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壓力容器無損檢測——長管拖車氣瓶的無損檢測技術

文檔作者：劉三江沈功田李邦憲文檔來源：中國特種設備檢測研究中心		點擊數：	更新時間： 2021年08月17日
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壓力容器無損檢測
——長管拖車氣瓶的無損檢測技術
劉三江，沈功田，李邦憲
(中國特種設備檢測研究中心，北京 100013)
摘要：長管拖車是新類型的壓力容器，作為一種高效運輸工具，在許多領域應用廣泛。綜述了
國內外拖車氣瓶在制造和使用過程采用的各種無損檢測方法及標準。方法包括超聲、磁粉、滲透和
聲發射檢測等。并介紹了各種無損檢測方法的特點。
關鍵詞：超聲檢測；磁粉檢測；滲透檢測；聲發射檢測；壓力容器；氣瓶
中圖分類號：TGll5.28 文獻標識碼：A 文章編號：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
長管拖車是將幾個或十幾個大容積鋼質無縫氣瓶組裝在框架里，固定在汽車底盤上，并將氣瓶
頭部連通在一起，作為移動式儲罐給用戶供氣，固定在長管拖車上的無縫鋼瓶稱為長管拖車氣瓶(圖
1)。國內外常用長管拖車氣瓶的設計壓力一般為15～30 MPa，容積為300～2600L，長度為5～12m。
圖1 長管拖車結構圖
長管拖車作為一種運輸工具，由于其具有機動、靈活、便捷及高效等特點，一出現便得到了廣
泛應用，在歐美等發達國家已經有幾十年的歷史，在交通運輸、石油化工、工業制造、科學研究及
居民生活等領域發揮著重要的作用。與管道運輸難以實現地域的全覆蓋和運送介質較為單一相比較，
長管拖車能將氣體運輸到任何通公路的地方，覆蓋范圍更加廣泛，且可運送液化或壓縮的氧、氫、
氮和天然氣等氣體以及其它特種氣體；與傳統小氣瓶運送效率較低相比較，長管拖車氣瓶承載的壓
力高、體積大，大大提高了運輸效率，降低了搬運費用，還減少了單個氣瓶的數量，使不安全因素
和事故發生的可能性也相應降低。
我國自20 世紀90 年代中期開始，從美國和韓國等進口了上百臺長管拖車，但氣瓶型號相對單
一，典型的規格為3AAX-2900 型，材質為4130X，外徑為Ф559 mm，長度為10.46 m，壁厚20 mm，
水容積2183 L，主要用來運輸壓縮天然氣。近兩年，我國也開始從意大利進口無縫鋼管，制造拖車
氣瓶，并組裝長管拖車。
美國建立了完備的長管拖車法規標準體系，其主管政府部門是美國運輸部(DOT)，依據的法律
法規主要有聯邦危險品法(Federal Hazmat Law)、聯邦法規(CFR)和免除令(Exemption)等，聯邦法
規49 CFR part 171～180 是危險品規程，其中49 CFRpart 178 是有關氣瓶的內容，對政府職能、
制造廠責任、檢驗機構及氣瓶設計、制造、檢驗和充裝等方面的技術要求作出了規定。此外還有壓
縮氣體協會(CGA)和美國試驗材料協會(ASTM)制訂的各種技術標準[1]。
我國開始長管拖車的應用、研究和制造時間很短，還沒有足夠的技術和經驗積累，因此沒有形
