高壓氣瓶漏氣分析

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(中國空空導彈研究院，洛陽 471009)

2016年4月，在某飛行器測試過程中發生未解鎖故障，為舵機提供動力的氣源裝置無法正常工作，逐級拆解后發現其中氣瓶貯存的氣體全部漏光，無法驅動舵機完成規定動作。舵機是飛行器飛行控制的關鍵部件，一旦出現問題將導致其失去機動能力，無法工作，因此非常有必要對小氣瓶漏氣的原因進行分析。小氣瓶所用材料為0Cr12Mn5Ni4Mo3Al合金，本工作對故障件進行了各項檢測，并分析了其失效原因。

1 理化檢驗與結果

1.1 漏氣部位形貌觀察

為查找漏氣部位，向漏氣的氣瓶中通入高壓氣體并置入盛有酒精的玻璃燒杯中，小氣瓶瓶頭位置有連續氣泡冒出。用檢漏液對瓶頭和密封錐密封進行了涂抹，密封錐無氣泡冒出，瓶頭頂部的銹斑處檢漏液呈細小的密集氣泡狀。將檢漏液去除后觀察發現，漏氣部位位于瓶頭與密封錐交界處,并可見一直徑約3 cm的黃色銹斑，見圖1。放大后觀察發現，銹斑位置可見徑向裂紋及點蝕坑，見圖2。

1.2 化學成分分析

從漏氣氣瓶的瓶頭漏氣部位附近取樣進行化學成分分析，結果如表1所示。結果表明：漏氣氣瓶的材料成分符合標準要求。

圖1 漏氣部位的位置及形貌Fig. 1 Location and appearance of the leaky part

圖2 漏氣部位的裂紋及點蝕坑Fig. 2 Cracks and corrosion pits on the leaky part

1.3 金相觀察

從漏氣氣瓶的瓶頭漏氣部位附近截取縱向金相試樣，磨制拋光腐蝕后觀察，結果如圖3所示。結果表明：漏氣氣瓶材料的組織為馬氏體+少量殘余奧氏體+呈帶狀分布的δ鐵素體，漏氣部位組織與瓶頭其他位置的組織未見明顯區別。

1.4 非金屬夾雜物測試

從漏氣氣瓶的瓶頭位置取樣，采用GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》中ASTM標準評級圖B法，對非金屬夾雜物含量進行測試，結果如表2所示。結果表明，漏氣氣瓶材料中的非金屬夾雜物含量較高。

1.5 硬度測試

對漏氣氣瓶的瓶頭位置進行硬度測試。結果表明，該處硬度約為51.0 HRC。該處硬度與相同熱處理 條件下中國航空材料手冊中的規定值(50.5HRC)基本一致。

(a) 低倍 (b)高倍，δ鐵素體 (c)高倍，殘余奧氏體圖3 漏氣氣瓶的金相組織Fig. 3 Metallographic structure of the leaky cylinder：(a) at low magnification; (b) at high magnification, δ ferrite; (c) at high magnification, residual austenite

樣品A類B類C類D類細系粗系細系粗系細系粗系細系粗系1號1.002.00.50.50.51.50.52號0.51.01.51.01.00.52.00.5

1.6 腐蝕表面形貌及腐蝕產物分析

通過掃描電鏡對瓶頭漏氣部位進行觀察，漏氣部位有較多腐蝕產物覆蓋，可見一明顯的徑向裂紋，裂紋呈斷續直線狀，全長約2 mm，見圖4(a)。漏氣部位位于裂紋中間位置，放大后可見大量腐蝕產物和泥狀花樣，見圖4(b)。

采用能譜儀對漏氣部位的腐蝕產物進行成分分析，結果見表3。結果表明，腐蝕產物中含有0.78%(質量分數,下同)Cl和0.66% S，兩者均為腐蝕性元素。

1.7 斷口形貌及腐蝕產物分析

將漏氣氣瓶沿漏氣部位裂紋打開，其斷口的宏觀形貌見圖5。由圖5可見：斷口平整、無氣孔和疏松等冶金缺陷、無明顯塑性變形;斷口兩側銀白色新鮮斷口為人為打開區；中部為原始斷口，斷口有黃褐色鐵銹覆蓋，可見上凸圓??；瓶頭外表面的銹蝕情況比內表面嚴重。根據圓弧形態和銹蝕程度判斷，裂紋是從瓶頭外表面起裂，并向內側擴展，直至貫穿整個斷口。

用掃描電鏡觀察斷口的微觀形貌，如圖6所示。

(a) 低倍

(b) 高倍圖4 漏氣部位的腐蝕形貌Fig. 4 Corrosion morphology of the leaky part at low (a) and high (b) magnifications

圖5 漏氣氣瓶斷口的宏觀形貌Fig. 5 Macro appearance of the fracture of the leaky cylinder

由圖6可見：斷口源區腐蝕程度最重，可見一直徑約0.12 mm的腐蝕坑；擴展區占據了斷口的絕大部分，以沿晶斷裂和準解理斷裂為主；終斷區的最邊緣可見韌窩形貌。

(a) 裂紋源區 (b) 裂紋擴展區 (c) 瞬斷區 圖6 斷口各區域的微觀形貌Fig. 6 Micro-morphology of different areas in the fracture:(a) crack initial area; (b) crack growth area; (c) final fracture area

用能譜儀對斷口各區域腐蝕產物的成分進行分析，結果見表4。由表4可見，整個斷口均檢出了氯元素和硫元素，在裂紋源區這兩種元素的含量較高，在裂紋擴展區較低。

表4 斷口各區域腐蝕產物的EDS分析結果(質量分數)Tab. 4 EDS analysis results of corrosion products on different areas in the fracture (mass) %

