气瓶制造检验技术的探讨

章金波

摘要：现代气瓶的生产技术主要集中在解决封头位置的应力状态，通过数据比对和生产寄宿升级，来提高应力平衡水平，从而提升气瓶的整体质量水平，使其能够在更为复杂的生产环境当中得以充分运用。

关键词：气瓶；工业气体；焊接；封头应力

引言

气瓶的生产与制造关系着工业应用的实际质量水平，当前，气瓶主要应用于高精尖科技领域，技术生产能力将直接对高精尖产业项目的持续发展产生影响。其中较为典型的应用场景为航空航天领域，不同类型的气瓶有着不同的应用对象，在制造技术方面需要不断精进，不断提升相关的检验监督能力水平。

1.气瓶的工业发展与技术特性

气瓶的主要功能在于通过气瓶设备完成对于工业气体的高质量低损耗运输，在工业技术领域针对不同的应用场景，所采用的的工业气体运输方案有所不同，相对应的气瓶生产和技术标准也有一定差异。目前常见的工业生产领域中，主要表现为三个方面的应用特征。首先是需要使用大规模工业气体的用户，他们对于管道输送能力和气瓶的整体质量要求最高。其中较为典型的是钢铁行业以及化工行业；其次是中等用量的工业生产环境，其主要采用深冷液态气体槽车进行运输；最后是小体量工业环境，他们在气体使用中所需品种较多，使用相对分散，这一类工业环境是高压气瓶的主要服务目标对象。随着技术不断升级，气瓶也诞生出了不同的类型，应用于不同的领域。常见的气瓶可以分为钢制气瓶、铝合金气瓶以及复合气瓶。其中钢制气瓶由德国工业领域研发，为德国曼内斯曼钢管公司制造。钢制气瓶主要采用钢材职称，通过焊接的方式实现无缝球形气瓶设备，广泛应用与工业气体运输领域。我国在上世纪六七十年代开始引入相关技术，并进行相关设施设备的研制生产，目前，钢制气瓶是国内应用氛围最为广泛的气瓶设备之一。铝合金气瓶是钢制气瓶基础之上追求更高经济效益所形成的气瓶。同样作为无缝气瓶，铝合金气瓶主要采用铝合金材料职称，具有更高的耐腐蚀性和轻便性。当前铝合金气瓶的研制与技术升级是主要发展趋势，但是在应用领域方面，铝合金气瓶的应用领域相对几种，主要在潜水、医疗等领域进行应用。复合气瓶主要采用复合材料制成，能够实现气瓶的更高承压效果。复合材料气瓶是在金属或非金属材料上缠绕纤维材料的缠绕气瓶，它出现于20 世纪 50 年代，是在火箭发动机复合材料机壳技术的基础上发展起来的。发展初期，复合材料气瓶的制作方法是用玻纤 ( 玻璃纤维 ) 浸渍环氧树脂缠绕于橡胶内胆上制成的。这种气瓶相对钢质气瓶来说，其重量降低很多。但由于玻璃纤维的气体渗透率较大，及其较低的抗应力断裂及静态疲劳能力，因此气瓶生产中安全系数的设计都较高。到了 20 世纪 60 年代，复合材料气瓶开始采用金属内胆来制作。相对橡胶内胆的复合气瓶来说，采用金属内胆的复合气瓶的渗透率降低很多，但金属内胆的疲劳寿命受到限制。20 世纪 70年代，商业上开始增加复合气瓶的应用。在铝内胆或钢内胆上缠绕玻璃纤维和芳纶纤维制作的复合材料气瓶，多用于消防呼吸器和民用飞机滑梯充气。到了 20 世纪 90 年代，批准复合材料气瓶采用新材料碳纤维进行制作，复合材料气瓶在压缩天然气车用瓶领域得到了广泛应用。

2.气瓶的刚体力学分析

2.1气瓶封头部分的应力分析

想要提高气瓶的生产质量，时期能够在更为复杂的生产环境当中实现稳定高效的应用，需要对特殊形制条件下的应力环境与应力状态进行分析。从形制观察当中可以发现，气瓶的封头位置，相比于其他形制的封头，在相同体积之下，拥有更小的面积。同时，气瓶的封头，在相同筒体直径、相同的封头壁厚数据以及所承受的相同内压状态条件之中，气瓶的封头之上各处点位的应力最小。

