TCVN 6874-4:2013 - phần 1

TIÊU CHUẨN QUỐC GIA

TCVN 6874-4:2013

ISO 11114-4:2005

CHAI CHỨA KHÍ - TÍNH TƯƠNG THÍCH CỦA VẬT LIỆU LÀM CHAI VÀ LÀM VAN VỚI KHÍ CHỨA - PHẦN 4: PHƯƠNG PHÁP THỬ ĐỂ LỰA CHỌN VẬT LIỆU KIM LOẠI CHỊU ĐƯỢC SỰ GIÒN DO HYDRO

Gas cylinders - Compatibility of cylinder and valve materials with gas contents - Part 4: Test methods for selecting metallic materials resistant to hydrogen embrittlement

Lời nói đầu

TCVN 6874-4:2013 hoàn toàn tương đương với ISO 11114-4:2005.

TCVN 6874-4:2013 do Ban kỹ thuật Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN/TC58 Chai chứa khí biên soạn, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng đề nghị, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố.

Bộ tiêu chuẩn TCVN 6874 (ISO 11114), Chai chứa khí - Tính tương thích của vật liệu làm chai và làm van với khí chứa bao gồm các phần sau:

- Phần 1: Vật liệu kim loại;

- Phần 2: Vật liệu phi kim loại;

- Phần 3: Thử độ tự bốc cháy đối với vật liệu phi kim loại trong môi trường oxy;

- Phần 4: Phương pháp thử để lựa chọn vật liệu kim loại chịu được sự giòn do hydro.

CHAI CHỨA KHÍ - TÍNH TƯƠNG THÍCH CỦA VẬT LIỆU LÀM CHAI VÀ LÀM VAN VỚI KHÍ CHỨA - PHẦN 4: PHƯƠNG PHÁP THỬ ĐỂ LỰA CHỌN VẬT LIỆU KIM LOẠI CHỊU ĐƯỢC SỰ GIÒN DO HYDRO

Gas cylinders - Compatibility of cylinder and valve materials with gas contents - Part 4: Test methods for selecting metallic materials resistant to hydrogen embrittlement

1. Phạm vi áp dụng

Tiêu chuẩn này quy định các phương pháp thử và đánh giá các kết quả từ các thử nghiệm này để chứng nhận chất lượng các thép thích hợp cho sử dụng trong sản xuất các chai chứa khí (có dung tích nước đến 3000 L) dùng chứa các khí gây giòn do hydro và các khí gây giòn khác.

Tiêu chuẩn này chỉ áp dụng đối với chai chứa khí bằng thép không hàn.

Không áp dụng các yêu cầu của tiêu chuẩn nếu một trong các điều kiện sau đối với dịch vụ cung cấp khí được đáp ứng1).

- Áp suất làm việc của khí gây giòn được nạp nhỏ hơn 20% so với áp suất thử của chai;

- Áp suất riêng phần của khí gây giòn được nạp của hỗn hợp khí nhỏ hơn 5 MPa (50 bar) trong trường hợp các khí gây giòn do hydro và các khí gây giòn khác ngoại trừ hydro sunfua và metyl mecaptan, trong trường hợp này áp suất riêng phần không được vượt quá 0,25 MPa (2,5 bar).

2. Tài liệu viện dẫn

Các tài liệu viện dẫn sau rất cần thiết cho việc áp dụng tiêu chuẩn này. Đối với các tài liệu viện dẫn có ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản đã nêu. Đối với các tài liệu viện dẫn không ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản mới nhất bao gồm cả các sửa đổi.

TCVN 6874-1 (ISO 11114-1), Chai chứa khí - Tính tương thích của vật liệu làm chai và làm van với khí chứa - Phần 1: Vật liệu kim loại;

TCVN 7388-1 (ISO 9809-1) Chai chứa khí - Chai chứa khí bằng thép không hàn nạp lại được - Thiết kế, kết cấu và thử nghiệm - Phần 1: Chai chứa khí bằng thép tôi và ram có giới hạn bền kéo nhỏ hơn 1100 MPa;

TCVN 7388-2 (ISO 9809-2) Chai chứa khí - Chai chứa khí bằng thép không hàn nạp lại được - Thiết kế, kết cấu và thử nghiệm - Phần 2: Các chai bằng thép tôi và ram có giới hạn bền kéo lớn hơn hoặc bằng 1.100 MPa;

TCVN 7388-3 (ISO 9809-3) Chai chứa khí - Chai chứa khí bằng thép không hàn nạp lại được - Thiết kế, kết cấu và thử nghiệm - Phần 3: Các chai bằng thép thường hóa;