2 分析與討論

泄漏氣瓶的化學成分合格，金相組織正常，硬度符合要求，斷裂部位無氣孔、疏松等冶金缺陷。斷口分析表明，氣瓶開裂部位斷口平整，無明顯塑性變形，外表面的腐蝕產物及斷口均檢出氯元素和硫元素，這些均符合應力腐蝕斷裂特征。經了解，漏氣氣瓶從出庫裝配到試驗經歷了約2 a時間，因此初步判斷故障件發生了應力腐蝕開裂。

應力腐蝕是在拉應力和腐蝕介質共同作用下發生的金屬結構斷裂現象，這種腐蝕損傷會使金屬結構在工作應力遠小于許用應力且外觀并無明損傷的情況下發生失效。金屬材料產生應力腐蝕需具備以下條件：材料具有應力腐蝕敏感性； 材料中必須存在拉應力，且拉應力愈大斷裂所需的時間愈短，斷裂所需應力一般都低于材料的屈服強度；材料所處環境存在特定的腐蝕介質[1-2]。

2.1 材料分析

不同金屬材料都有特定的應力腐蝕敏感介質[3]。漏氣氣瓶的材料為0Cr12Mn5Ni4Mo3Al節鎳型半奧氏體沉淀硬化不銹鋼，該材料對氯離子具有應力腐蝕敏感性。

同時復查氣瓶材料發現，其所用材料的冶煉方法是電弧爐+電渣重熔。該方法會導致夾雜物含量較高，非金屬夾雜物測試結果也驗證了這一點。鋼的潔凈度是影響應力腐蝕的重要條件，夾雜物周圍易產生應力集中使其成為裂紋的發源點[4]。非金屬夾雜物的尖端首先產生應力集中效應，在活性陰離子和拉應力的聯合作用下，尖端及附近區域發生塑性及屈服變形，導致表面鈍化膜破裂，新裸露的金屬表面相對于鈍化表面的電位變負，形成一個面積特別小的陽極，以較大的腐蝕電流迅速溶解成縫隙。腐蝕電流流向孔隙，即流向陰極，在陰極上發生如下反應：

(1)

(2)

微觀滑移再次破壞非金屬夾雜物尖端的表面膜，使尖端又一次加速溶解。這些步驟連續交替進行，裂紋便不斷沿尖端擴展延伸，最終沿顯微孔隙及非金屬夾雜物尖端產生的裂紋相互銜接起來，即形成了應力腐蝕裂紋[5]。

2.2 應力分析

氣瓶正常工作壓力為40 MPa，用有限元分析軟件模擬結構完整、良好時氣瓶瓶頭附近的應力分布規律，如圖7所示。分析結果表明：氣瓶瓶頭頂部外表面以受拉應力為主、內壁以受壓應力為主；在40 MPa內壓作用下氣瓶瓶頭頂部外表面受到的拉應力為150～500 MPa。漏氣部位的應力為拉應力，且數值接近最大拉應力。

(a) 外表面 (b) 內表面 圖7 氣瓶瓶頭最大主應力分布Fig. 7 Largest main stress distribution in the head of cylinder： (a) inner surface; (b) outer surface

2.3 介質分析

故障氣瓶的外表面和斷裂面上均能檢測出氯元素，為弄清來源，對氣瓶生產及后續裝配過程中接觸的介質進行清查，發現操作者在氣瓶裝配過程中裸手接觸氣瓶,使手汗中的氯元素殘留在氣瓶表面。同時發現該氣瓶經歷了多次低溫試驗，在低溫出箱加載測試時氣瓶表面的凝霜融化成水膜，水珠在瓶頭與充氣嘴的縫隙處積聚，引發瓶頭中心區域的氯元素積聚。對多件同批次的氣瓶進行了能譜檢測，在氣瓶瓶頭表面上均檢測到了氯元素。

在干濕交替環境中,薄液膜中水分的蒸發, 薄液膜中的離子含量增大,裂紋尖端內部的侵蝕性離子會發生離子集聚和酸化,這會促進裂紋尖端的陽極溶解和陰極析氫反應, 反應產生的氫通過應力誘導作用在裂紋尖端的高應力應變區富集,進一步促進裂紋尖端的陽極溶解,同時產生氫脆效應,共同促進應力腐蝕裂紋的萌生與擴展[6]。同時，在工業污染海洋大氣環境中,SO2等工業污染物的沉積及其對薄液膜的酸化作用會同時促進金屬的陽極溶解過程和陰極析氫反應, 另外生成的FeSO4也具有酸的再生效應,進一步促進高強鋼的應力腐蝕開裂[7-8]。

綜上所述，氣瓶材料本身具有應力腐蝕敏感性且含有大量的夾雜物均有利于應力腐蝕的發生；應力分析結果表明瓶頭部位漏氣部位受力狀態為拉應力，且接近最大拉應力；裸手觸摸和后續低溫試驗導致瓶頭中心區域的氯元素積聚。根據以上分析，結合斷口特征，可以判斷氣瓶是由于發生了應力腐蝕開裂而導致漏氣。

3 結論與建議

(1) 故障氣瓶原材料具有應力腐蝕敏感性，電弧爐+電渣重熔的冶煉方法導致夾雜物含量較高進一步降低了其抗應力腐蝕能力；內部高壓使得氣瓶表面處于大的拉應力狀態；裸手觸摸和后續冷卻試驗導致氯離子的殘留與聚集。小氣瓶滿足應力腐蝕所需的必要條件，發生應力腐蝕開裂而漏氣。

(2) 為提高材料的抗應力腐蝕能力，可更改氣瓶材料冶煉方法為真空熔煉以提高材料的潔凈度。

(3) 為隔絕腐蝕性元素，氣瓶裝配和測試過程中嚴禁裸手觸摸，同時對小氣瓶瓶體進行噴漆處理。