壓力容器無損檢測
——長管拖車氣瓶的無損檢測技術
劉三江，沈功田，李邦憲
(中國特種設備檢測研究中心，北京 100013)
摘要：長管拖車是新類型的壓力容器，作為一種高效運輸工具，在許多領域應用廣泛。綜述了
國內(nèi)外拖車氣瓶在制造和使用過程采用的各種無損檢測方法及標準。方法包括超聲、磁粉、滲透和
聲發(fā)射檢測等。并介紹了各種無損檢測方法的特點。
關鍵詞：超聲檢測；磁粉檢測；滲透檢測；聲發(fā)射檢測；壓力容器；氣瓶

長管拖車是將幾個或十幾個大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶組裝在框架里，固定在汽車底盤上，并將氣瓶
頭部連通在一起，作為移動式儲罐給用戶供氣，固定在長管拖車上的無縫鋼瓶稱為長管拖車氣瓶(圖
1)。國內(nèi)外常用長管拖車氣瓶的設計壓力一般為15～30 MPa，容積為300～2600L，長度為5～12m。
圖1 長管拖車結(jié)構圖
長管拖車作為一種運輸工具，由于其具有機動、靈活、便捷及高效等特點，一出現(xiàn)便得到了廣
泛應用，在歐美等發(fā)達國家已經(jīng)有幾十年的歷史，在交通運輸、石油化工、工業(yè)制造、科學研究及
居民生活等領域發(fā)揮著重要的作用。與管道運輸難以實現(xiàn)地域的全覆蓋和運送介質(zhì)較為單一相比較，
長管拖車能將氣體運輸?shù)饺魏瓮ü返牡胤?，覆蓋范圍更加廣泛，且可運送液化或壓縮的氧、氫、
氮和天然氣等氣體以及其它特種氣體；與傳統(tǒng)小氣瓶運送效率較低相比較，長管拖車氣瓶承載的壓
力高、體積大，大大提高了運輸效率，降低了搬運費用，還減少了單個氣瓶的數(shù)量，使不安全因素
和事故發(fā)生的可能性也相應降低。
我國自20 世紀90 年代中期開始，從美國和韓國等進口了上百臺長管拖車，但氣瓶型號相對單
一，典型的規(guī)格為3AAX-2900 型，材質(zhì)為4130X，外徑為Ф559 mm，長度為10.46 m，壁厚20 mm，
水容積2183 L，主要用來運輸壓縮天然氣。近兩年，我國也開始從意大利進口無縫鋼管，制造拖車
氣瓶，并組裝長管拖車。
美國建立了完備的長管拖車法規(guī)標準體系，其主管政府部門是美國運輸部(DOT)，依據(jù)的法律
法規(guī)主要有聯(lián)邦危險品法(Federal Hazmat Law)、聯(lián)邦法規(guī)(CFR)和免除令(Exemption)等，聯(lián)邦法
規(guī)49 CFR part 171～180 是危險品規(guī)程，其中49 CFRpart 178 是有關氣瓶的內(nèi)容，對政府職能、
制造廠責任、檢驗機構及氣瓶設計、制造、檢驗和充裝等方面的技術要求作出了規(guī)定。此外還有壓
縮氣體協(xié)會(CGA)和美國試驗材料協(xié)會(ASTM)制訂的各種技術標準[1]。
我國開始長管拖車的應用、研究和制造時間很短，還沒有足夠的技術和經(jīng)驗積累，因此沒有形
成成熟的法規(guī)標準體系。2000 年版《氣瓶安全監(jiān)察規(guī)程》對1989 年版第2 條“適用范圍”作了修改，
公稱容積適用范圍改為0.4～3000 L，顯然長管拖車氣瓶屬于其監(jiān)察范圍；而《特種設備目錄》(國
質(zhì)檢鍋[2004]31 號)又將長管拖車歸類為移動式壓力容器；同時我國專門針對長管拖車制造、使用和
檢驗等方面的技術標準也不完善；另外，長管拖車的車輛部分不屬于特種設備范疇，由交管部門進
