楊樹斌，馬志鵬，李 蔚，夏 莉

(廣東省特種設備檢測研究院，廣東 佛山 528251)

隨著我國社會經濟和科學技術的不斷發(fā)展，國家對環(huán)境保護日益重視，液化天然氣(Liquefied Natural Gas，簡稱LNG)作為一種安全、清潔、經濟、高效的燃料，具有熱值高、燃燒充分、價格低，運輸經濟性和安全性好等優(yōu)點而得到了廣泛應用[1-2]。與燃油汽車相比較LNG汽車的有害氣體排放量可減少85%，綜合碳排放量可降低95%，噪聲可減少40%，特別是在PM2.5被納入空氣質量檢測標準的情況下，LNG汽車的優(yōu)勢更加突出，其PM2.5的排放量比柴油汽車降低了90%以上。除此之外，LNG汽車不但適用于城市公交車，同時也適用于出租車，以及長途運輸?shù)拇笮拓涇嚭痛蟀汀Ｒ虼?，大力發(fā)展LNG汽車具有重要的現(xiàn)實意義。

近年來我國LNG汽車以年均20%以上的速度在增長，目前已經成為世界上最大的氣瓶制造、使用及出口國。車載LNG氣瓶是為LNG汽車提供燃料貯存及自動連續(xù)穩(wěn)定供給的主要設備，其研制開發(fā)為推廣和發(fā)展LNG汽車奠定了基礎，對節(jié)約能源、改善城市大氣質量具有重要意義。車載LNG氣瓶的安全性能直接影響著LNG汽車的安全運行，在車載LNG氣瓶實際使用過程中，它會隨著LNG汽車的顛簸、加速、減速及轉彎而發(fā)生振動，特別是在山區(qū)、礦場等路面環(huán)境比較差的路況下，汽車在經歷急剎車、路面凹坑等極端狀態(tài)時，由于瓶體自重以及內部貯存液體的急劇晃動而產生較大的振動和沖擊。該振動和沖擊載荷在某種工況下有可能對車載LNG氣瓶的結構造成嚴重的影響，有時導致其結構破壞，發(fā)生LNG泄漏，引發(fā)火災爆炸事故。因此針對車載LNG氣瓶在振動和沖擊工況下的失效模式研究并提出相應的風險應對措施具有十分重要的意義。

1 車載LNG氣瓶

1.1 車載LNG氣瓶發(fā)展

上世紀八十年代車載LNG氣瓶在美國、加拿大、德國、法國等世界發(fā)達國家開始研制，到上世紀九十年代車載LNG氣瓶技術在這些國家已趨成熟，并開始小規(guī)模推廣。目前國外車載LNG氣瓶的生產廠家主要有美國泰萊華頓公司和查特深冷工程系統(tǒng)有限公司，俄羅斯的JSC Cryo.genmash等。進入21世紀，隨著LNG技術的推廣，國內低溫設備研究者和制造企業(yè)也加快了車載LNG氣瓶的研發(fā)步伐。2002年8月國內首個55L車載LNG氣瓶試制成功，同樣在8月份，配備該規(guī)格型號的車載LNG氣瓶樣車順利通過國家重型汽車質量監(jiān)督檢驗中心檢驗。并且隨著車載LNG氣瓶技術的不斷發(fā)展和完善，國內先后頒布實施了《中華人民共和國特種設備安全法》、TSG08-2017《特種設備使用管理規(guī)則》、TSGR0006-2014《氣瓶安全技術監(jiān)察規(guī)程》、TSGR0009-2009《車用氣瓶安全技術監(jiān)察規(guī)程》、GB/T 34510-2017《汽車用液化天然氣氣瓶》、GB14193-2009《液化氣體氣瓶充裝規(guī)定》、TSGR7002-2009《氣瓶型式試驗規(guī)則》、TSGRF0009-2009《氣瓶附件安全技術監(jiān)察規(guī)程》等多部車載LNG氣瓶相關標準。到目前為止，國內已有多家車載LNG氣瓶生產廠家，并且能夠生產各類規(guī)格型號的車載LNG氣瓶。