TCVN 8286-1:2009 (ISO 7539-1:1987) Ăn mòn kim loại và hợp kim - Thử ăn mòn ứng suất - Phần 1: Hướng dẫn quy trình thử chung);

ISO 4287, Geometrical product specification (GPS) - Surface texture: Profile method -Terms, definitions and surface texture parameters (Đặc tính hình học của sản phẩm (GPS) - Cấu trúc bề mặt: Phương pháp prôfin - Thuật ngữ, định nghĩa và các thông số của cấu trúc);

ISO 7539-6:2003, Corrosion of metals and alloys - Stresss corrosion testing - Part 6: Preparation and use of pre-cracked speciments for test under constant load or constant displacement (Ăn mòn của kim loại và hợp kim - Thử ăn mòn có ứng suất - Phần 6: Chuẩn bị và sử dụng các mẫu thử có vết nứt trước cho thử nghiệm với tải trọng không đổi hoặc chuyển vị không đổi);

ISO 11120, Gas cylinders - Refillable seamless steel tubes for compressed gas transport, of water capacity between 150 I and 3 000 I - Degisn, contruction and testing (Chai chứa khí - Ống thép không hàn nạp lại được dùng để vận chuyển khí nén có dung tích nước giữa 150L và 3000 L - Thiết kế, cấu tạo và thử nghiệm).

3. Thuật ngữ, định nghĩa và ký hiệu

3.1. Thuật ngữ và định nghĩa

Tiêu chuẩn này áp dụng các thuật ngữ và định nghĩa sau. Một số định nghĩa được sử dụng dựa trên các định nghĩa trong TCVN 8286-1:2009 (ISO 7539-1:1987).

3.1.1. Khí gây giòn (embrittling gases)

Các khí được liệt kê trong TCVN 6874-1:2013 (ISO 11114-1:2012), A.4, nhóm 2 và nhóm 11.

3.1.2. Áp suất phá hủy của hydro (hydrogen rupture pressure), P_H2

Áp suất lớn nhất ghi được trong quá trình thử áp suất phá hủy của hydro.

3.1.3. Áp suất phá hủy của heli (helium rupture pressure), P_He

Áp suất lớn nhất ghi được trong quá trình thử áp suất phá hủy của heli.

3.1.4. Chỉ số giòn do hydro (hydrogen embrittlment index)

Giá trị lớn nhất của tỷ số p_He/p_H2 như là một phương trình của tốc độ tăng áp suất.

3.1.5. Sự tạo thành vết nứt do môi trường (enviromentally - assisted cracking)

Tác dụng hỗ trợ lên kim loại gây ra bởi tác động đồng thời của một môi trường riêng và một ứng suất kéo tĩnh danh nghĩa dẫn đến việc tạo thành vết nứt.

3.1.6. Ứng suất giới hạn (threshold stress)

Ứng suất mà trên ứng suất này, đối với các điều kiện thử quy định, vết nứt sẽ bắt đầu và phát triển.

3.1.7. Hệ số cường độ ứng suất biến dạng phẳng (plane strain inteasity factor), K₁

Hàm số của tải trọng tác dụng, chiều dài vết nứt và hình học của mẫu thử có các kích thước bằng ứng suất chiều dài.

CHÚ THÍCH: K₁ xác định một cách duy nhất cường độ trường ứng suất đàn hồi tại định của một số vết nứt chịu các chuyển vị dạng hở.

3.1.8. Hệ số cường độ ứng suất giới hạn nhạy cảm với tạo thành vết nứt do môi trường (threshold stress intensity for susceptibility to environmenttally-assisted cracking), K_1H

Hệ số cường độ ứng suất mà trên hệ số này, vết nứt do môi trường sẽ bắt đầu và phát triển đối với các điều kiện thử quy định trong trạng thái chịu biến dạng dẻo cao, nghĩa là trong trạng thái biến dạng phẳng là chủ yếu.

3.1.9. Sự tạo thành vết nứt do hydro (hydrogen assisted cracking - HAC)

Vết nứt được tạo thành do hydro

3.2. Ký hiệu

Tiêu chuẩn này sử dụng các ký hiệu sau:

a Chiều dài hiệu quả của vết nứt được đo từ đỉnh vết nứt tới mặt phẳng chất tải.

a₀Giá trị trung bình của a.

B Chiều dày mẫu thử.

e_m Chiều dày trung bình của đĩa.

E Mođun đàn hồi.

K_IAPP Cường độ ứng suất đàn hồi áp dụng.

K_1H Hệ số cường độ ứng suất mất giới hạn.

m Chuyển vị đàn hồi trên đơn vị tải trọng m.

