摘要：铝合金无缝气瓶具有优良的低温冲击性能、质量轻和耐腐蚀性好等特点，用来盛装压缩气体、高压液化气体等，广泛应用于高纯气体的贮存等领域。为确保无缝气瓶安全使用，必须定期对其进行安全性能检验，在压力试验过程中，发现气瓶瓶口发生了开裂。为了弄清开裂原因，采用了宏观检验、化学分析、金相分析和扫描电镜分析等多种方法对开裂铝合金无缝气瓶进行了检测，并依据检验结果对发生开裂的原因进行了综合分析，气瓶的开裂为低周疲劳扩展后的过载断裂，开裂起始的主要原因为内腔折叠裂纹。
关键词：铝合金；无缝气瓶；折叠裂纹；定期检验；开裂；氧气瓶
铝合金无缝气瓶具有优良的低温冲击性能、质量较轻、耐腐蚀性好等特点，主要用来盛装压缩气体、高压液化气体等，广泛应用于工业、医疗、救生、饮料配制以及高纯气体的贮存等领域［１－２］。为了确保铝合金无缝气瓶安全使用，必须对铝合金无缝气瓶进行定期检验［３－４］。某医用气体有限公司对一批铝合金无缝气瓶进行定期检验，出厂编号为９８６８８０的铝合金氧气瓶进行水压试验时，该气瓶瓶口发生了开裂［５－７］。该批气瓶的外径约为２０５ｍｍ，规格为１３Ｌ，材质系铝合金６３５１［８－９］，工作压力为１５ＭＰａ，水压试验压力为２２．５ＭＰａ，充装氧气质量为１５ｋｇ，瓶口螺纹为锥螺纹。
１宏观检验及化学成分分析
１．１宏观检验泄漏开裂发生在瓶口至瓶肩处，从外表面可看到裂纹穿越瓶口沿纵向对称分布，纵向长度约１４５ｍｍ，裂纹开口宽约２ｍｍ以上（见图１）。从内腔观察，可见内表面由瓶口辐射状起伏折皱，呈瓜瓤状，对称的宽大穿透裂纹沿折叠沟槽分布，同时还可看到另有沿沟槽的细小裂纹在瓶口内表延伸（见图２）。宽大裂纹打开后裂面宏观形貌如图３所示，可见以瓶口孔为对称轴，裂面的深色区呈蝴蝶状分布，该深色区在瓶口底两侧沿内表有较光滑狭长带（见箭头Ａ所示），由该狭长带内侧起始有辐射状条纹向气瓶外表发展，表明深色区裂纹由内向外扩展。在深色区两侧尾段，为银灰色裂面，可见由深色区延续向两侧沿瓶壁发展的条纹。对裂面边缘狭长Ａ区进一步观察，可见表面光滑微型起伏为自由表面形态，拟为折叠凹面，其边缘有许多由裂面起始的台阶，向外表扩展（见图４）。在内腔瓶口处，还可看到多条由内腔折叠凹沟向瓶孔壁沿轴向发展的裂纹，长短不一，长的约为５ｍｍ，同时，可见瓶口内壁留有粗糙的加工刀痕。１．２化学成分分析瓶体上取样对气瓶的金属元素进行化学分析，结果见表１，满足ＧＢ／Ｔ３１９０—２００８［１０］的相关要求。
２扫描电镜分析
对打开的裂面相关各区域进行微观分析［１１］。裂面Ａ向近边缘处低倍下形貌如图５所示，中间大片平滑微起伏区域为折叠表面；左上角为裂面，其边缘有层片状分离，可能与挤压变形、滑移相关，右下角为内腔表面，呈纤维状折皱。内腔表面高倍下形貌如图６所示，有平行状分布的曲折细沟，可能为变形拉长、表面破裂形成，并可见基体中合金硬化相呈小颗粒状分布在沟槽及表面。近裂面的折叠面上可见氧化覆盖物，隐约可见与拉长相关的细沟（见图７）。裂面边缘区域形貌如图８所示，图左上角区为裂面，呈层片状及小凹坑形貌；右下角为折叠面，相对平整；裂面边缘呈撕裂韧窝形貌，表明在冲击拉应力下启动开裂。上述图３中所示裂面上“新”（亮色）、“老”（深色）区交界处低倍下形貌如图９所示，左上角为新裂面，层片明显，右下角为老裂面，相对圆浑，老裂面上有明显的氧化现象。老裂面呈受挤压的准解理花样，并有变形的韧窝（见图１０）。
３金相分析
３．１开裂面的法向截面近边缘处组织呈纤维状斜向分布，裂面由曲折面沿纤维延伸而成，并可见边缘层片状分离形貌，在内腔表面及折叠面交界处，可见表面呈波状起伏，而在起伏的峰谷均有不同程度的开裂，高倍下，内腔表层呈胞状突起，与挤压变形相关，组织为：α（Ａｌ）基体上布有点状化合物硬化相，呈纤维状分布，在表面有许多沿变形带开裂现象，表明表层组织承受不协同变形而错位开裂（见图１１）。在折叠面表层，可见表面沿变形纤维分布，且沿变形纤维发生开裂，其尾段呈树根状分枝分布，且与组织流变相协同（见图１２）。３．２近瓶口内腔的法向截面近瓶口收缩状变形、折叠并开裂（见图１３），图中的“山”形区呈对称分布，拟与两侧金属突进包裹而形成，其两侧有多条平行分布的与组织流变相关的裂纹。在内腔表面，瓜瓤状突起，其峰谷均分布着长短不一的与流变相关的裂纹（见图１４）。３．３瓶体区域在横截面上，可见内腔表面波状起伏，在波谷区未见明显开裂现象，组织趋带状分布（见图１５）。在纵截面上，可见组织为：α（Ａｌ）基体上分布有点状化合物硬化相，组织趋带状偏析分布（见图１６）。
４结果分析
由金相分析表明，基体组织中未见会导致开裂的缺陷。由化学分析可知，铝合金气瓶的化学成分符合铝合金６３５１相关技术要求（ＧＢ／Ｔ３１９０—２００８）。由宏观检测、扫描电镜分析可见，气瓶的瓶肩、瓶口区内腔表层有剧烈的收缩状折叠，部分折叠发展为裂纹，并有不同程度扩展。综合宏观、微观分析可见，气瓶的开裂为低周疲劳扩展后的过载断裂，开裂起始的主要原因为内腔折叠裂纹，在折叠裂纹的尾端因应力集中效应，在内腔拉应力下极易发生瞬时过载性开裂。在压力试验中的瞬时冲击应力下，裂纹启动，并不断扩展，尤其一些较深的折叠裂纹则优先启动开裂，并优先不断扩展，直至穿透瓶壁发生泄漏。
５结语
通过上述研究可以得出如下结论。１）铝合金气瓶的化学成分符合ＧＢ／Ｔ３１９０—２００８相关技术要求。２）气瓶的瓶肩、瓶口区内腔表层有剧烈的收缩状折叠，部分折叠发展为裂纹。３）折叠裂纹的尾端应力集中，在内腔拉应力下极易发生瞬时过载性开裂，气瓶的开裂为低周疲劳扩展后的过载断裂。
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作者：石生芳 左延田 浦哲 顾福明 单位：上海市特种设备监督检验技术研究院
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