古純霖 陳祖志 朱 鳴 王 玲

（中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

天然氣作為一種環(huán)境友好、儲量豐富的能源，備受人們青睞[1]，這也促進(jìn)了天然氣儲存容器的蓬勃發(fā)展，大容積車用LNG氣瓶即是近幾年新出現(xiàn)的天然氣儲存容器，目前已經(jīng)廣泛生產(chǎn)使用[1]，其常見結(jié)構(gòu)如圖1所示。在該類氣瓶型式試驗過程中發(fā)現(xiàn)，振動試驗通過率較低，給相關(guān)企業(yè)新產(chǎn)品研發(fā)造成了較大困難。本文通過匯總及分析從12家制造廠抽取的43只大容積車用LNG氣瓶振動試驗中出現(xiàn)的失效案例，對其設(shè)計制造提供了參考性意見。

圖1 大容積車用LNG氣瓶常見結(jié)構(gòu)形式

1 振動試驗要求

目前國內(nèi)廠家的大容積車用LNG氣瓶振動試驗的試驗要求已經(jīng)統(tǒng)一，試驗要求如下[2]：

1.1 試驗條件

振動試驗前，氣瓶內(nèi)裝滿與LNG等重的液氮，氣瓶處于完全冷卻狀態(tài)，壓力為0MPa（表壓）。連接到氣瓶上的管線、鞍座等部件作為振動試驗一部分。

1.2 試驗規(guī)程

1）振動加速度5g（5倍重力加速度）。

2）振動方向為上下垂直方向（見圖2）。

圖 2 振動試驗示意圖

3）振動試驗在8～40Hz范圍內(nèi)掃頻，若發(fā)現(xiàn)在這一頻率范圍內(nèi)有共振的，應(yīng)更改氣瓶設(shè)計，重新進(jìn)行振動試驗。

4）振動頻率的變動方法及加振時間，按照表1規(guī)定的振動頻率和時間加振。

表1 振動頻率與加振時間對照表

1.3 試驗評定

振動完畢后，任何部位不得出現(xiàn)泄漏；靜置30min以上氣瓶外殼不應(yīng)有結(jié)露或結(jié)霜現(xiàn)象（內(nèi)膽與外殼連接支撐部位除外）。

2 試驗結(jié)果分析

對12家制造廠生產(chǎn)的43只樣瓶進(jìn)行了振動試驗，其中26只未通過試驗，失效模式主要有：1）前端分配頭與外殼封頭焊接處開裂；2）夾層增壓管與封頭連接處開裂；3）分配頭上接管斷裂；4）后端支撐棒斷裂；5）捆綁帶斷裂。每種失效模式所占比例見表2。

從試驗結(jié)果來看，主要失效模式為外前封頭與分配頭開裂以及分配頭上接管斷裂兩種，增壓管與封頭連接處開裂、后支撐棒斷裂以及捆綁帶斷裂案例較少。

表2 失效模式所占比例

2.1 外前封頭與分配頭焊縫開裂

圖3為典型的外前封頭與分配頭焊縫開裂的案例，通過解剖開裂處焊縫發(fā)現(xiàn)，失效原因主要有兩個：

1）焊縫未焊透。

由于外前封頭與分配頭連接處焊縫在標(biāo)準(zhǔn)中并未有無損檢測以及焊接工藝評定的要求，所以部分廠家對于該位置焊縫質(zhì)量未進(jìn)行控制，導(dǎo)致上述情況發(fā)生。

2）因為外前封頭壁厚偏小，未設(shè)計補(bǔ)強(qiáng)板，導(dǎo)致該位置抵抗交變載荷能力較差，最終開裂。

圖3 分配頭與封頭開裂圖例

2.2 分配頭上接管斷裂

圖4為典型的分配頭接管斷裂案例，從試驗結(jié)果來看，斷裂位置主要位于接管與分配頭或接管與管接頭連接位置的根部，這是由于接管與氣瓶之間的連接類似于懸臂梁，并且在振動過程中，由于接管相對氣瓶不規(guī)則擺動，造成接管上存在較大的交變應(yīng)力，而接管與分配頭以及接頭與接管連接處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，故應(yīng)力較其他位置偏大，最終導(dǎo)致斷裂。

圖4 接管斷裂圖例

2.3 夾層增壓管與封頭連接處開裂

圖5為典型的增壓管管接頭與封頭焊縫處開焊案例，從試驗結(jié)果可知，開裂位置主要位于增壓管接頭與外前封頭及內(nèi)前封頭連接處的角焊縫，此位置開裂主要原因也是由于應(yīng)力集中以及管路振動帶來的交變扭矩導(dǎo)致疲勞造成的開裂。

圖5 增壓管與封頭焊接開裂圖例

2.4 后支撐棒斷裂

圖6為后支撐棒斷裂案例，該類案例出現(xiàn)頻率較小，從斷裂破口分析可知，這是由于支撐棒與外后封頭焊接位置焊接時線能量過大，產(chǎn)生熱裂紋，在振動時裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致支撐棒斷裂。

圖6 支撐棒斷裂圖例

2.5 捆綁帶斷裂

圖7為捆綁帶斷裂案例，由于汽車用大容積液化天然氣氣瓶振動試驗的振動加速度較大，氣瓶本身質(zhì)量較大，案例中采用的是單根螺柱，且螺柱與捆綁帶的連接相對活動，并未焊死，這樣在振動過程中，螺柱與連接位置會產(chǎn)生一定的沖擊載荷，最終導(dǎo)致開裂。

