包文紅

(甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

由于我國(guó)自然資源分布不均勻、工業(yè)發(fā)展水平不平衡及煉廠的布局相對(duì)固定等原因，導(dǎo)致大量的液化氣體需長(zhǎng)距離運(yùn)輸。目前，液化氣體的運(yùn)輸方式主要有：鐵路罐車(chē)、汽車(chē)罐車(chē)及管道輸送，而汽車(chē)罐車(chē)具有運(yùn)輸靈活、成本低及適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，使其在諸多運(yùn)輸方式中占有重要的地位。

為減小罐內(nèi)液體的晃動(dòng)，保障罐車(chē)的運(yùn)行安全，液化氣體汽車(chē)罐車(chē)運(yùn)輸時(shí)不能滿(mǎn)載運(yùn)輸，需保留至少5%的氣相空間。在罐車(chē)運(yùn)輸過(guò)程中，由于罐車(chē)罐內(nèi)液體未完全充滿(mǎn)，以致罐車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)，包括制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎等，罐內(nèi)液體會(huì)在慣性力作用下發(fā)生涌動(dòng)，對(duì)罐體產(chǎn)生沖擊，使罐車(chē)重心偏移，易引發(fā)交通事故[1-2]。為減小罐內(nèi)液體晃動(dòng)，增加罐車(chē)的行駛穩(wěn)定性，按照《液化氣體汽車(chē)罐車(chē)》的規(guī)定，液化氣體汽車(chē)罐車(chē)在罐內(nèi)必須設(shè)置一定數(shù)量的防波板來(lái)抑制晃動(dòng)。

防波板對(duì)于汽車(chē)罐車(chē)的作用，學(xué)者已經(jīng)從多方面進(jìn)行了研究。陳志偉[3]通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了有無(wú)防波板罐車(chē)罐內(nèi)液體的晃動(dòng)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)罐內(nèi)的剛性防波板對(duì)降低罐體縱向應(yīng)力峰值方面發(fā)揮的作用有限，但可減少較大作用力的作用時(shí)間。高炳軍等[4]研究了罐車(chē)制動(dòng)時(shí)防波板位置對(duì)防晃效果的影響，得出充裝系數(shù)大于0.7時(shí)，靠近頂部安裝防波板好，充裝系數(shù)很小時(shí)，靠近底端安裝好。李鑫等[5-6]研究了防波板的面積、數(shù)量、幾何形狀等對(duì)罐車(chē)晃動(dòng)的影響。樂(lè)增等[7]通過(guò)模擬罐體內(nèi)部的液體晃動(dòng)，研究了不同型式防波板的防波效果。周斌等[8]通過(guò)流固耦合的方法分析了防波板在罐車(chē)制動(dòng)時(shí)的受力分布，同時(shí)研究了防波板上設(shè)置的阻尼孔對(duì)防波效果的影響。此外一些學(xué)者也分析了防波板失效原因，并對(duì)其選材、制造、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、連接接頭型式等方面進(jìn)行了優(yōu)化[9-10]。

雖然對(duì)于液化氣體汽車(chē)罐車(chē)的防波板已經(jīng)做了很多研究，每年定期檢驗(yàn)時(shí)仍發(fā)現(xiàn)部分服役罐車(chē)防波板出現(xiàn)了開(kāi)裂、脫落問(wèn)題?，F(xiàn)基于檢驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的防波板問(wèn)題，分別從設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)及使用方面分析防波板失效的原因，得出在同樣使用工況下哪種防波板布置最為合理，從而為液化氣體汽車(chē)罐車(chē)合理布置防波板提供參考。

