龐慕妮 楊寧祥 謝小娟 叢成龍

摘要：介紹了公交車載LNG焊接絕熱氣瓶定期檢驗(yàn)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀，闡述了焊接絕熱氣瓶的檢驗(yàn)檢測研究進(jìn)展，從三個(gè)方面分析了公交車載LNG焊接絕熱氣瓶振動(dòng)研究對定期檢驗(yàn)的質(zhì)量提升作用，并對公交車載LNG焊接絕熱氣瓶行業(yè)發(fā)展提出了建議。

關(guān)鍵詞：公交 LNG 焊接絕熱氣瓶 定期檢驗(yàn) 振動(dòng)

Abstract： This paper introduces the status quo of regulations and standards for periodic inspection of welded insulated gas cylinders carried by LNG on buses， and expounds the research progress in inspection and inspection of welded insulated gas cylinders. This paper analyzes the effect of vibration study of LNG welded insulated gas cylinders on bus on improving the quality of periodic inspection， and puts forward some suggestions on the development of LNG welded insulated gas cylinders on bus.

Key words： bus， liquified natural gas， welded insulated cylinders， periodic inspection， vibration

液化天然氣（liquified natural gas，LNG）具有熱值高、燃燒充分、排放環(huán)保、國內(nèi)儲(chǔ)存豐富、價(jià)格低、運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)等眾多優(yōu)點(diǎn)，是我國大力推廣的一種新型能源。近年來，全國多地開始推廣使用LNG公交、LNG出租車。作為存儲(chǔ)LNG的壓力容器，車載LNG焊接絕熱氣瓶的安全性能受到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。車載LNG焊接絕熱氣瓶作為一種特殊的移動(dòng)式壓力容器，其結(jié)構(gòu)特殊，工作環(huán)境復(fù)雜，長期受到運(yùn)行振動(dòng)的影響，其定期檢驗(yàn)尤為關(guān)鍵。

1 車載LNG焊接絕熱氣瓶定期檢驗(yàn)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

TSG R0009—2009《車用氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定，車用氣瓶的定期檢驗(yàn)周期、檢驗(yàn)項(xiàng)目和評定要求等，應(yīng)符合有關(guān)安全技術(shù)規(guī)范及其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或者地方標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。暫時(shí)沒有標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)可以參照相應(yīng)氣瓶的地方標(biāo)準(zhǔn)或者經(jīng)過技術(shù)評審的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定檢驗(yàn)方案。TSG R0006—2014《氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定，車用焊接絕熱氣瓶每3年檢驗(yàn)一次。檢驗(yàn)或者使用中發(fā)現(xiàn)存在影響絕熱性能等問題時(shí)，應(yīng)當(dāng)送到具有相應(yīng)資質(zhì)的制造單位或者原制造單位委托的單位進(jìn)行維護(hù)或者修理。GB 24159—2009《焊接絕熱氣瓶》規(guī)定了焊接絕熱氣瓶的定義、符號、型式、基本參數(shù)、材料、設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則、標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸、存放等要求，但未對定期檢驗(yàn)做出規(guī)定。按照地方標(biāo)準(zhǔn)的備案日期先后排序，云南省、湖北省、天津市、福建省、上海市、陜西省、四川省、吉林省、河北省、北京市、陜西省、新疆維吾爾自治區(qū)先后發(fā)布實(shí)施了焊接絕熱氣瓶或車用LNG焊接絕熱氣瓶定期檢驗(yàn)的地方標(biāo)準(zhǔn)，用于開展定期檢驗(yàn)。但由于檢驗(yàn)實(shí)施困難，僅有部分省份推動(dòng)了車用LNG焊接絕熱氣瓶的定期檢驗(yàn)。GB/T 18443.1～18443.10—2010《真空絕熱深冷設(shè)備性能試驗(yàn)方法》規(guī)定了低溫絕熱壓力容器性能測試方法的基本要求、真空度測量、漏率測量、漏放氣速率測量、靜態(tài)蒸發(fā)率測量、漏熱量測量、維持時(shí)間測量、容積測量。由此可以看出，車用焊接絕熱氣瓶在設(shè)計(jì)、制造、出廠檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)的法規(guī)規(guī)程、國家標(biāo)準(zhǔn)相對完善，具有較強(qiáng)的可實(shí)施性。但是在定期檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，車用焊接絕熱氣瓶法規(guī)規(guī)程、國家標(biāo)準(zhǔn)并不完善，檢驗(yàn)的主要依據(jù)為各地的地方標(biāo)準(zhǔn)，全國的車用焊接絕熱氣瓶的定期檢驗(yàn)尺度不統(tǒng)一。