P Tải trọng áp dụng.

P_rÁp suất phá hủy thực.

P'_rÁp suất phá hủy hiệu chỉnh.

P'_rH2 Áp suất phá hủy hiệu chỉnh của hydro.

P'_rHe Áp suất phá hủy lý thuyết của heli tương đương với tốc độ tăng áp suất tương tự như đối với thử nghiệm hydro được tính toán bằng phép hồi qui từ áp suất phá hủy hiệu chỉnh của heli.

R_m Giá trị thực của giới hạn bền dẻo.

R_P0,2Giá trị trung bình của giới hạn chảy đo được của ba mẫu từ chai thử đại diện cho vị trí của mẫu thử HAC ở nhiệt độ phòng.

V Chuyển vị của khe hở miệng nứt (CMOD) được định nghĩa là dạng 1 (cũng được gọi là dạng khe hở), thành phần của chuyển vị vết nứt do biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo, được đo ở vị trí trên một bề mặt vết nứt có chuyển vị đàn hồi lớn nhất trên một đơn vị tải trọng, m.

W Chiều rộng hiệu quả của một mẫu thử rắn chắc được đo từ mặt sau (lưng) tới mặt phẳng chất tải.

Y Hệ số của hệ số cường độ ứng suất thu được từ phân tích ứng suất đối với một dạng hình học riêng của mẫu thử liên kết hệ số cường độ ứng suất cho chiều dài đã cho của vết nứt với tải trọng và các kích thước của mẫu thử.

4. Quy định chung

Các phương pháp thử được mô tả trong Điều 5 có hiệu lực đối với áp suất làm việc tới 300 bar. Đối với các áp suất làm việc cao hơn phải có sự kiểm tra bổ sung. Phải thực hiện các thử nghiệm để lựa chọn các loại thép cho các chai chứa khí hydro. Các loại thép crom-molipden được tôi và và ram đảm bảo giới hạn bền kéo thực lớn nhất 950 MPa mà không cần thiết phải qua thử nghiệm và có thể được sử dụng một cách an toàn cho kết cấu của chai chứa hydro. Đối với các thép cacbon-magan có thể áp dụng các giới hạn khác [xem TCVN 7388-1 (ISO 9809-1)].

Các thử nghiệm được mô tả trong Điều 5 là các “thử nghiệm cấp chứng chỉ” cho một loại thép đã cho. Điều này có nghĩa là không cần phải lặp lại các thử nghiệm này cho mỗi kiểu chai một khi thép đã được chứng nhận hoặc cấp chứng chỉ cho một mức độ bền thiết kế riêng.

Các mẫu thử phải được lấy từ các chai đại diện hoặc từ một chi tiết của ống (đối với các chai dài theo ISO 11120) đại diện cho quá trình chế tạo có liên quan bao gồm cả xử lý nhiệt.

Các mẫu thử phải có độ bền cơ học không thấp hơn giới hạn bền kéo lớn nhất được dự định sử dụng cho các chai chứa khí được chế tạo. Nếu sau đó độ bền lớn nhất của thép được dự định tăng lên thì phải thực hiện thử nghiệm cấp chứng chỉ hoặc chứng nhận mới.

Về sự thay đổi có thể có của thành phần hóa học, phải ghi lại thành phần hóa học của thép được thử trong báo cáo thử nghiệm cấp chứng chỉ và sự khác biệt về thành phần hóa học đối với các thép được sử dụng trong thực tế cho các chai chứa khí không được vượt quá “độ chênh lệch cho phép” theo TCVN 7388-2(ISO 9809-2). Ngoài ra, đối với sunfua và photpho, các độ chênh lệch cho phép này được giới hạn tới 0,005 % và 0,010 %. Trong bất cứ trường hợp nào hàm lượng photpho của các chai được cấp chứng chỉ hoặc các chai trong sản xuất cũng không được vượt quá 0,015 %.

Về xử lý nhiệt, nhà sản xuất phải quy định các nhiệt độ và thời gian có liên quan, và các điều kiện về tôi (nếu thích hợp). Bất cứ sự cải tiến nào về xử lý nhiệt cần đến sự phê duyệt kiểu mới đều phải qua thử nghiệm cấp chứng chỉ mới.

Để cấp chứng chỉ cho một loại thép đã cho dùng để chế tạo các chai chứa khí, có thể sử dụng phương pháp A, B hoặc C (xem 5.1, 5.2 và 5.3). Ngoài ra phải thực hiện các phép thử kéo (xem 5.4).