1 防波板失效的危害

防波板不屬于承壓部件，在罐車(chē)制造、檢驗(yàn)、檢修中往往容易忽視檢查，若在檢驗(yàn)中不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理失效的防波板，則可能帶來(lái)以下危害：①防波板連接處的缺陷繼續(xù)擴(kuò)展，造成防波板的脫落；②防波板脫落后，液體晃動(dòng)幅度增大，沖擊力增加，加速了其它防波板的損壞，同時(shí)罐車(chē)行駛的穩(wěn)定性變差，易發(fā)生交通事故；③脫落的防波板隨著液體的晃動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，沖擊罐內(nèi)其它部件，造成氣相管的斷裂、液位計(jì)失靈等；④防波板松動(dòng)之后，在液體晃動(dòng)時(shí)產(chǎn)生很大的響聲，引起駕駛員心理恐懼，影響罐車(chē)的安全運(yùn)行；⑤螺栓連接固定的防波板，由于液體的沖擊、振動(dòng)使螺栓松動(dòng)脫落，脫落的螺母、墊片進(jìn)入液相緊急切斷閥，導(dǎo)致其不能自如地開(kāi)啟或關(guān)閉，造成罐車(chē)裝卸困難。

2 罐車(chē)防波板失效原因分析

2.1 設(shè)計(jì)及失效問(wèn)題分析

國(guó)內(nèi)外對(duì)于移動(dòng)式壓力容器的防波板設(shè)計(jì)都是僅給出一些原則性的規(guī)定[11]。依據(jù)《液化氣體汽車(chē)罐車(chē)》對(duì)防波板設(shè)置的規(guī)定，相鄰防波板、防波板與相鄰封頭之間的容積應(yīng)不大于7.5 m3；每個(gè)防波板的有效面積應(yīng)不小于其所在位置處罐體橫截面積的70%?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有對(duì)防波板安裝的具體位置、數(shù)量及安裝方式等做出明確規(guī)定，這就導(dǎo)致各個(gè)液化氣體汽車(chē)罐車(chē)設(shè)計(jì)單位、制造單位各自為營(yíng)，不同單位設(shè)計(jì)、制造的罐車(chē)防波板型式、安裝方式等各不相同。

2.1.1 防波板的型式與布置方式

罐車(chē)內(nèi)設(shè)置的防波板主要作用是抑制罐車(chē)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)引起的液體晃動(dòng)，按照罐車(chē)罐體的結(jié)構(gòu)，罐內(nèi)的液體晃動(dòng)包括縱向晃動(dòng)和橫向晃動(dòng)。由于罐車(chē)運(yùn)行時(shí)縱向加速度的改變遠(yuǎn)大于橫向加速度的改變，所以液體的縱向沖擊遠(yuǎn)大于橫向沖擊。為保持罐車(chē)運(yùn)行穩(wěn)定性，罐內(nèi)防波板必須能有效抑制這種沿著罐體長(zhǎng)度方向液體的縱向沖擊。相比防波板的縱向布置，橫向布置對(duì)縱向液體晃動(dòng)的抑制效果好，所以得到了廣泛應(yīng)用。

液化氣體汽車(chē)罐車(chē)罐體是一個(gè)III類(lèi)壓力容器，其結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，其A向截面圖，如圖2所示。從圖2看出，防波板的設(shè)計(jì)型式主要有以下4種，整板中間開(kāi)孔橫向布置圖2(a)，兩層橫向布置圖2(b)，三層橫向布置圖2(c)，四層橫向布置圖2(d)。四種防波板的型式從設(shè)計(jì)的角度都滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的要求，但防波板的面積及防晃效果各有不同。防波板面積越大，防波板的防晃效果及保持罐車(chē)制動(dòng)平穩(wěn)性越好，所以在保持罐車(chē)的穩(wěn)定性方面圖2(a)>圖2(d)>圖2(c)>圖2(b)。但在檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在防波板的失效方面，圖2(a)>圖2(b)>圖2(c)>圖2(d)。對(duì)于圖2(a)型式的防波板，多數(shù)罐車(chē)在首次檢驗(yàn)時(shí)就發(fā)生大面積的開(kāi)裂、變形；圖2(b)型式的防波板，隨著罐車(chē)的使用也會(huì)逐漸的開(kāi)裂；圖2(c)型式的防波板在失效方面與圖2(b)類(lèi)似，但開(kāi)裂、脫落的防波板位置不同；圖2(d)型式的防波板很少發(fā)現(xiàn)失效。從上述分析看出，圖2(d)型式的防波板最有利。

