孟新軍

(西安德森新能源裝備有限公司，陜西 西安 710043)

0 引言

車用液化天然氣氣瓶作為一種低溫絕熱壓力容器，設計有雙層真空結構。在真空劃分的四個區(qū)中，車用液化天然氣氣瓶充裝液氮后，夾層真空度≤2.0×10-2Pa，夾層空間屬于高真空狀態(tài)。自增壓車用LNG氣瓶最關鍵的部位為連接內外膽作為增壓出液用的夾層增壓管。目前市場上常出現(xiàn)自增壓氣瓶夾層增壓管本體或焊接接頭熱影響區(qū)產生裂紋失效，導致氣瓶真空喪失，壽命終止而無法使用。文章以某廠家LNG氣瓶結構為載體，通過失效產品數據分析、失效斷口檢測分析、理論分析，系統(tǒng)全面地查找根本原因，提出解決方案。經過市場驗證，新結構氣瓶可以解決夾層增壓管失效問題。希望能對自增壓結構液化天然氣氣瓶使用壽命延長、降低生產企業(yè)三包更換費用提供重要的指導意義。

1 失效數據分析

1.1 失效模式簡介

某廠家2017～2018年車用LNG氣瓶夾層增壓管失效模式主要為夾層增壓管與內部套管焊縫根部熱影響區(qū)斷裂(即位置一)。經過不斷的工藝優(yōu)化、設計改進，位置一失效得到了明顯改善，但又出現(xiàn)了新的失效模式：夾層增壓管與90°轉換接頭焊縫熱影響區(qū)斷裂(即位置二)，斷裂失效位置對比照片如圖1和圖2所示。

圖1 原失效位置(位置一)

圖2 新失效位置(位置二)

1.2 失效數據分析

統(tǒng)計某廠家不同結構車用LNG氣瓶夾層增壓管失效數據，可知外前封頭補強板是否塞焊不能解決夾層增壓管失效，見序號1與序號3；外前封頭壁厚、外前封頭補強板、前端支撐結構直接影響氣瓶支撐剛性，改變夾層增壓管受力狀態(tài)；前端剛性協(xié)調時，可以解決夾層增壓管失效，見序號2與序號4結構。

1.3 斷口掃描分析

夾層增壓管斷口掃描照片分別如圖3所示。

圖3 斷口掃描照片

從圖3可以明顯看出，根據氣瓶夾層增壓管斷口形貌特征判定，該斷裂形式為疲勞斷裂，裂紋源位于管路外表面，疲勞裂紋擴展區(qū)可見明暗交替、有規(guī)則、相互平行的條紋，即疲勞輝紋，一般每一條紋代表依次循環(huán)載荷。

1.4 金相組織分析

鑒于本次夾層增壓管失效斷裂位置均為焊縫熱影響區(qū)，因此通過金相組織查看熱影響區(qū)組織是否過熱粗大。斷口截面熱影響區(qū)、母材金相組織如圖4和圖5所示。

圖4 熱影響區(qū)金相

圖5 母材金相

從圖4、圖5中可以看出母材、熱影響區(qū)晶粒各向異性明顯，但熱影響區(qū)晶粒并未發(fā)生明顯的粗化現(xiàn)象，可判定夾層增壓管與90°轉換接頭位置焊接參數合適，沒有產生過熱。

1.5 母材成分檢測分析

由于熱影響區(qū)金相中出現(xiàn)了長條狀非正常組織，因此對已斷裂夾層增壓管、90°轉換接頭成分進行檢測，檢測結果如表1所示。

表1 母材化學成分檢測結果(質量分數%)

從表1可以看出，管路、接頭化學成分均符合國家標準要求。

1.6 小結

通過失效數據分析、斷口掃描、金相組織、化學成分檢測分析，可知夾層增壓管斷裂失效模式主要是由疲勞載荷作用下的結構設計不合理而導致。氣瓶夾層增壓管快速疲勞失效的原因推斷為：運輸過程中疲勞載荷的某個頻率成分與夾層增壓管與90°焊接接頭的固有頻率成分相近，即力學上所謂的“落進某個頻率禁區(qū)”，該結構局部應力變化范圍被放大，應變幅增大而產生的快速低周疲勞失效。