成成熟的法規標準體系。2000 年版《氣瓶安全監察規程》對1989 年版第2 條“適用范圍”作了修改，
公稱容積適用范圍改為0.4～3000 L，顯然長管拖車氣瓶屬于其監察范圍；而《特種設備目錄》(國
質檢鍋[2004]31 號)又將長管拖車歸類為移動式壓力容器；同時我國專門針對長管拖車制造、使用和
檢驗等方面的技術標準也不完善；另外，長管拖車的車輛部分不屬于特種設備范疇，由交管部門進
行管理。因此，下面根據國內外長管拖車管理、制造、使用和檢驗等情況，重點介紹長管拖車氣瓶
的無損檢測技術。
1 長管拖車制造過程中的無損檢測技術
美國制造長管拖車依據聯邦危險品法、DOT 規范、聯邦法規49 CFR part 178 及相關免除令等，
此外還應用CGA 和ASTM 等相關技術標準；若氣瓶用于固定儲氣站，則遵守美國機械工程師協會
(ASME)規范。我國制造長管拖車遵守《特種設備安全監察條例》《氣瓶安全監察規程》和國家、機
械和冶金行業等相關材料、試驗分析方法和檢驗檢測方法的技術標準，制造企業也建立有企業標準。
長管拖車制造過程的主要流程是，材料入庫驗收→無縫鋼管復驗(外觀、尺寸、厚度、成分、組
織、超聲檢測和磁粉檢測等) →加熱→旋壓/鍛壓收口成形→淬火熱處理→內外表面噴丸處理→檢驗
檢測(表面宏觀檢查、硬度測試、磁粉檢測、按批量取樣作拉伸、沖擊、金相和壓扁試驗等) →機加
工(瓶口螺紋加工和內外螺紋滲透/磁粉檢測) →水壓試驗(外測法) →氣密試驗→最終檢驗(超聲檢測、
測厚和磁粉檢測) →組裝拖車。不同國家及不同企業制造不同規格和要求的拖車氣瓶時，上述制造
和檢驗流程和要求略有不同。
以下介紹氣瓶制造過程中的超聲、磁粉和滲透等無損檢測技術。
1.1 原材料的無損檢測
1.1.1 無縫鋼管的超聲檢測
《氣瓶安全監察規程》第25 條規定原材料無縫鋼管按相應標準的規定進行無損檢測，對盛裝有
應力腐蝕傾向氣體的鋼質氣瓶，原材料無縫鋼管表面應采用超聲波進行無損檢測，瓶體表面不應有
折疊、分層和裂紋等缺陷存在。
原材料無縫鋼管應逐個進行超聲檢測并合格，或由鋼管廠提供超聲檢測合格的報告。鋼管廠已
進行超聲檢測的，可按批抽取10％進行超聲波復驗，抽檢不合格則加倍抽檢，仍不合格則整批逐個
復驗。
我國可用于無縫鋼管的超聲檢測的標準有GB/T 5777—1996《元縫鋼管超聲波探傷檢驗方法》
和JB 4730～1994《壓力容器無損檢測》。兩者都規定了自動和手工兩種檢測方法，其中GB/T 5777
標準能檢出縱向和橫向缺陷，但不能有效檢出層狀缺陷，且沒有給出針對拖車氣瓶缺陷的等級評定；
JB 4730 標準雖然給出了缺陷的等級評定，但其適用的鋼管外徑最大范圍為φ480 mm，而常見拖車
氣瓶用鋼管的外徑為Ф559 mm，不在其范圍之內，另外該標準主要針對縱向缺陷的檢測；因此，國
內需要建立專門針對大型無縫氣瓶的超聲檢測標準，采用自動超聲檢測系統，同時實現縱向、橫向
缺陷的檢測，100％測厚以及折疊和分層缺陷的檢測。目前，國內制造企業應用GB/T 5777 和JB 4730
標準規定的檢測方法、要求和相關國際標準，建立了自動超聲檢測系統對拖車氣瓶進行檢測，通過
至少5 個探頭的排列組合，同時實現縱向、橫向缺陷和折疊、分層缺陷的檢測及100 ％測厚，結果