行管理。因此，下面根據(jù)國內(nèi)外長管拖車管理、制造、使用和檢驗等情況，重點介紹長管拖車氣瓶
的無損檢測技術。
1 長管拖車制造過程中的無損檢測技術
美國制造長管拖車依據(jù)聯(lián)邦危險品法、DOT 規(guī)范、聯(lián)邦法規(guī)49 CFR part 178 及相關免除令等，
此外還應用CGA 和ASTM 等相關技術標準；若氣瓶用于固定儲氣站，則遵守美國機械工程師協(xié)會
(ASME)規(guī)范。我國制造長管拖車遵守《特種設備安全監(jiān)察條例》《氣瓶安全監(jiān)察規(guī)程》和國家、機
械和冶金行業(yè)等相關材料、試驗分析方法和檢驗檢測方法的技術標準，制造企業(yè)也建立有企業(yè)標準。
長管拖車制造過程的主要流程是，材料入庫驗收→無縫鋼管復驗(外觀、尺寸、厚度、成分、組
織、超聲檢測和磁粉檢測等) →加熱→旋壓/鍛壓收口成形→淬火熱處理→內(nèi)外表面噴丸處理→檢驗
檢測(表面宏觀檢查、硬度測試、磁粉檢測、按批量取樣作拉伸、沖擊、金相和壓扁試驗等) →機加
工(瓶口螺紋加工和內(nèi)外螺紋滲透/磁粉檢測) →水壓試驗(外測法) →氣密試驗→最終檢驗(超聲檢測、
測厚和磁粉檢測) →組裝拖車。不同國家及不同企業(yè)制造不同規(guī)格和要求的拖車氣瓶時，上述制造
和檢驗流程和要求略有不同。
以下介紹氣瓶制造過程中的超聲、磁粉和滲透等無損檢測技術。
1.1 原材料的無損檢測
1.1.1 無縫鋼管的超聲檢測
《氣瓶安全監(jiān)察規(guī)程》第25 條規(guī)定原材料無縫鋼管按相應標準的規(guī)定進行無損檢測，對盛裝有
應力腐蝕傾向氣體的鋼質(zhì)氣瓶，原材料無縫鋼管表面應采用超聲波進行無損檢測，瓶體表面不應有
折疊、分層和裂紋等缺陷存在。
原材料無縫鋼管應逐個進行超聲檢測并合格，或由鋼管廠提供超聲檢測合格的報告。鋼管廠已
進行超聲檢測的，可按批抽取10％進行超聲波復驗，抽檢不合格則加倍抽檢，仍不合格則整批逐個
復驗。
我國可用于無縫鋼管的超聲檢測的標準有GB/T 5777—1996《元縫鋼管超聲波探傷檢驗方法》
和JB 4730～1994《壓力容器無損檢測》。兩者都規(guī)定了自動和手工兩種檢測方法，其中GB/T 5777
標準能檢出縱向和橫向缺陷，但不能有效檢出層狀缺陷，且沒有給出針對拖車氣瓶缺陷的等級評定；
JB 4730 標準雖然給出了缺陷的等級評定，但其適用的鋼管外徑最大范圍為φ480 mm，而常見拖車
氣瓶用鋼管的外徑為Ф559 mm，不在其范圍之內(nèi)，另外該標準主要針對縱向缺陷的檢測；因此，國
內(nèi)需要建立專門針對大型無縫氣瓶的超聲檢測標準，采用自動超聲檢測系統(tǒng)，同時實現(xiàn)縱向、橫向
缺陷的檢測，100％測厚以及折疊和分層缺陷的檢測。目前，國內(nèi)制造企業(yè)應用GB/T 5777 和JB 4730
標準規(guī)定的檢測方法、要求和相關國際標準，建立了自動超聲檢測系統(tǒng)對拖車氣瓶進行檢測，通過
至少5 個探頭的排列組合，同時實現(xiàn)縱向、橫向缺陷和折疊、分層缺陷的檢測及100 ％測厚，結(jié)果
評定參照國外成熟的標準，確定超聲檢測的合格級別為不低于JB 4730 標準規(guī)定的Ⅰ級，即缺陷回
波幅度等于或小于對比試塊人工缺陷(缺陷深度占壁厚的5％)回波。
ASTM E 213—2004 標準可用于拖車氣瓶的超聲檢測［2］，長管拖車制造廠也通過申請DOT 免