2 焊接結構抗疲勞強度理論分析

影響焊接結構疲勞性能的因素只有兩個：一個是焊接結構內部自身抵抗疲勞的能力，即內因；另一個是焊接結構所承受的疲勞載荷，即外因。由于車用LNG氣瓶使用工況各不相同，因此其承受的外載荷是無法控制的。因此，為了解決焊接結構疲勞失效只能通過提高焊接結構自身抵抗疲勞的能力來實現(xiàn)。

焊接接頭的疲勞破壞模式有兩種：一種是焊縫附近沿板的厚度方向的破壞模式，即模式A，它的破壞始于焊趾；第二種是焊縫破壞，即模式B，它的破壞始于焊根，穿過焊縫金屬[1]。

模式B的破壞可以通過設計適當的焊縫尺寸和使用適當的焊接工藝予以避免。模式A的破壞難以解決是由于焊接接頭的整體和局部不連續(xù)性造成的，即使焊接缺陷為零、焊接質量很好的焊縫，在焊趾上也客觀存在著局部微觀裂紋，因此要解決模式A的破壞必須通過結構和接頭形式的合理設計，杜絕焊接過程中產生各種缺陷，從而使解決焊接結構應力集中問題徹底解決。英國焊接研究所的試驗數據證明了母材本身的屈服強度對于焊接接頭疲勞特性的影響不明顯[2]。因此通過提高母材屈服強度提高焊接接頭抗疲勞能力并不現(xiàn)實。

世界著名焊接結構疲勞問題評估專家董平沙教授曾解釋：“外載荷引起的疲勞應力和焊接引起的殘余應力不是簡單的疊加關系，因為前者由力控制，后者由位移或應變控制。隨著裂紋的擴展，由位移控制的殘余應力迅速下降，由外力引起的疲勞應力迅速增加。但與應力集中相比，殘余應力對焊接結構疲勞壽命的影響很小”[3]。可知焊接殘余應力在疲勞裂紋起裂時起到一定的作用，但對焊接結構疲勞壽命影響很小。

應力由應變控制，應變由變形控制，變形則是由剛度控制。因此在焊接結構抗疲勞設計時，需要明確應力與剛度之間的內在關系，剛度的協(xié)調才能緩解局部的應力集中。實際發(fā)生過案例：某機車焊接牽引座的端部焊縫疲勞開裂以后，有人建議將牽引座的補強板加厚以增加其強度，然而補強板加厚以后，端焊縫的疲勞壽命反而更短了。后來有人建議將牽引座向后移動一段距離，結果問題依舊。其實原因很簡單，端焊縫因補強后連接剛度變得更不協(xié)調了，從而導致應力集中反而加劇了。后一個措施則是“應力集中的移動”而不是“應力集中的緩解”。不同結構氣瓶夾層增壓管失效已經驗證了氣瓶前端剛性的不匹配性才會導致不同位置失效，因此在剛性匹配上可借鑒學習國內《焊接結構》[4]、國外《焊接結構疲勞強度》[5]。

綜上分析可知：要解決夾層增壓管組件模式A破壞，首先保證前端剛性相對協(xié)調，再明確不同結構更改后整個氣瓶上關鍵位置應力分布狀態(tài)，從而優(yōu)化設計夾層增壓管組件焊接結構，提高焊接結構承載能力，減小焊接結構應力集中，以徹底解決夾層增壓管組件疲勞斷裂失效。

3 結語

通過數據分析、失效斷口檢測分析、理論分析得出以下結論：是否塞焊不能解決夾層增壓管失效，但塞焊能保證補強板與外前封頭良好的貼合度，保證補強效果。外前封頭壁厚、外前封頭補強板、前端支撐結構直接影響氣瓶支撐剛性，改變夾層增壓管受力狀態(tài)；前端剛性協(xié)調是解決夾層增壓管失效的關鍵因素，明確氣瓶整體結構下前端應力分布、夾層增壓管焊接結構應力分布和應力集中位置峰值，可徹底解決夾層增壓管失效。