2.2气瓶封头与筒体连接处的力学特点

气瓶的构成为一个封头和一个筒体共同构成，在应力环境中，气瓶与其他同类型旋转壳体的力学环境相类似，当壳体的一个部分与另一个部分的连接边缘进行相互焊接中，都会产生十分显著的附加应力。气瓶的实际运输当中，同样会表现出在封头与筒体连接位置的附加应力，随着应力的变化的不断增大，相应的连接处应力产生的影响也会持续提升，最终会导致因局部应力过大而称为薄弱环节。从计算方法角度出发，依照无矩理论进行技巧，能够判断封头壳体与筒体壳体之间连接处的边缘为零，计使用中两个部分壳体分别进行 δ1和 δ2 的位移，可以得到两部分壳体在相互连接中所构建的平行园会表现出不相等的形变，且保持中曲面连续状态，沿着连接位置形成 m 弯矩的剪应力，最终导致壳体本身在应力影响下发生严重形变。针对应力情况需要在设计阶段和焊接生产阶段有所考虑，降低应力影响，提高平衡性。

3.气瓶制造检验技术重点考量

3.1注意接头为至催化问题

气瓶所采用的 TC4 钛合金在焊接当中容易遭受污染，除了在熔化状态当中会遭受污染，在高温固态状态下也容易收到空气、水分等的污染。在污染当中吸收空气中氧、氮等元素后，使得焊接位置接头的塑性和冲击韧性都出现显著下滑，并且在接头处出现明显的气孔。如果不能够对焊接接头位置的催化情况进行保护，就会导致整体设备的刚度不足，在应力条件下更容易损坏。

3.2注意冷裂纹情况

钛合金材料当中硫元素、碳元素等杂志含量较少，因此在世纪焊接当中，很少会产生显著的热裂纹现象。但是，钛合金材料本社容易收到氧、氢等杂志的污染，当材料本身存在较高杂志含量，焊接过程中的及温度升高就可能导致材料整体变脆，在所处位置的焊接盈利作用当中，产生十分鲜明的冷裂纹。在众多因素当中，氢元素产生的杂质污染是导致焊接位置出现冷裂纹的主要因素，在实际高温环境当中，氢会出现向周边低温区逸散的运动状态，当氢富集到较高程度之后，就会在固液体当中析出 TiH2，造成局部内应力的扩大，最终出现冷裂纹。

3.3注意接头为主晶粒粗化

TC4 钛合金作为球形气瓶，相较于其他金属材料而言，本身具有熔点更高、热容量相比而言更小、热导率更低的优势特点。但是在球形气瓶封头与筒体进行焊接的过程中，则容易产生过热组织，导致焊接接头位置的晶粒变得更为粗大。在众多合金材料中，β 钛合金所产生的变化问题最为显著，随着晶粒不断变大，相应的材料整体的塑性以及断裂韧度都会显著降低。对于焊接处理来说，需要控制温度，避免过热问题的发生。

4.焊接工艺优化与监督管理

焊接方面的工艺优化主要针对焊接预热环节以及后热阶段的有序处理，工艺方案中需要正确选择预热和后热参数，有利于改善焊接接头的组织性能，降低焊缝和近缝区的氢含量，从而有效提高焊缝抗裂性能。考虑到 TC4 钛合金产品的焊接特点及焊接操作的条件，焊接施工当中，需要控制温度，最终选择预热温度为 180℃ ，层间温度控制在 180 ～ 350℃ ； 后热温度为 380 ℃ ，保温两个半小时。在监督管理方面，主要采用无损检测策略，针对当前气瓶进行质量检验。为了保证所选定的无损检测方法可靠地检测出产品可能存在的缺陷和达到标准要求，确保正确地实施检测，并对检测结果做出正确地判断和评定，我们制定了气瓶无损检测的通用要求 ： 所有无损检测在焊后三十六小时外观检查合格后进行。对原材料进行全面 UT 检测。③ RT 依照 JB/T4730.2—2005 Ⅱ级合格，UT、MT、PT 等部分依照 JB/T4730—2005 Ⅰ级检验合格。

结语

气瓶的质量保障得益于制造过程对各关键部门和关键工序的质量检验。准确确定关键部件，有效筛选关键工序，正确选择检验方法，是确保气瓶完工产品质量的有效措施。

参考文献

[1] 罗子强 , 孙梅 , 刘毅勇 . 气瓶制造与监督检验[J]. 金属加工（热加工）,2010(12):35-38.

[2] 丁兴忠 . 压力容器制造质量控制与监督检验措施研究论述 [J]. 化工管理 .2015,(36).