除令建有企業(yè)的超聲檢測規(guī)范，如DOT-E 11916。對拖車氣瓶超聲檢測的主要規(guī)定有，自動超聲波
設備應裝有多組排列的傳感器，進行直聲束和斜聲束的檢測，并確保100％瓶壁得到覆蓋，探頭頻
率2.25～5MHz，晶片直徑φ 6.35～φ25.4 mm(φO.25～φ1in)，能自動檢測傳感器與瓶壁間的耦合
狀況，設備每六個月應用國家標準標定過的設備進行校核；作為標準樣瓶的氣瓶段必須與被檢測氣
瓶具有相同的公稱直徑、表面狀況和冶金條件，加工缺陷前須用其它獨立的方法測定樣瓶的平均壁
厚；樣瓶上須至少加工兩個不同厚度的臺階，人工缺陷應模擬點、線和面三類缺陷，面狀缺陷直徑
φ60.325 mm，深度≤1/5 最小設計壁厚，剩余壁厚應與檢測氣瓶的設計壁厚一致，點狀缺陷直徑φ6.35
mm，深度≤1/3 最小設計壁厚，線狀缺陷深度為氣瓶最小設計壁厚的1/5；設備上次標定已超過4 h
或完成50 個氣瓶檢測時，必須重新標定；檢出缺陷或有懷疑時，則按ASTM E 213 標準進行手工
超聲檢測。
1.1.2 無縫鋼管的磁粉檢測
原材料無縫鋼管的磁粉檢測沒有強制要求，制造廠可根據(jù)實際情況選擇是否進行檢測。磁粉檢
測的主要目的是檢測鋼管表面是否存在裂紋缺陷。
磁粉檢測按照JB 4730 標準進行，一般使用大型固定式磁粉探傷機，采用軸向通電法，周向磁
化，以發(fā)現(xiàn)瓶體危險性最大的縱向裂紋。
1.2 氣瓶成形后的無損檢測
1.2.1 氣瓶成形后的磁粉檢測
鋼管經(jīng)旋壓或鍛壓收口成形、淬火熱處理及內(nèi)外表面噴丸處理后，應進行100％磁粉檢測，主
要是檢測瓶體是否在熱處理過程中產(chǎn)生表面裂紋及其它缺陷。不同國家和企業(yè)在氣瓶成形和熱處理
后的檢測要求不盡相同，有的磁粉檢測放在水壓試驗后進行。但從生產(chǎn)流程看，最好在這一階段進
行100％磁粉檢測，因為淬火熱處理產(chǎn)生裂紋等危險性缺陷的可能性較大，如存在該類缺陷，通過
磁粉檢測既可盡早發(fā)現(xiàn)并及時進行修復處理，又可防止其導致氣瓶在隨后的水壓試驗中破裂，避免
對試驗設備和人員造成危害。
磁粉檢測試驗方法同1.1.2 節(jié)所述。
1.2.2 瓶口螺紋的磁粉/滲透檢測
瓶口內(nèi)外螺紋加工完成后，除應用標準螺紋塞規(guī)和螺紋環(huán)規(guī)檢測螺紋精度外，還應對內(nèi)外螺紋
進行表面檢測，主要目的是檢出螺紋表面是否存在裂紋和氣孔等缺陷。由于瓶口較小，磁粉檢測操
作和觀察不便，最好采用滲透檢測方法。磁粉和滲透檢測按照JB 4730 標準進行。
1.3 氣瓶水壓試驗后的無損檢測
氣瓶水壓試驗合格后，應進行100％超聲檢測；若熱處理后未進行100％磁粉檢測，則還應進
行100％磁粉檢測。
超聲和磁粉檢測方法及標準同1.1 節(jié)。超聲檢測的合格級別為不得存在超出鋼瓶瓶體最小壁厚5
％的缺陷，磁粉檢測不得有任何裂紋存在。另外，由于瓶肩處的瓶體弧度和厚度急劇變化，超聲檢
測不能實施，因此實際上無法實現(xiàn)100％覆蓋，免除令DOT-E 11916 規(guī)定超聲檢測所覆蓋的區(qū)域必
須是半球封頭切點外76.2 mm(3in)處的100％圓弧段；瓶肩處則應通過其它檢測手段檢測，瓶肩與
圓筒應圓滑過渡，不允許存在裂紋、折疊和皺褶等缺陷。
2 在用長管拖車氣瓶的無損檢測技術
長管拖車與生產(chǎn)生活關系密切，造價昂貴，往來于城市道路和人口、建筑物密集區(qū)，拖車氣瓶