5. Phương pháp thử

5.1. Thử đĩa (phương pháp A)

5.1.1. Nguyên lý thử

Một mẫu thử có dạng đĩa được đưa vào lắp để thử áp suất khí tăng lên với tốc độ tăng áp suất không đổi tới khi mẫu thử bị nổ hoặc nứt vỡ. Hiệu ứng giòn do hydro là bằng chứng để so sánh các áp suất phá hủy của hydro P_H2 với các áp suất phá hủy của heli P_He được chọn làm khí chuẩn.

Phải xác định tỷ số P_He/P_H2

Tỷ số này càng thấp thì thép có độ bền càng cao với sự hiện diện của hydro. Tỷ số này phụ thuộc vào tốc độ tăng áp suất và phải được giữ không thay đổi trong toàn bộ quá trình thử.

CHÚ THÍCH 1: Các áp suất phá hủy của hydro cũng phụ thuộc vào độ tinh khiết của khí hydro. Oxy hoặc các vết hơi nước có thể dùng kìm hãm một phần hiệu ứng giòn do hydro.

CHÚ THÍCH 2: Có thể thực hiện thử nghiệm với bất cứ khí hoặc hỗn hợp gây giòn khác (ví dụ H₂S, các hyđrua). Chỉ số giòn của khí được xem xét sau đó sẽ được xác định một cách tương tự.

5.1.2. Điều kiện và quy trình thử

5.1.2.1. Đĩa mẫu thử

Đĩa mẫu thử phải phẳng và được mài (hoặc được gia công cơ tới độ nhẵn bề mặt tương đương) và phải có các đặc tính sau:

- Đường kính: 58 mm;

- Chiều dày: 0,75 mm ± 0,005 mm;

- Độ phẳng: nhỏ hơn độ võng (biến dạng) 1/10 mm.

Trạng thái bề mặt (cả hai mặt):

- Độ nhám: trị số Ra (xem ISO 4287) nhỏ hơn 0,001 mm. Độ nhám bề mặt của các mẫu thử dùng cho các thử nghiệm với H₂ và H_ephải như nhau;

- Không có vết oxit.

Phải thực hiện các nguyên công sau để kiểm tra chất lượng mẫu thử:

- Ngay sau khi chuẩn bị lần cuối cùng và trước khi thử nghiệm, bảo quản các mẫu thử trong môi trường khô, ví dụ tủ sấy;

- Làm sạch dầu mỡ cho mẫu thử và kiểm tra chiều dày tại 4 điểm cách nhau 90° để xác định chiều dày trung bình;

- Xác định độ cứng của đĩa (ví dụ, độ cứng Vicker) trên chu vi ngoài của đĩa để xác minh rằng quá trình gia công có không làm thay đổi các tính chất ban đầu của vật liệu.

5.1.2.2. Thiết bị và dụng cụ khác

Thiết bị thử (xem Hình 1) gồm có hai chi tiết dạng bích bằng thép không gỉ được gắn với đĩa. Ở bên dưới đĩa có thể tích khoảng 5 cm³. Ở phía trên có lắp một vòng bằng thép độ bền cao (R_m ≥ 1100 MPa). Đường kính trong của vòng là 25,5 mm và bán kính cong của vòng tại mức đường kính lắp là 0,5 mm.

Sự xả khí có thể xảy ra sau khi hai đĩa bị nổ hoặc qua lỗ xả của chi tiết dạng bích ở phía trên hoặc phía dưới ra khí quyển. Kết cấu này cho phép rút khi ra khỏi thiết bị thử và kiểm tra độ tinh khiết của hydro và tình trạng không bị ảnh hưởng bởi oxy (O₂ < 1 ml/l) hoặc hơi nước (H₂O < 3 m/l)2). Kết cấu này cũng cho phép điều chỉnh lưu lượng khí và điều chỉnh tốc độ tăng áp.

Bộ phận bít kín phải là một vòng O đàn hồi dùng cho thử nghiệm với heli và cho thử nghiệm với hydro ở các tốc độ lớn hơn 10 bar/min. Đối với thử nghiệm với hydro ở các tốc độ vượt quá 10bar/min, phải sử dụng các vòng O bằng inđi. Để lắp ráp chi tiết dạng bích, nên sử dụng mười bulông bằng thép có độ bền cao, có kích thước điển hình là M10 hoặc tương đương. Momen xiết chặt phải là 30 N.m đối với các vòng O đàn hồi và 100 N.m đối với các vòng O bằng inđi. Hydro và heli phải được bảo quản trong các bình chịu áp lực cao được nối với thiết bị thử. Phải sử dụng van điều chỉnh lưu lượng giữa bình chịu áp lực cao và thiết bị để điều chỉnh tốc độ tăng áp suất.