1.2 車載LNG氣瓶結構

1-內膽;2-支撐;3-外膽;4-管路;5-閥門;6-附件;7-絕熱層

圖1 某規(guī)格型號的車載LNG氣瓶結構圖

車載LNG氣瓶作為LNG汽車供氣系統(tǒng)的核心部件，是為LNG汽車提供燃料貯存及自動連續(xù)穩(wěn)定供給的重要設備。在無特殊要求的情況下，車載LNG氣瓶的結構基本相同，均為臥式雙層圓筒結構，圖1為某規(guī)格型號的車載LNG氣瓶結構圖，主要包括內膽、外膽、多層絕熱材料、支撐結構、管路、閥門、附件等。內外膽之間采用固定加滑移的連接方式，有效避免了溫差應力對氣瓶結構的影響。內膽材料采用耐低溫的奧氏體不銹鋼(S30408)，貯存LNG和承受介質的壓力及低溫，在內膽外壁纏有一定層數(shù)的多層絕熱材料，可選用玻璃纖維、芳綸纖維或者碳纖維；外膽為內膽的保護層，與內膽之間保持一定間距，抽高真空形成絕熱空間，從而起到良好的保冷效果，有效降低LNG吸熱氣化，并且承受內膽和介質的重力荷載以及絕熱層的真空負壓。外殼不接觸低溫，但是由于外殼體積不大，用材不是很多，因此跟內容器一樣，采用奧氏體不銹鋼制作。同時為防止氣瓶在使用過程中因超壓而出現(xiàn)危險，設置高低壓兩級安全閥，并將安全閥的排放口置于車輛頂部。

2 振動和沖擊載荷作用下車載LNG氣瓶失效研究存在的問題

2.1 國標對振動和沖擊載荷作用下車載LNG氣瓶檢驗規(guī)定

車載LNG氣瓶在生產完成后要進行安全性能試驗，GB/T 34510-2017《汽車用液化天然氣氣瓶》附錄A中的A.1和A.2分別對汽車用液化天然氣氣瓶安全性能試驗項目及要求、方法及評定專門做了詳細規(guī)定，檢驗振動和沖擊對車載LNG氣瓶產生影響的有振動和跌落這兩種試驗，跌落試驗又分為對管路系統(tǒng)端的3m高度跌落試驗和對指定除管路系統(tǒng)端之外的最關鍵部位的10m高度跌落試驗[3]。其中振動試驗主要是模擬檢驗車載LNG氣瓶在運行條件下內外膽支撐結構和管路等的耐久性；而跌落試驗則是檢驗車載LNG氣瓶在沖擊條件下的完整性。試驗采用的試驗介質均為與裝滿LNG等質量的液氮，并且氣瓶處于完全冷卻狀態(tài)[4-5]。試驗過程中還對與振動試驗有關的振動加速度、振動方向、振動頻率、加振時間等參數(shù)做了具體規(guī)定，均是定值；跌落試驗過程中也對跌落平面、跌落高度等條件做了具體規(guī)定。但是在實際運行過程中，LNG汽車的加速、減速、顛簸、轉彎都等因素都是不確定的，且發(fā)生時情況也比較復雜，有可能是多個因素的共同作用。車載LNG氣瓶固定在LNG汽車上，隨著LNG汽車運行條件的變化而發(fā)生復雜的振動和沖擊情況。特別是在山區(qū)、礦場等路面環(huán)境比較差的路況下，車輛在經歷急剎車、路面凹坑等狀態(tài)時產生較大的振動和沖擊載荷，對車載LNG氣瓶結構造成嚴重影響。

2.2 相關學者對振動和沖擊載荷作用下車載LNG氣瓶失效研究

車載LNG氣瓶發(fā)展過程中，國內外的學者對它的研究主要集中在結構設計、絕熱層保溫性能、供氣系統(tǒng)方面。由于車載LNG氣瓶在使用過程中受到來自路面顛簸，車輛加速、減速及轉彎，LNG晃動等而發(fā)生振動和沖擊，易造成氣瓶內部結構的變形甚至失效，而目前針對振動和沖擊載荷作用下的車載LNG氣瓶失效方面的研究相對較少。在實際研究過程中為了簡化研究過程，降低研究問題的復雜程度和難度，大多數(shù)對實際問題進行理想化處理。在假設其他條件不變的情況下只考慮單一因素引起的振動和沖擊載荷對車載LNG氣瓶失效的影響。