工作壓力高，介質(zhì)易燃易爆，一旦發(fā)生事故，將產(chǎn)生巨大的生命財產(chǎn)損失和惡劣的社會影響，因此，
通過定期檢驗確保其安全可靠運行具有重大的經(jīng)濟和社會價值。我國最早進口的一批長管拖車使用
已超過5 a(年)，使用狀況不明，盡快開展在用長管拖車定期檢驗工作具有緊迫性。但我國還沒有針
對長管拖車定期檢驗的規(guī)程和技術標準，至今尚未全面開展在用長管拖車氣瓶的定期檢驗工作。
氣瓶定期檢驗常用的方法是水壓試驗測量容積殘余變形率。但拖車氣瓶水壓試驗表明，長管拖
車氣瓶瓶壁局部減薄和存在裂紋缺陷，即使情況相當嚴重，水壓試驗時也不會出現(xiàn)明顯的容積殘余
變形，水壓試驗方法不能有效評價長管拖車氣瓶的安全性，用于定期檢驗意義不大[3]。長管拖車氣
瓶材料為低合金鋼，使用中又承載很大的拉伸應力，盛裝壓縮天然氣時在濕硫化氫作用下，主要的
破壞模式是腐蝕導致壁厚減薄和應力腐蝕產(chǎn)生裂紋并快速擴展，從而導致氣瓶在下次檢驗之前破壞，
發(fā)生低應力脆斷，因此，對拖車氣瓶的安全性評價不能采用傳統(tǒng)的強度理論，而應該用斷裂力學的
分析方法，在定期檢驗中用聲發(fā)射、超聲、磁粉或滲透等無損檢測手段檢出危險性缺陷，用應力腐
蝕開裂界限應力強度因子K Iscc 評價其安全性［4］。
2.1 國外長管拖車氣瓶定期檢驗的無損檢測技術
關于長管拖車氣瓶定期檢驗與評定，美國法規(guī)規(guī)定采用內(nèi)外部宏觀檢驗和水壓試驗，容積殘余
變形率>10％則氣瓶判廢，但同時規(guī)定了以免除令的方式可采用其它檢驗方法代替內(nèi)部宏觀檢驗和
水壓試驗［5］，如免除令DOT-E 11916 和DOT-E 10922 規(guī)定可采用100％超聲檢測代替內(nèi)部宏觀檢
驗和水壓試驗，免除令DOT-E 12413，DOT-E 9419 和DOT-E 9847 規(guī)定可采用聲發(fā)射/超聲波檢測
代替內(nèi)部宏觀檢驗和水壓試驗，CGA 和ASTM 都規(guī)定有超聲和聲發(fā)射等檢測技術標準。國際及歐
洲標準有ISO 11120—1999《無縫管制鋼瓶設計制造檢驗》、EN 1968《無縫鋼質(zhì)氣瓶定期檢驗》(規(guī)
定內(nèi)外宏觀檢驗+水壓試驗，外部宏觀檢驗+自動超聲檢測，外部宏觀檢查+驗證性試驗)和
ISO/DIS16148．2 標準(規(guī)定外部宏觀檢查+聲發(fā)射檢測+手動超聲檢測+1.1 倍氣壓)［6］。目前，國
外95％以上長管拖車氣瓶都采用聲發(fā)射/超聲檢測為主、配以外部宏觀檢查的定期檢驗方法，該方法
很好地兼顧了安全性與經(jīng)濟性，不僅沒有經(jīng)該方法定期檢驗后出現(xiàn)事故的案例，而且檢驗費用降低
了30％以上。
2.2 長管拖車氣瓶定期檢驗的超聲檢測技術
超聲檢測方法同1.1 節(jié)所述，免除令DOT-E11916 規(guī)定氣瓶有以下缺陷必須評為不合格：
(1)單塊面積>28.39 cm2(4.4 in2)，壁厚小于最小設計壁厚。
(2)單點缺陷深度>1/4 最小設計壁厚、直徑>6.35mm(0.25in)時，必須用手工超聲檢測復驗；若
深度>1/4 最小設計壁厚、直徑>25.4 mm(1 in)，氣瓶不合格。
(3)線狀缺陷深度>1/5 最小設計壁厚、長度>6.35mm(0.25in)時，必須用手工超聲檢測復驗；若
深度>1/5 最小設計壁厚、長度>60.325 mm(2.375 in)，氣瓶不合格。
與水壓試驗相比，100％超聲檢測的優(yōu)點是①對氣瓶測厚、作徑向和周向檢測，有針對性地發(fā)現(xiàn)