5.1.2.3. Quy trình thử

Để thỏa mãn kết quả của tiến trình thử nghiệm, phải thực hiện các nguyên công sau:

- Rút khí (tạo chân không) của thiết bị thử bằng cách bơm để loại bỏ bất cứ các vết (lượng nhỏ) không khí hoặc hơi ẩm nào được hấp thụ bởi các thành. Làm sạch bằng khí được sử dụng, cũng có thể bằng bơm chân không để nâng cao hiệu quả làm sạch.

- Kiểm tra độ tinh khiết của khí trước khi thử.

- Điều chỉnh lưu lượng khí để đạt được tốc độ tăng áp suất thích hợp.

- Cách ly thiết bị thử (lúc bắt đầu tăng áp suất).

Tốc độ tăng áp suất phải được giám sát trong toàn bộ quá trình thử. Tốc độ tăng áp suất phải ổn định và được giữ cho không thay đổi khi bỏ qua hệ số nén của khí có áp.

Các áp suất phá hủy phải được ghi chép lại từ các số đọc ghi được tại lúc kết thúc thử nghiệm. Áp kế phải có độ chính xác đến ± 2 % đối với áp suất phá hủy đo được.

Phải thực hiện các thử nghiệm với hydro (về chất lượng xem 5.2.2.3) và với heli (H₂O < 3 ml/l) đối với dải tốc độ tăng áp suất được phân bố đều từ 0,1 bar/min đến 1000 bar/min. Khi sử dụng các tốc độ tăng áp suất này phải xác lập giá trị nhỏ nhất của áp suất phá hủy (xem Hình 2). Phải sử

dụng giá trị nhỏ nhất này để tiến hành thử nghiệm còn lại. Thường qui định rằng 6 thử nghiệm với heli và 9 thử nghiệm với hydro (nghĩa là tổng số 15 thử nghiệm) là đủ cho toàn bộ việc đánh giá về vật liệu.

5.1.3. Xử lý và giải thích các kết quả thử

5.1.3.1. Chiều dày của đĩa

Áp suất phá hủy P_r phải được hiệu chỉnh có hệ thống đối với sai lệch so với giá trị “lý tưởng" tương đương với thử nghiệm đĩa có chiều dày tiêu chuẩn.

Áp suất phá hủy được hiệu chỉnh P'_r phải được xác định theo công thức:

trong đó

e_m là chiều dày trung bình của đĩa.

5.1.3.2. Trình bày và giải thích các kết quả thử

Các áp suất phá hủy, được hiệu chỉnh như đã chỉ dẫn trong 5.1.3.1, phải được vẽ thành đồ thị tương ứng với tốc độ tăng áp suất trung bình (áp suất phá hủy thực chia cho thời gian thử) được biểu thị bằng bar/min (xem Hình 2).

Đối với mỗi thử nghiệm hydro, tính toán tỷ số:

P'_rHe/P'_rH2

trong đó

P'_rHe là áp suất phá hủy lý thuyết của heli tương đương với tốc độ tăng áp suất tương tự như đối với thử nghiệm hydro, được tính toán bằng phép hồi qui từ áp suất phá hủy được hiệu chỉnh của heli.

P'_rH2 là áp suất phá hủy được hiệu chỉnh của hydro.

Các tỷ số P'_rHe/P'_rH2 phải được vẽ thành đồ thị với tốc độ tăng áp suất (xem Hình 3).

Các kết quả thử phải được giải thích với lưu ý rằng chỉ số giòn của một vật liệu là giá trị lớn nhất của tỷ số đã nêu trên và vật liệu phải được xem là thích hợp đối với các chai chứa hydro được nén nếu chỉ số này nhỏ hơn hoặc bằng 2.

5.1.4. Báo cáo thử

Phải báo cáo các điều kiện thử chi tiết (độ tinh khiết của khí, áp suất phá hủy, độ cứng của mẫu thử, tỷ số P'_rHe/P'_rH2, chỉ số giòn) và bản vẽ thiết kế của chai bao gồm cả các tính chất của vật liệu, thành phần hóa học và các điều kiện xử lý nhiệt của chai được thử.

1) Trong các trường hợp này, các chai có thể được thiết kế dùng cho các khí thông thường (không gây giòn).

2) 1ml/l =1 ppm. Việc sử dụng ppm không được chấp nhận.

Xem tiếp: TCVN 6874-4:2013 - phần 2

Sưu tầm và biên soạn bởi: https://honto.vn