圖1 罐體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 罐體A向截面圖

檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的防波板的布置方式除上述的橫向布置外，還有極少數(shù)的罐車(chē)采用了豎向布置，僅見(jiàn)四層防波板的情況，如圖3所示，檢驗(yàn)中也未發(fā)現(xiàn)此類(lèi)防波板失效。

圖3 四層豎向布置

2.1.2 防波板的連接方式

防波板作為罐體的重要部件，其與罐體的連接方式，如圖4所示，兩端焊接連接圖4(a)，一端焊接連接一端螺栓連接圖4(b)，兩端螺栓連接圖4(c)。檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，從防波板的失效方面，圖4(a)>圖4(b)>圖4(c)。這主要有以下幾方面引起：①液化氣體汽車(chē)罐車(chē)一般是長(zhǎng)距離運(yùn)輸，運(yùn)行過(guò)程中環(huán)境溫度變化大，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，罐內(nèi)液化氣體會(huì)隨著溫度升高而汽化，汽化后罐內(nèi)壓力升高，導(dǎo)致罐體會(huì)發(fā)生微量的彈性變形，對(duì)防波板產(chǎn)生拉伸應(yīng)力；罐車(chē)行駛過(guò)程中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)，包括制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、顛簸等，罐內(nèi)液體會(huì)對(duì)防波板產(chǎn)生沖擊；②焊接結(jié)構(gòu)的剛性大、拘束度大，對(duì)變形產(chǎn)生的應(yīng)力不能松弛；③焊接連接時(shí)，防波板與加強(qiáng)圈的焊接接頭為搭接接頭，易產(chǎn)生焊接缺陷，且結(jié)構(gòu)本身是裂紋源，在上述動(dòng)載荷的共同作用下易開(kāi)裂；④螺栓連接時(shí)，螺栓孔與螺栓間有間隙，對(duì)罐體彈性變形的拘束度小，承受的結(jié)構(gòu)應(yīng)力小。綜上分析，罐車(chē)運(yùn)行時(shí)，在同樣的工況下，焊接連接比螺栓連接方式承受的結(jié)構(gòu)應(yīng)力大，容易失效，所以圖4(c)的連接方式優(yōu)于圖4(a)與圖4(b)。

圖4 防波板的連接方式1.罐體 2.螺栓 3.防波板 4.加強(qiáng)圈 5.焊縫

2.2 制造及失效問(wèn)題分析

雖然《液化氣體運(yùn)輸車(chē)》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了防波板的有效面積、大小等，但對(duì)其具體的形式、數(shù)量、固定方式等沒(méi)有具體規(guī)定，以致制造單位都按照企業(yè)內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)罐車(chē)的防波板，其材料、結(jié)構(gòu)、大小、數(shù)量、形狀都不盡相同。

目前，防波板制造中使用的材料有碳鋼、低合金鋼及鋁合金。在防波板的失效方面，僅從材料因素考慮，鋁合金不易腐蝕，使用壽命較碳鋼、低合金鋼長(zhǎng)。

防波板的連接方式主要有焊接連接與螺栓連接，這兩種連接方式在制造中都易產(chǎn)生缺陷。不同制造廠的制造、質(zhì)量管理水平有很大的差異，特別是質(zhì)量管理水平。對(duì)于防波板這樣的非承壓部件，若制造廠對(duì)其質(zhì)量疏于管理，會(huì)產(chǎn)生以下缺陷：①防波板與加強(qiáng)圈連接的焊接接頭存在裂紋、未熔合、氣孔、未焊滿(mǎn)等焊接缺陷；②對(duì)于螺栓連接的接頭，防波板的螺栓孔周?chē)忻?、尖角、劃傷等機(jī)械加工缺陷；③對(duì)防波板的機(jī)械加工、焊接過(guò)程的無(wú)損檢測(cè)重視程度不夠，以致部分罐車(chē)的防波板出廠時(shí)存在缺陷。使用過(guò)程中，在流體沖擊力作用下，在以上連接接頭中的缺陷位置會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，使缺陷不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致防波板的開(kāi)裂、甚至脫落。