目前，對振動和沖擊載荷作用下的車載LNG氣瓶失效模式的研究方法，大多數(shù)采用數(shù)值模擬的方法，主要是對車載LNG氣瓶作結構靜力學和動力學兩方面的分析。靜力學分析主要是采用等效質量法和等效載荷法，將介質對瓶體的影響等效為靜載荷進行分析，建立不同振動加速度作用下的等效靜力學模型，分析計算氣瓶各關鍵部位的應力分布規(guī)律以及氣瓶在振動過程中易失效部位。動力學分析在模態(tài)分析確定氣瓶結構的固有頻率和模態(tài)振型的基礎上，通過施加不同路況下的路面譜激勵進行隨機振動分析，為了計算和分析的方便，在建立模型時基本上都對車載LNG氣瓶的實際結構做了簡化處理，往往忽略了管路及閥門對氣瓶的影響，但事實際證明車載LNG氣瓶在使用過程中管路連接部位失效時有發(fā)生。對邊界條件的處理及物理參數(shù)的設置經常采用近視值，大多數(shù)用標準路面不平度激勵直接施加在氣瓶上，忽略了輪胎和車架等對激勵強度的衰減[6]；部分研究中考慮了車體對路面不平度激勵衰減，但僅運用了經驗換算的方法；往往不施加車載LNG氣瓶部位實際受到的激勵，也不考慮汽車自身振動對氣瓶的影響。因此，最終導致研究結果可信度不是很高，和實際有一定出入，不能很好的反映實際工況。

3 失效模式及風險應對措施

根據(jù)車載LNG氣瓶的結構，結合國標對車載LNG氣瓶安全性能試驗的規(guī)定以及國內外相關學者對振動和沖擊載荷作用下的失效模式研究，可知車載LNG氣瓶在振動和沖擊載荷作用下的失效模式主要表現(xiàn)為外膽的變形失穩(wěn)、內外膽之間夾層管路變形或者泄露失效、前后支撐失效、外部管路變形或者泄露失效[7-8]。

車載LNG氣瓶內膽受外膽的保護，在外部載荷不足夠大時，一般情況下不會引發(fā)氣瓶內膽變形失穩(wěn)，最有可能引發(fā)內膽變形失效的就是LNG的沖擊載荷作用。內外膽之間夾層管路是指從氣瓶內膽引出穿過內外膽之間夾層到外膽外部的管路，一般包括充裝管、用液管、放空管和增壓管。一方面，這些管路一端與低溫LNG或低溫蒸發(fā)氣接觸，另一端與環(huán)境溫度接觸，兩端有很大的溫差，于是在溫差的作用下產生很強的應力，經過多次振動和沖擊容易產生疲勞損壞；另一方面，這些管路固定在內膽和外膽上，如果內外膽發(fā)生相對位移，就會對這些管路產生作用力，在數(shù)次的振動和沖擊作用下容易發(fā)生斷裂。前支撐失效主要表現(xiàn)為支撐管之間連接焊縫開裂，后支撐失效主要是強度不夠引起的斷裂。外部管路變形或者泄露失效是指儀表管路懸臂過長，在振動和沖擊過程中疲勞斷裂。

針對上述車載LNG氣瓶失效模式，可以通過對車載LNG氣瓶零件自身和零件與零件之間連接形式的優(yōu)化設計，提高氣瓶固有頻率；尤其是對容易失效的部位采用保守設計，增加其強度余量；對內外膽之間夾層管路固定形式進行優(yōu)化設計，或者采用金屬軟管替代；改進焊接工藝和焊接方法，提高焊接質量等措施來降低事故風險。

4 結論

我國已經成為世界上車載LNG氣瓶最大的制造、使用及出口國，在實際使用過程中，車載LNG氣瓶會隨著LNG汽車的顛簸、加速、減速及轉彎而發(fā)生振動和沖擊，有時導致結構破壞，嚴重影響氣瓶的安全運行。目前專門針對振動和沖擊載荷作用下的車載LNG氣瓶失效方面的研究相對較少，而且在現(xiàn)有的研究中大多數(shù)也僅采用數(shù)值模擬方法，對實際問題進行理想化處理，在建立模型時對車載LNG氣瓶結構做了簡化處理，假設其他條件不變，只考慮單一因素引起的振動和沖擊載荷對車載LNG氣瓶失效的影響，導致研究結果和實際有一定出入，不能很好的反映實際情況。通過大量調研和分析研究可知車載LNG氣瓶在振動和沖擊載荷作用下的失效模式主要表現(xiàn)為外膽的變形失效、內外膽之間夾層管路變形或者泄露失效、前后支撐失效、外部管路變形或者泄露失效。針對這些失效模式，可以對車載LNG氣瓶零件自身和零件與零件之間連接形式進行優(yōu)化設計，提高氣瓶固有頻率；尤其是對容易失效的部位采用保守設計，增加強度余量；對內外膽之間夾層管路固定形式進行優(yōu)化，或者采用金屬軟管替代；改進焊接工藝和焊接方法，提高焊接質量等措施，降低風險事故。