37Mn钢气瓶开裂原因分析

蔡 煜, 陈松林, 戴敏明, 苏郑卿

(江苏常宝普莱森钢管有限公司, 常州 213200)

37Mn钢气瓶开裂原因分析

蔡 煜, 陈松林, 戴敏明, 苏郑卿

(江苏常宝普莱森钢管有限公司, 常州 213200)

某37Mn钢气瓶在进行水压试验时发生漏水现象，对气瓶进行检查后发现气瓶存在撕裂状开裂。通过对开裂气瓶的宏观形貌、化学成分及微观形貌进行分析和检验，查明了其开裂原因。结果表明：引起气瓶撕裂状开裂的主要原因是其原材料钢管存在外折叠缺陷。

37Mn钢；气瓶；开裂；外折叠

某厂生产的规格为φ108 mm×3.8 mm的37Mn钢管供客户加工成规格为φ152 mm×300 mm的气瓶，气瓶成型后进行水压试验，水压参数如下：压力22.5 MPa，保压时间1 min。在水压达到22.5 MPa时发现一支气瓶开裂漏水。为了查明该气瓶开裂原因，笔者对其取样进行了检验和分析。

1 理化检验

1.1 宏观分析

漏水气瓶宏观形貌如图1～4所示。气瓶开裂处裂缝宽约5 mm、长约130 mm，裂口部位呈分层撕裂状，表面凸起，如图1和图2所示，漏水气瓶上部及底部外表面均有明显的裂纹痕迹，如图3和图4所示。气瓶开裂处内部形貌如图5所示，可看出裂口处大部分存在锈蚀，在椭圆形标记处有明显台阶，且标记处断口基本没有锈蚀，标记处靠近气瓶外表面。撕裂状裂口表面形貌如图6所示，可见大部分断口没有锈蚀，仅在右侧标记处有部分锈蚀，对应图5的右侧锈蚀处。

图1 开裂气瓶宏观全貌Fig.1 Macro full morphology of the cracked gas cylinder

图2 气瓶裂口宏观形貌Fig.2 Macro morphology of crack of the gas cylinder

图3 开裂气瓶上部裂纹形貌Fig.3 Morphology of crack at upper part of the gas cylinder

图4 开裂气瓶底部裂纹形貌Fig.4 Morphology of crack at bottom of the gas cylinder

图5 气瓶开裂处内部形貌Fig.5 Internal morphology of the cracking position of the gas cylinder

图6 裂口表面形貌Fig.6 Surface morphology of the fracture

1.2 化学成分分析

对开裂气瓶取样进行光谱分析，选用标样为37Mn钢，结果如表1所示，可见气瓶化学成分符合相关协议技术要求。

1.3 金相检验

在图1所示1～3号位置取样，经磨制、抛光和4%(体积分数)硝酸酒精溶液侵蚀后在光学显微镜下观察。

表1 开裂气瓶的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of the cracked gas cylinder (mass fraction) %

1号试样裂纹及显微组织形貌见图7～10。从图8可以看出，气瓶显微组织为铁素体+珠光体，且带状组织明显，内壁存在部分脱碳，部分脱碳层深度为0.197 mm。从图8还可以看出，开裂由内向外扩展，在图7所示标记处与外壁撕裂根部汇合。从图9可以看出，外壁撕裂处根部存在扩展裂纹，裂纹沿铁素体区域穿晶扩展。此外1号试样外壁还存在折叠缺陷[1-2]，且缺陷附近存在部分脱碳，脱碳层深度为0.06 mm，如图10所示。

图7 1号试样横截面形貌Fig.7 Cross sectional morphology of sample 1

图8 1号试样内壁裂纹及显微组织形貌Fig.8 Morphology of crack and microstructure at inner wall of sample 1

图9 1号试样外侧裂纹扩展形貌Fig.9 Morphology of crack propagation at the outside of sample 1

图10 1号试样外壁折叠缺陷及显微组织形貌Fig.10 Morphology of fold defect and microstructure at outer wall of sample 1

图11 2号试样内壁横向缺陷形貌Fig.11 Morphology of transversal defect at inner wall of sample 2