評定參照國外成熟的標準，確定超聲檢測的合格級別為不低于JB 4730 標準規定的Ⅰ級，即缺陷回
波幅度等于或小于對比試塊人工缺陷(缺陷深度占壁厚的5％)回波。
ASTM E 213—2004 標準可用于拖車氣瓶的超聲檢測［2］，長管拖車制造廠也通過申請DOT 免
除令建有企業的超聲檢測規范，如DOT-E 11916。對拖車氣瓶超聲檢測的主要規定有，自動超聲波
設備應裝有多組排列的傳感器，進行直聲束和斜聲束的檢測，并確保100％瓶壁得到覆蓋，探頭頻
率2.25～5MHz，晶片直徑φ 6.35～φ25.4 mm(φO.25～φ1in)，能自動檢測傳感器與瓶壁間的耦合
狀況，設備每六個月應用國家標準標定過的設備進行校核；作為標準樣瓶的氣瓶段必須與被檢測氣
瓶具有相同的公稱直徑、表面狀況和冶金條件，加工缺陷前須用其它獨立的方法測定樣瓶的平均壁
厚；樣瓶上須至少加工兩個不同厚度的臺階，人工缺陷應模擬點、線和面三類缺陷，面狀缺陷直徑
φ60.325 mm，深度≤1/5 最小設計壁厚，剩余壁厚應與檢測氣瓶的設計壁厚一致，點狀缺陷直徑φ6.35
mm，深度≤1/3 最小設計壁厚，線狀缺陷深度為氣瓶最小設計壁厚的1/5；設備上次標定已超過4 h
或完成50 個氣瓶檢測時，必須重新標定；檢出缺陷或有懷疑時，則按ASTM E 213 標準進行手工
超聲檢測。
1.1.2 無縫鋼管的磁粉檢測
原材料無縫鋼管的磁粉檢測沒有強制要求，制造廠可根據實際情況選擇是否進行檢測。磁粉檢
測的主要目的是檢測鋼管表面是否存在裂紋缺陷。
磁粉檢測按照JB 4730 標準進行，一般使用大型固定式磁粉探傷機，采用軸向通電法，周向磁
化，以發現瓶體危險性最大的縱向裂紋。
1.2 氣瓶成形后的無損檢測
1.2.1 氣瓶成形后的磁粉檢測
鋼管經旋壓或鍛壓收口成形、淬火熱處理及內外表面噴丸處理后，應進行100％磁粉檢測，主
要是檢測瓶體是否在熱處理過程中產生表面裂紋及其它缺陷。不同國家和企業在氣瓶成形和熱處理
后的檢測要求不盡相同，有的磁粉檢測放在水壓試驗后進行。但從生產流程看，最好在這一階段進
行100％磁粉檢測，因為淬火熱處理產生裂紋等危險性缺陷的可能性較大，如存在該類缺陷，通過
磁粉檢測既可盡早發現并及時進行修復處理，又可防止其導致氣瓶在隨后的水壓試驗中破裂，避免
對試驗設備和人員造成危害。
磁粉檢測試驗方法同1.1.2 節所述。
1.2.2 瓶口螺紋的磁粉/滲透檢測
瓶口內外螺紋加工完成后，除應用標準螺紋塞規和螺紋環規檢測螺紋精度外，還應對內外螺紋
進行表面檢測，主要目的是檢出螺紋表面是否存在裂紋和氣孔等缺陷。由于瓶口較小，磁粉檢測操
作和觀察不便，最好采用滲透檢測方法。磁粉和滲透檢測按照JB 4730 標準進行。
1.3 氣瓶水壓試驗后的無損檢測
氣瓶水壓試驗合格后，應進行100％超聲檢測；若熱處理后未進行100％磁粉檢測，則還應進
行100％磁粉檢測。
超聲和磁粉檢測方法及標準同1.1 節。超聲檢測的合格級別為不得存在超出鋼瓶瓶體最小壁厚5
％的缺陷，磁粉檢測不得有任何裂紋存在。另外，由于瓶肩處的瓶體弧度和厚度急劇變化，超聲檢
測不能實施，因此實際上無法實現100％覆蓋，免除令DOT-E 11916 規定超聲檢測所覆蓋的區域必
須是半球封頭切點外76.2 mm(3in)處的100％圓弧段；瓶肩處則應通過其它檢測手段檢測，瓶肩與