圖7 捆綁帶斷裂圖例

另外，振動過程中振動放大倍數(shù)過大也是產(chǎn)生失效的重要因素，當(dāng)氣瓶本體的固有頻率與振動頻率接近時，將產(chǎn)生振動放大效應(yīng)，這樣會使氣瓶承受更大的振動載荷，從而更容易使氣瓶失效。

3 改進(jìn)措施

針對上述失效案例情況，建議在進(jìn)行汽車用大容積液化天然氣氣瓶設(shè)計制造時應(yīng)注意以下幾點：

3.1 設(shè)計完畢后對氣瓶進(jìn)行頻譜分析

在氣瓶設(shè)計完畢后，建議對氣瓶進(jìn)行共振頻率分析；[3]如果共振頻率離振動試驗頻率范圍較遠(yuǎn)，則采用該設(shè)計，否則，應(yīng)更改氣瓶結(jié)構(gòu)尺寸，使其共振頻率遠(yuǎn)離振動試驗的頻率區(qū)間。

3.2 外前封頭應(yīng)設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)板

目前外前封頭壁厚設(shè)計是根據(jù)外壓計算得到的，并未考慮到支撐載荷。對于大容積液化天然氣氣瓶，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，通過外壓載荷得到的設(shè)計壁厚并不能滿足振動試驗的要求，目前常采用的做法是在外前封頭分配頭周邊設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)板。

3.3 外前封頭與分配頭的焊縫應(yīng)進(jìn)行焊接工藝評定

由于低溫瓶外殼承受的是外壓載荷，目前氣瓶制造標(biāo)準(zhǔn)中并未規(guī)定對外殼上的焊縫進(jìn)行焊接工藝評定。但是，由于外前封頭與分配頭連接處是承載氣瓶的振動載荷的主要位置，存在較大的交變應(yīng)力，另外該位置目前多設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)板，焊接難度較大，焊接缺陷產(chǎn)生可能性較大，故建議對該焊縫進(jìn)行焊接工藝評定，確定合適的焊接工藝。

3.4 管件或分配頭連接處應(yīng)保證焊接質(zhì)量

管件與分配頭連接處焊縫原則上應(yīng)進(jìn)行焊接工藝評定，焊接質(zhì)量可以得到保證。但是實際生產(chǎn)過程中，該位置是人工焊接的，且由于位置原因，焊接時姿勢不容易擺正，所以焊接質(zhì)量并不能得到很好保證，建議增加對該位置焊接的培訓(xùn)及練習(xí)；同時應(yīng)注重焊接后外表面成型，保證外表面圓滑過渡。

3.5 夾層增壓管與封頭焊接位置應(yīng)進(jìn)行焊接工藝評定

夾層增壓管兩端分別與內(nèi)膽、外殼焊接，由于振動過程中內(nèi)膽外殼會存在相對位移，故增壓管會因此產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，另外由于增壓管本身振動也會產(chǎn)生交變應(yīng)力，兩者疊加會使增壓管上存在較大的交變載荷。增壓管與內(nèi)膽焊接要求較高，而與外殼焊接處是角焊縫連接，且不進(jìn)行焊接工藝評定，故存在較大隱患，建議對該位置焊縫進(jìn)行焊接工藝評定，且在施焊時應(yīng)注意焊接質(zhì)量。

3.6 后支撐棒與內(nèi)膽焊縫應(yīng)進(jìn)行焊接工藝評定

后支撐棒與內(nèi)膽焊縫屬于比較容易忽視的地方，此處出現(xiàn)問題的概率較小，但從氣瓶受力來看，此處氣瓶內(nèi)膽支撐比較重要的位置，試驗中也出現(xiàn)了斷裂的現(xiàn)象，所以建議對該位置焊縫也進(jìn)行焊接工藝評定。

3.7 捆綁帶與螺柱連接建議采用焊接方式，且最好采用雙排螺柱

由于大容積液化天然氣氣瓶振動時載荷較大，目前常采用的固定方式為捆綁帶與螺柱焊接，且采用兩根螺柱。此種固定方式目前尚未出現(xiàn)斷裂等問題。

4 結(jié)束語

汽車用大容積液化天然氣氣瓶的主要失效模式包含：1）前端分配頭與外殼封頭焊接處開裂；2）夾層增壓管與封頭連接處開裂；3）分配頭上接管斷裂；4）后端支撐棒斷裂；5）捆綁帶斷裂。其中前三種失效主要原因都是焊接質(zhì)量未達(dá)到要求，通過進(jìn)行焊接工藝評定，確定正確的焊接工藝，再輔助以一定的無損檢測后可以有效改善，后兩種失效方式主要是由于結(jié)構(gòu)問題，通過增加補(bǔ)強(qiáng)板等設(shè)計，可避免類似案例發(fā)生。

[1]張麗華，劉永霞. 我國車用液化天然氣發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望[J]. 中國石油企業(yè)，2012(07)：30-31.

[2]Q/320582SDY18—2015 汽車用大容積液化天然氣氣瓶[S].

[3]周天送. 車載低溫絕熱氣瓶抗振性能研究[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2 016.