2 焊接絕熱氣瓶的檢驗(yàn)檢測研究進(jìn)展

焊接絕熱氣瓶定期檢驗(yàn)大約從2012年開始，逐漸在全國各省開展，部分省份依據(jù)當(dāng)?shù)氐牡胤綐?biāo)準(zhǔn)，部分依據(jù)自定的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。福州大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院、福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)院劉康林等[1]開展了焊接絕熱氣瓶定期檢驗(yàn)，認(rèn)為焊接絕熱氣瓶的蒸發(fā)率可根據(jù)液氮在靜置期間的重量變化，利用線性預(yù)測模型予以有效預(yù)測;熱成像法可以實(shí)現(xiàn)對焊接絕熱氣瓶絕熱性能、泄漏和破損的綜合檢測;在液氮冷沖擊疲勞作用下， 焊接絕熱氣瓶內(nèi)膽焊縫處可產(chǎn)生微觀裂紋，但對內(nèi)膽的安全運(yùn)行不構(gòu)成危害;開發(fā)的焊接絕熱氣瓶絕熱性能檢測與信息系統(tǒng)，能提高檢驗(yàn)效率。成都郫縣南方燃?xì)馄嚈z測公司宋茂鮮等[2]，開展了車用LNG 焊接絕熱氣瓶定期檢驗(yàn)，提出了9項(xiàng)建議，包括氣瓶應(yīng)拆卸檢驗(yàn);可拆附件應(yīng)拆卸檢驗(yàn);用氮?dú)庾鰵饷苄栽囼?yàn);不需要抽真空處理和真空度測量;不需要漏率檢測;不需要做氣壓試驗(yàn);應(yīng)重點(diǎn)注意檢查附件裂紋、氣瓶和附件螺紋損傷、壓力表和安全閥檢驗(yàn)，以及氣瓶分配頭焊縫、附件、氣瓶與附件連接處的泄漏情況;應(yīng)注意氣瓶日常檢查維護(hù)保養(yǎng);應(yīng)提升氣瓶本身質(zhì)量與售后服務(wù)質(zhì)量。成都市特種設(shè)備檢驗(yàn)院邱元蒞等[3]，定期檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氣瓶的主要問題是連接件如彎頭、閥體、連接螺帽、卡套等銅件發(fā)生裂紋，連接部位泄漏。福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院江仰春[4]，依據(jù)其福建省鍋檢院的院標(biāo)，開展了低溫焊接絕熱氣瓶定期檢驗(yàn)，重點(diǎn)闡述了檢驗(yàn)項(xiàng)目、檢驗(yàn)儀器、檢驗(yàn)準(zhǔn)備、檢驗(yàn)過程、檢驗(yàn)后續(xù)處理，檢驗(yàn)過程介紹詳細(xì)，有重要借鑒意義。天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院黃小宇等[5]，開展了車載液化天然氣氣瓶定期檢驗(yàn)，對開展該項(xiàng)工作存在的困難進(jìn)行了總結(jié)，工作推進(jìn)困難的主要原因包括：定期檢驗(yàn)的法規(guī)規(guī)程和國家標(biāo)準(zhǔn)未制定;制造指標(biāo)、檢驗(yàn)指標(biāo)和評定指標(biāo)存在較大差異，難以用制造指標(biāo)評定定期檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的問題。張建斌、彭浩、黃小宇等[6-12]，研究了車用焊接絕熱氣瓶絕熱性能（靜態(tài)蒸發(fā)率）檢測方法和檢測裝置，為該重要項(xiàng)目的定期檢驗(yàn)提供了多種方案。