图12 2号试样内壁缺陷纵向形貌Fig.12 Longitudinal morphology of inner wall defect of sample 2

2号试样裂纹扩展趋势与1号试样的一致，显微组织也基本一致，但在2号试样内壁发现横向疑似裂纹缺陷，如图11和图12所示，可知气瓶在水压试验时，由内向外形成裂纹，并横向扩展。

图13 3号试样基体显微组织形貌Fig.13 Morphology of matrix microstructure of sample 3

图13为3号试样的基体显微组织形貌，为呈带状分布的铁素体+珠光体，晶粒度9～10级，对比裂纹附近试样显微组织可见，带状有明显改善。

在气瓶底部缺陷处取4号试样，其裂纹及显微组织形貌如图14～16所示，可见其外壁同样存在折叠缺陷，且缺陷附近有少量部分脱碳，脱碳层深度为0.05 mm，观察折叠缺陷根部可以发现存在延伸裂纹，沿着铁素体条带扩展。纵观4号试样，铁素体条带明显，与1号和2号试样一致。

图14 气瓶底部外壁折叠及显微组织形貌Fig.14 Morphology of outer wall fold defect and microstructureat bottom of the gas cylinder

图15 折叠缺陷根部裂纹扩展形貌Fig.15 Morphology of crack propagation at the end of fold defect

图16 裂纹扩展形貌Fig.16 Morphology of crack propagation

2 分析与讨论

对于失效气瓶的金相分析结果表明，气瓶外表面存在折叠缺陷，且气瓶外侧及内侧铁素体条带明显，当气瓶进行水压试验时，外折叠沿着铁素体条带扩展，斜向将气瓶基体撕裂，气瓶有效壁厚减小，导致气瓶在一定压力下由内壁向外壁爆裂，形成撕裂状爆裂口，从图5和图6的撕裂口形貌也可以看出，靠外侧的断口基本无锈蚀，台阶处有大量锈蚀，表明外壁断口是在变形时由外壁缺陷斜向扩展形成的，而台阶处及夹层的锈蚀即靠近内壁处的锈蚀为水压试验时产生的。由图8可以看出裂纹扩展形貌，由内壁开始到壁厚中间与外壁扩展缺陷汇合，最终导致气瓶开裂。由图11和图12的气瓶内壁横向缺陷也可以看出，气瓶有效壁厚减小后，基体承受不住压力，内壁产生横向裂纹，最终导致裂纹沿缺陷扩展。

开裂气瓶内壁铁素体条带明显，且存在脱碳现象，脱碳层组织绝大部分为铁素体，强度较低，气瓶在水压试验受力过程中由内壁薄弱区域开裂，且由于外壁缺陷扩展导致有效壁厚较小，最终导致气瓶开裂。

3 结论及建议

导致该37Mn钢气瓶水压试验时开裂的主要原因是原材料钢管存在外折叠缺陷，建议加强原材料表面质量检验。

[1] 史霞,刘志莹,王道勇.发动机气门弹簧断裂原因分析[J].理化检验-物理分册,2016,52(3):197-201.

[2] 陈猛,余世杰,袁鹏斌,等.NC40钻杆接头裂纹的原因分析[J].理化检验-物理分册,2015,51(9):671-674.

Cause Analysis on Cracking of a 37Mn Steel Gas Cylinder

CAI Yu, CHEN Songlin, DAI Minming, SU Zhengqing

(Jiangsu Changbao Precision Steel Tube Co., Ltd., Changzhou 213200, China)

Water leakage phenomenon occurred to a 37Mn steel cylinder during hydraulic pressure test, and after inspection it was found that the gas cylinder cracked. Through macro analysis, chemical composition analysis and micro analysis of the cracked gas cylinder, the cracking reason was analyzed. The results show that the tearing cracking of the gas cylinder was mainly due to the outer folding defect of the raw material steel pipe.

37Mn steel; gas cylinder; cracking; outer fold

10.11973/lhjy-wl201706018

2016-04-22

蔡 煜(1984-)，女，工程师，主要从事金相检验工作，cai_caiyu2001@163.com

TG115

B

1001-4012(2017)06-0453-04