高压钢瓶爆裂失效分析

钢瓶材料为42Mn2钢，由块料加热至1200℃，经穿孔、延伸、收口成型、正火等工艺处理。钢瓶出厂前经水压试验，故钢瓶内壁存留水分。爆裂钢瓶使用了13年。爆裂时充装氩气，但在长期的使用期内，曾交替充装不同气体，如充装过CO、CO₂、O₂等气体。

钢瓶爆裂时碎片达200余块，碎块的宏观断口形貌基本相似，均呈放射状、人字纹等特征，属脆性断裂，见图1所示。

断口处取样经金相检验，在钢瓶内壁有沿晶裂纹，裂纹呈分叉的树枝状，具有应力腐蚀开裂形貌，如图2～图3所示。试样经试剂浸蚀后发现显微组织为混合组织，其中有马氏体存在，裂纹均产生于马氏体区，如图4～图6所示。

在碎块上取样，按5mm×10mm×55mm规格作冲压试验，冲击韧度(U型缺口)仅为1.5～5J/cm²，材料冲击值很低。离子探针测定氢相对含量，在距内壁表面约0.5mm处含氢量比外壁区高数倍。

分析结果说明此钢瓶爆裂原因主要是由于材料中存在马氏体组织，正常高压钢瓶不应出现马氏体组织，在长期使用过程中，曾有交替充装不同气体情况，其中CO、CO₂如在潮湿的条件下可作为腐蚀介质使42Mn2钢产生应力腐蚀裂纹。介质在反应过程中可产生氢原子进入材料，而马氏体组织对应力腐蚀及氢脆均较珠光体、铁素体组织敏感，最终在高压气体作用下发生爆裂事故。

图1 实物

图号：图1

说明：爆裂钢瓶200余块样块中一块。断口形貌有放射状条纹，此碎块断口裂源于钢瓶内壁，图中箭头所示处，爆裂时裂纹由裂源处向两侧和外壁扩展，断口形貌属脆性解理断裂。

图2   OMI  100X                                               图3  OMI  200X

图号：图2～图4

说明：爆裂碎块抛光态下金相试样照片。试样垂直于断口切割。图2、图3所示为钢瓶内壁有沿晶腐蚀扩展的沿晶裂纹。图4中裂纹呈分叉的树枝状形貌，具有应力腐蚀裂纹的特征。裂纹内充有腐蚀产物。

图5  OMI 200X                                     图6  OMI 200X

图号：图5～图6

说明：试样经4％硝酸酒精溶液浸蚀。钢瓶内壁处出现铁素体、珠光体与马氏体相混并呈带状分布的现象。

图5中显示了沿晶裂纹分布于马氏体中特征。

图6中裂纹呈树枝状分布于马氏体中，并以显微硬度测试方法证实了两种不同硬度的显微组织，测量结果：马氏体组织硬度为576～635HV0.1，珠光体及少量铁素体区组织

的硬度为290～302HV0.1。

图6为较高倍数下的两种组织的形态，更清晰地观察到马氏体组织中分布有沿晶裂纹。