3 公交車載LNG焊接絕熱氣瓶的振動(dòng)研究

目前在用的公交車載低溫絕熱氣瓶公稱容積在500L～800L，正在研究設(shè)計(jì)的有公稱容積為1200L～1500L的氣瓶，用在重型卡車等。公交車載LNG焊接絕熱氣瓶具有容積大、持續(xù)使用時(shí)間長、使用工況與運(yùn)行軌跡有聯(lián)系等特點(diǎn)，其主要失效為振動(dòng)引起的部件損壞等失效，因此，LNG氣瓶必須具有良好的抗振性能。公交車載LNG焊接絕熱氣瓶的振動(dòng)研究主要有： 振動(dòng)分析設(shè)計(jì)與模擬，振動(dòng)試驗(yàn)，失效分析與改進(jìn)三個(gè)方面。

3.1 振動(dòng)分析設(shè)計(jì)與模擬

車載氣瓶的分析設(shè)計(jì)與模擬主要包括兩個(gè)方面：1）車載狀況下的氣瓶各結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布分析;2）車載狀況下的氣瓶各結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析。

氣瓶結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布設(shè)計(jì)主要采用ANSYS等有限元軟件，計(jì)算不同工況下氣瓶的各結(jié)構(gòu)部位的最大應(yīng)力值，避免超過最大允許應(yīng)力而失效，可為氣瓶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、氣瓶管路布局、氣瓶材料選擇、附件連接結(jié)構(gòu)選擇提供參考。

氣瓶振動(dòng)分析設(shè)計(jì)與模擬主要采用ANSYS等有限元軟件，計(jì)算不同工況氣瓶固有頻率、共振頻率，優(yōu)化設(shè)計(jì)，防止共振，讓車載氣瓶的使用安全性能更高。振動(dòng)分析因素的主要研究方向包括：不同路況的振動(dòng)影響分析（加減速、急剎車、急轉(zhuǎn)彎），發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)影響分析，不同形狀和結(jié)構(gòu)氣瓶的振動(dòng)影響分析，容積、長度、充裝量對氣瓶的振動(dòng)影響分析。

通過氣瓶振動(dòng)分析設(shè)計(jì)與模擬，可以選擇最優(yōu)的氣瓶結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)用于振動(dòng)試驗(yàn)的氣瓶樣品。分析設(shè)計(jì)與模擬的結(jié)構(gòu)會(huì)直接影響振動(dòng)試驗(yàn)樣品的合格率。

3.2 抗振性能試驗(yàn)

LNG氣瓶都是通過振動(dòng)試驗(yàn)項(xiàng)目來驗(yàn)證氣瓶的抗振性能。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 34510—2017《汽車用液化天然氣氣瓶》中規(guī)定的振動(dòng)試驗(yàn)項(xiàng)目是模擬檢驗(yàn)氣瓶在汽車運(yùn)行條件下，內(nèi)膽與外殼的支撐結(jié)構(gòu)、管路系統(tǒng)等附件的耐久性。振動(dòng)試驗(yàn)前氣瓶中充裝與裝滿LNG等重量的液氮，氣瓶處于完全冷卻狀態(tài)，壓力為0MPa（表壓）。振動(dòng)加速度3g（3倍重力加速度），振動(dòng)方向?yàn)樯舷麓怪狈较?。振?dòng)試驗(yàn)在8Hz～40Hz范圍掃頻，若發(fā)現(xiàn)在這一頻率范圍內(nèi)有共振，應(yīng)更改氣瓶設(shè)計(jì)，重新進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果必須同時(shí)滿足以下要求為合格：a）振動(dòng)完畢后，任何部位不得出現(xiàn)泄漏;b）振動(dòng)完畢靜置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）。