氣瓶腐蝕減薄、線性腐蝕和應力腐蝕裂紋等危險性缺陷，有效確保安全性。②檢測技術成熟、可靠。
③工藝過程簡單，檢測效率高。④無需水壓試驗用泵、深井、夾套及干燥等工裝設備，成本低，同
時避免對氣瓶內(nèi)部造成污染。
100％超聲檢測的不足之處在于不能實現(xiàn)長管拖車氣瓶的不拆卸檢驗，仍需拆卸和重裝氣瓶，不
僅可能破壞拖車結(jié)構的完整性，還因檢驗耗時長、工裝設備和場地條件投入大、需要噴丸與油漆等
表面處；理等增加成本，影響經(jīng)濟效益；此外，由于氣瓶頭部結(jié)構不規(guī)則，壁厚變化大、不均勻，
無法進行超聲檢測，造成檢測盲區(qū)以至漏檢，留下安全隱患；超聲檢測對內(nèi)外表面小缺陷不敏感，
必要時應配合表面磁粉和滲透檢測，這對防止應力腐蝕損傷有重要意義。
2.3 長管拖車氣瓶定期檢驗的聲發(fā)射檢測技術
氣瓶聲發(fā)射檢測是在氣瓶加壓過程中進行的，瓶壁材料在加壓時產(chǎn)生應變并儲存應力應變能，
若產(chǎn)生變形或有缺陷擴展，則變形或缺陷處會以彈性波形式釋放出應力應變能，該彈性波即為聲發(fā)
射信號。通過專門的聲發(fā)射傳感器和儀器，可采集和分析聲發(fā)射信號，從而檢出缺陷的位置和參數(shù)。
早在1983 年，美國運輸部就以免除令的方式規(guī)定可用聲發(fā)射檢測技術代替內(nèi)部宏觀檢查和水
壓試驗。相應的技術標準，如CGA C 一18—1995［7］。和ASTM E 1419—2000 ［8］等，現(xiàn)已成為
拖車氣瓶定期檢驗的主要方法，已完成數(shù)千只氣瓶的定期檢驗，有效檢出了氣瓶存在的缺陷，經(jīng)聲
發(fā)射檢驗的氣瓶還沒有發(fā)生事故的報道［9］，實踐證明了該項技術進行拖車氣瓶定期檢驗的有效性和
可行性。我國也頒布了國家標準GB/T 18182—2000《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測及結(jié)果評價方法》。
進行聲發(fā)射檢測時，聲發(fā)射探頭布置于長管拖車氣瓶兩端，通過前置放大器與主處理器相連，
構成檢測系統(tǒng)。試驗介質(zhì)為純凈氮氣，試驗壓力一般為工作壓力的1.1 倍，在加壓和保壓過程中采
集、處理和分析聲發(fā)射信號，確定聲發(fā)射事件源的部位，對有意義的源用超聲、磁粉或滲透等方法
復驗，確定缺陷的性質(zhì)和大小。聲發(fā)射檢測的顯著優(yōu)點是①能有效發(fā)現(xiàn)瓶壁上存在的活性腐蝕和裂
紋等危險性缺陷部位，再進行復驗，檢驗針對性強。②可實現(xiàn)多氣瓶同時檢驗，除少量需復驗的氣
瓶外，無需拆卸，不破壞拖車整體結(jié)構，停產(chǎn)時間短，效率高，很好兼顧了安全性和經(jīng)濟性。③與
水壓試驗測量容積殘余變形率相比，對場地和工裝設備要求低，檢驗便捷，成本低。④技術成熟可
靠。
3 結(jié)論
在長管拖車氣瓶的制造和使用過程中，無損檢測技術對保證其質(zhì)量和安全運行發(fā)揮著重要的作
用。對于原材料鋼管和氣瓶制造過程及最終檢驗，以超聲和磁粉檢測為主，瓶口螺紋最好采用滲透
檢測方法；對于在用過程的定期檢驗，傳統(tǒng)的方法是水壓試驗測量容積殘余變形率，但國外目前主
要以超聲和聲發(fā)射檢測為主，我國還沒有相應的定期檢驗規(guī)程和技術標準，但考慮到長管拖車的特
點，應在定期檢驗中積極推廣超聲和聲發(fā)射檢測方法。