式可采用其它检验方法代替内部宏观检验和
水压试验[5],如免除令DOT-E 11916 和DOT-E 10922 规定可采用100%超声检测代替内部宏观检
验和水压试验,免除令DOT-E 12413,DOT-E 9419 和DOT-E 9847 规定可采用声发射/超声波检测
代替内部宏观检验和水压试验,CGA 和ASTM 都规定有超声和声发射等检测技术标准。国际及欧
洲标准有ISO 11120—1999《无缝管制钢瓶设计制造检验》、EN 1968《无缝钢质气瓶定期检验》(规
定内外宏观检验+水压试验,外部宏观检验+自动超声检测,外部宏观检查+验证性试验)和
ISO/DIS16148.2 标准(规定外部宏观检查+声发射检测+手动超声检测+1.1 倍气压)[6]。目前,国
外95%以上长管拖车气瓶都采用声发射/超声检测为主、配以外部宏观检查的定期检验方法,该方法
很好地兼顾了安全性与经济性,不仅没有经该方法定期检验后出现事故的案例,而且检验费用降低
了30%以上。
2.2 长管拖车气瓶定期检验的超声检测技术
超声检测方法同1.1 节所述,免除令DOT-E11916 规定气瓶有以下缺陷必须评为不合格:
(1)单块面积>28.39 cm2(4.4 in2),壁厚小于最小设计壁厚。
(2)单点缺陷深度>1/4 最小设计壁厚、直径>6.35mm(0.25in)时,必须用手工超声检测复验;若
深度>1/4 最小设计壁厚、直径>25.4 mm(1 in),气瓶不合格。
(3)线状缺陷深度>1/5 最小设计壁厚、长度>6.35mm(0.25in)时,必须用手工超声检测复验;若
深度>1/5 最小设计壁厚、长度>60.325 mm(2.375 in),气瓶不合格。
与水压试验相比,100%超声检测的优点是①对气瓶测厚、作径向和周向检测,有针对性地发现
气瓶腐蚀减薄、线性腐蚀和应力腐蚀裂纹等危险性缺陷,有效确保安全性。②检测技术成熟、可靠。
③工艺过程简单,检测效率高。④无需水压试验用泵、深井、夹套及干燥等工装设备,成本低,同
时避免对气瓶内部造成污染。
100%超声检测的不足之处在于不能实现长管拖车气瓶的不拆卸检验,仍需拆卸和重装气瓶,不
仅可能破坏拖车结构的完整性,还因检验耗时长、工装设备和场地条件投入大、需要喷丸与油漆等
表面处;理等增加成本,影响经济效益;此外,由于气瓶头部结构不规则,壁厚变化大、不均匀,
无法进行超声检测,造成检测盲区以至漏检,留下安全隐患;超声检测对内外表面小缺陷不敏感,
必要时应配合表面磁粉和渗透检测,这对防止应力腐蚀损伤有重要意义。
2.3 长管拖车气瓶定期检验的声发射检测技术
气瓶声发射检测是在气瓶加压过程中进行的,瓶壁材料在加压时产生应变并储存应力应变能,
若产生变形或有缺陷扩展,则变形或缺陷处会以弹性波形式释放出应力应变能,该弹性波即为声发
射信号。通过专门的声发射传感器和仪器,可采集和分析声发射信号,从而检出缺陷的位置和参数。
早在1983 年,美国运输部就以免除令的方式规定可用声发射检测技术代替内部宏观检查和水
压试验。相应的技术标准,如CGA C 一18—1995[7]。和ASTM E 1419—2000 [8]等,现已成为
拖车气瓶定期检验的主要方法,已完成数千只气瓶的定期检验,有效检出了气瓶存在的缺陷,经声
发射检验的气瓶还没有发生事故的报道[9],实践证明了该项技术进行拖车气瓶定期检验的有效性和
可行性。我国也颁布了国家标准GB/T 18182—2000《金属压力容器声发射检测及结果评价方法》。
进行声发射检测时,声发射探头布置于长管拖车气瓶两端,通过前置放大器与主处理器相连,
构成检测系统。试验介质为纯净氮气,试验压力一般为工作压力的1.1 倍,在加压和保压过程中采
集、处理和分析声发射信号,确定声发射事件源的部位,对有意义的源用超声、磁粉或渗透等方法
复验,确定缺陷的性质和大小。声发射检测的显著优点是①能有效发现瓶壁上存在的活性腐蚀和裂
纹等危险性缺陷部位,再进行复验,检验针对性强。②可实现多气瓶同时检验,除少量需复验的气
瓶外,无需拆卸,不破坏拖车整体结构,停产时间短,效率高,很好兼顾了安全性和经济性。③与
水压试验测量容积残余变形率相比,对场地和工装设备要求低,检验便捷,成本低。④技术成熟可
靠。
3 结论
在长管拖车气瓶的制造和使用过程中,无损检测技术对保证其质量和安全运行发挥着重要的作
用。对于原材料钢管和气瓶制造过程及最终检验,以超声和磁粉检测为主,瓶口螺纹最好采用渗透
检测方法;对于在用过程的定期检验,传统的方法是水压试验测量容积残余变形率,但国外目前主
要以超声和声发射检测为主,我国还没有相应的定期检验规程和技术标准,但考虑到长管拖车的特
点,应在定期检验中积极推广超声和声发射检测方法。
参考文献:
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[2] ASTM E 213—2004,Standard Practice for UltrasonicExamination of Metal Pipe and
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[3] 刘三江,郑晖,王勇.对长管拖车气瓶定期检验方法的探讨[J].中国锅炉压力容器安全,
2005,21(2):38.
[4] 陕小平,李邦宪.压缩天然气气瓶临界裂纹尺寸的研究[J].压力容器,2003,20(12):5—7.
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[6] ISO/DIS 16148.2, Gas Cylinders-Refillable Seam- less Steel Gas Cylinders-Acoustic
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[7]CGA C-18-1995, Methods for Acoustic EmissionRequalification of Seamless Steel
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[8] ASTM E 1419-2000,Standard Test Method for Ex-amination of Seamless Gas-Filled
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[9] Blackburn PR, Rana MD. Acoustic emission testingand structural evaluation of
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