圓筒應圓滑過渡，不允許存在裂紋、折疊和皺褶等缺陷。
2 在用長管拖車氣瓶的無損檢測技術
長管拖車與生產生活關系密切，造價昂貴，往來于城市道路和人口、建筑物密集區，拖車氣瓶
工作壓力高，介質易燃易爆，一旦發生事故，將產生巨大的生命財產損失和惡劣的社會影響，因此，
通過定期檢驗確保其安全可靠運行具有重大的經濟和社會價值。我國最早進口的一批長管拖車使用
已超過5 a(年)，使用狀況不明，盡快開展在用長管拖車定期檢驗工作具有緊迫性。但我國還沒有針
對長管拖車定期檢驗的規程和技術標準，至今尚未全面開展在用長管拖車氣瓶的定期檢驗工作。
氣瓶定期檢驗常用的方法是水壓試驗測量容積殘余變形率。但拖車氣瓶水壓試驗表明，長管拖
車氣瓶瓶壁局部減薄和存在裂紋缺陷，即使情況相當嚴重，水壓試驗時也不會出現明顯的容積殘余
變形，水壓試驗方法不能有效評價長管拖車氣瓶的安全性，用于定期檢驗意義不大[3]。長管拖車氣
瓶材料為低合金鋼，使用中又承載很大的拉伸應力，盛裝壓縮天然氣時在濕硫化氫作用下，主要的
破壞模式是腐蝕導致壁厚減薄和應力腐蝕產生裂紋并快速擴展，從而導致氣瓶在下次檢驗之前破壞，
發生低應力脆斷，因此，對拖車氣瓶的安全性評價不能采用傳統的強度理論，而應該用斷裂力學的
分析方法，在定期檢驗中用聲發射、超聲、磁粉或滲透等無損檢測手段檢出危險性缺陷，用應力腐
蝕開裂界限應力強度因子K Iscc 評價其安全性［4］。
2.1 國外長管拖車氣瓶定期檢驗的無損檢測技術
關于長管拖車氣瓶定期檢驗與評定，美國法規規定采用內外部宏觀檢驗和水壓試驗，容積殘余
變形率>10％則氣瓶判廢，但同時規定了以免除令的方式可采用其它檢驗方法代替內部宏觀檢驗和
水壓試驗［5］，如免除令DOT-E 11916 和DOT-E 10922 規定可采用100％超聲檢測代替內部宏觀檢
驗和水壓試驗，免除令DOT-E 12413，DOT-E 9419 和DOT-E 9847 規定可采用聲發射/超聲波檢測
代替內部宏觀檢驗和水壓試驗，CGA 和ASTM 都規定有超聲和聲發射等檢測技術標準。國際及歐
洲標準有ISO 11120—1999《無縫管制鋼瓶設計制造檢驗》、EN 1968《無縫鋼質氣瓶定期檢驗》(規
定內外宏觀檢驗+水壓試驗，外部宏觀檢驗+自動超聲檢測，外部宏觀檢查+驗證性試驗)和
ISO/DIS16148．2 標準(規定外部宏觀檢查+聲發射檢測+手動超聲檢測+1.1 倍氣壓)［6］。目前，國
外95％以上長管拖車氣瓶都采用聲發射/超聲檢測為主、配以外部宏觀檢查的定期檢驗方法，該方法
很好地兼顧了安全性與經濟性，不僅沒有經該方法定期檢驗后出現事故的案例，而且檢驗費用降低
了30％以上。
2.2 長管拖車氣瓶定期檢驗的超聲檢測技術
超聲檢測方法同1.1 節所述，免除令DOT-E11916 規定氣瓶有以下缺陷必須評為不合格：
(1)單塊面積>28.39 cm2(4.4 in2)，壁厚小于最小設計壁厚。
(2)單點缺陷深度>1/4 最小設計壁厚、直徑>6.35mm(0.25in)時，必須用手工超聲檢測復驗；若
深度>1/4 最小設計壁厚、直徑>25.4 mm(1 in)，氣瓶不合格。
(3)線狀缺陷深度>1/5 最小設計壁厚、長度>6.35mm(0.25in)時，必須用手工超聲檢測復驗；若