振動(dòng)試驗(yàn)的主要失效模式包括：夾層中間管路泄漏、前后支撐失效、外部連接管路失效 [13]。夾層中間管路位于內(nèi)膽與外殼之間，試驗(yàn)過程中內(nèi)膽將會(huì)有相對于外殼的位移，氣瓶在不同頻率的振動(dòng)后，在管路兩端焊接部位很容易出現(xiàn)斷裂。連接內(nèi)膽與外殼之間的剛性支撐包括前端支撐和后端支撐。前端支撐失效大多數(shù)為支撐管之間連接焊縫及分配頭與外前封頭連接焊縫開裂。后端支撐結(jié)構(gòu)失效主要形式為支撐軸強(qiáng)度不足而引起的斷裂。外部管路失效最常見的是分配頭周圍儀表管路斷裂，斷裂原因主要是氣瓶振動(dòng)過程管路懸臂過長而導(dǎo)致疲勞斷裂。

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(shè)計(jì)，提高氣瓶固有頻率; 尤其是對容易失效的部位采用保守設(shè)計(jì)，增加其強(qiáng)度余量;對內(nèi)膽與外殼之間夾層管路固定形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，或者采用金屬軟管替代; 改進(jìn)焊接工藝和焊接方法，提高焊接質(zhì)量等措施來降低事故風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 失效分析與改進(jìn)

車載LNG氣瓶在振動(dòng)和沖擊載荷作用下，定期檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的失效模式主要表現(xiàn)為氣瓶固定裝置損壞、外膽的變形磨損、氣瓶附件裂紋或泄漏、氣瓶附件連接部位螺紋損傷。LNG氣瓶內(nèi)膽受到外膽的保護(hù)，振動(dòng)和沖擊一般對內(nèi)膽沒有太大影響。外膽由于受到上下振動(dòng)、平移、滑動(dòng)等各向力，可能造成氣瓶固定裝置損壞，外膽與固定裝置、車架部位發(fā)生摩擦造成外膽變形磨損，定期檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該項(xiàng)問題時(shí)，應(yīng)對變形磨損部位進(jìn)行表面無損檢測。附件裂紋或泄漏主要原因是附件在氣體交變載荷作用下，經(jīng)過一段時(shí)間后，在局部高應(yīng)力區(qū)形成細(xì)小的疲勞裂紋，再由細(xì)小疲勞裂紋擴(kuò)展成為可見的疲勞裂紋。氣瓶附件連接部位螺紋損傷主要是因?yàn)榘惭b附件時(shí)預(yù)緊力過大，在振動(dòng)作用下，造成螺紋損傷。

針對上述車載LNG氣瓶失效模式，可以通過對安裝過程監(jiān)督、零部件連接優(yōu)化設(shè)計(jì)、材料選用優(yōu)化等方法減少使用過程振動(dòng)對氣瓶的影響，提升氣瓶實(shí)用的安全性能。

4 結(jié)束語

汽車的主要?jiǎng)恿δ茉礊槠?、天然氣、電。汽油的使用存在石油枯竭、汽車尾氣不環(huán)保等問題;電動(dòng)車暫時(shí)解決不了充電時(shí)間問題。而天然氣蘊(yùn)藏豐富，LNG公交汽車將在較長一段時(shí)間內(nèi)普遍使用。隨著時(shí)間的推移，部分車載LNG焊接絕熱氣瓶使用年限較長，如何排除運(yùn)行過程中的隱患，解決振動(dòng)造成的氣瓶損傷，需要從設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、安裝、定期檢驗(yàn)多方面著手，提高氣瓶的安全性能。如何設(shè)計(jì)容量更大，使用時(shí)間更長的公交車載LNG焊接絕熱氣瓶，是重要研究課題之一;定期檢驗(yàn)中如何開展不拆卸檢驗(yàn)，提高氣瓶安全性能、節(jié)約檢驗(yàn)成本，是另一項(xiàng)重要的研究課題。

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