深度>1/5 最小設計壁厚、長度>60.325 mm(2.375 in)，氣瓶不合格。
與水壓試驗相比，100％超聲檢測的優點是①對氣瓶測厚、作徑向和周向檢測，有針對性地發現
氣瓶腐蝕減薄、線性腐蝕和應力腐蝕裂紋等危險性缺陷，有效確保安全性。②檢測技術成熟、可靠。
③工藝過程簡單，檢測效率高。④無需水壓試驗用泵、深井、夾套及干燥等工裝設備，成本低，同
時避免對氣瓶內部造成污染。
100％超聲檢測的不足之處在于不能實現長管拖車氣瓶的不拆卸檢驗，仍需拆卸和重裝氣瓶，不
僅可能破壞拖車結構的完整性，還因檢驗耗時長、工裝設備和場地條件投入大、需要噴丸與油漆等
表面處；理等增加成本，影響經濟效益；此外，由于氣瓶頭部結構不規則，壁厚變化大、不均勻，
無法進行超聲檢測，造成檢測盲區以至漏檢，留下安全隱患；超聲檢測對內外表面小缺陷不敏感，
必要時應配合表面磁粉和滲透檢測，這對防止應力腐蝕損傷有重要意義。
2.3 長管拖車氣瓶定期檢驗的聲發射檢測技術
氣瓶聲發射檢測是在氣瓶加壓過程中進行的，瓶壁材料在加壓時產生應變并儲存應力應變能，
若產生變形或有缺陷擴展，則變形或缺陷處會以彈性波形式釋放出應力應變能，該彈性波即為聲發
射信號。通過專門的聲發射傳感器和儀器，可采集和分析聲發射信號，從而檢出缺陷的位置和參數。
早在1983 年，美國運輸部就以免除令的方式規定可用聲發射檢測技術代替內部宏觀檢查和水
壓試驗。相應的技術標準，如CGA C 一18—1995［7］。和ASTM E 1419—2000 ［8］等，現已成為
拖車氣瓶定期檢驗的主要方法，已完成數千只氣瓶的定期檢驗，有效檢出了氣瓶存在的缺陷，經聲
發射檢驗的氣瓶還沒有發生事故的報道［9］，實踐證明了該項技術進行拖車氣瓶定期檢驗的有效性和
可行性。我國也頒布了國家標準GB/T 18182—2000《金屬壓力容器聲發射檢測及結果評價方法》。
進行聲發射檢測時，聲發射探頭布置于長管拖車氣瓶兩端，通過前置放大器與主處理器相連，
構成檢測系統。試驗介質為純凈氮氣，試驗壓力一般為工作壓力的1.1 倍，在加壓和保壓過程中采
集、處理和分析聲發射信號，確定聲發射事件源的部位，對有意義的源用超聲、磁粉或滲透等方法
復驗，確定缺陷的性質和大小。聲發射檢測的顯著優點是①能有效發現瓶壁上存在的活性腐蝕和裂
紋等危險性缺陷部位，再進行復驗，檢驗針對性強。②可實現多氣瓶同時檢驗，除少量需復驗的氣
瓶外，無需拆卸，不破壞拖車整體結構，停產時間短，效率高，很好兼顧了安全性和經濟性。③與
水壓試驗測量容積殘余變形率相比，對場地和工裝設備要求低，檢驗便捷，成本低。④技術成熟可
靠。
3 結論
在長管拖車氣瓶的制造和使用過程中，無損檢測技術對保證其質量和安全運行發揮著重要的作
用。對于原材料鋼管和氣瓶制造過程及最終檢驗，以超聲和磁粉檢測為主，瓶口螺紋最好采用滲透
檢測方法；對于在用過程的定期檢驗，傳統的方法是水壓試驗測量容積殘余變形率，但國外目前主
要以超聲和聲發射檢測為主，我國還沒有相應的定期檢驗規程和技術標準，但考慮到長管拖車的特
點，應在定期檢驗中積極推廣超聲和聲發射檢測方法。
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