2.3 失效檢驗(yàn)及問(wèn)題

防波板作為汽車(chē)罐車(chē)的重要安全附件，雖不屬于承壓部件，但對(duì)汽車(chē)罐車(chē)的安全運(yùn)行有重要的作用，每年定期檢驗(yàn)時(shí)必須詳細(xì)檢查，也是必檢項(xiàng)目。依據(jù)《移動(dòng)式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》等標(biāo)準(zhǔn)，防波板的檢驗(yàn)主要是宏觀檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題或有懷疑時(shí)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。由于檢驗(yàn)人員的技術(shù)水平、經(jīng)驗(yàn)的差異，及對(duì)防波板這樣的結(jié)構(gòu)件的認(rèn)識(shí)不同，可能疏于對(duì)其仔細(xì)檢查，未及時(shí)發(fā)現(xiàn)焊縫開(kāi)裂，螺栓松動(dòng)、磨損、腐蝕，以及部分薄板無(wú)折邊、分段容積不合理等問(wèn)題。此外，不同檢驗(yàn)單位對(duì)檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)管理水平不同，可能導(dǎo)致部分液化氣體汽車(chē)罐車(chē)防波板漏檢。

在每年定期檢驗(yàn)時(shí)，若對(duì)防波板的檢驗(yàn)不夠重視，對(duì)其開(kāi)裂、脫落等缺陷未及時(shí)發(fā)現(xiàn)、維修及更換，可能會(huì)導(dǎo)致罐內(nèi)其它防波板的開(kāi)裂、脫落，甚至整個(gè)罐體內(nèi)部防波板全部脫落。罐車(chē)防波板的失效圖，如圖5所示。

圖5 防波板的失效

2.4 運(yùn)維與防波板失效關(guān)系

按照《移動(dòng)式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，使用單位必須按照國(guó)家的法律、規(guī)范等做好移動(dòng)式壓力容器的使用管理，但在罐車(chē)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，很多使用單位都不夠重視，一些規(guī)定、要求未落到實(shí)處，特別是像防波板這樣的結(jié)構(gòu)件，表面上似乎對(duì)罐車(chē)的運(yùn)行影響不大，往往疏于檢查、維修。

液化氣體汽車(chē)罐車(chē)的運(yùn)行情況直接決定了防波板的使用年限，主要表現(xiàn)在以下幾方面：①駕駛員對(duì)罐車(chē)的駕駛情況。未遵守限速規(guī)定高速行駛，遇到緊急情況后迅速制動(dòng)，此時(shí)液體要保持原來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而對(duì)防波板產(chǎn)生很大的沖擊載荷，所以速度越快、緊急制動(dòng)的次數(shù)越多，防波板壽命就越短；②罐車(chē)運(yùn)行的道路狀況。路面狀況越差，越顛簸，則液體晃動(dòng)就越大，防波板受沖擊越大，壽命越短；③充裝介質(zhì)的影響。罐車(chē)充裝介質(zhì)的腐蝕性越大，防波板的使用周期則越短；④充裝率的影響。罐車(chē)的充裝率很小時(shí)，液體對(duì)防波板的沖擊也很?。浑S著充裝率的增加，防波板受液體的沖擊增加，但增加到一定值之后，液體對(duì)防波板的沖擊力隨充裝率的增加而減小，所以罐車(chē)罐體的充裝率與防波板的的失效不成正比；⑤使用單位管理重視程度不夠。罐車(chē)投入運(yùn)行后，管理單位未按照國(guó)家規(guī)程的要求進(jìn)行定期檢驗(yàn)和修理，甚至部分罐車(chē)長(zhǎng)期未檢驗(yàn)。此外，在發(fā)現(xiàn)罐車(chē)內(nèi)部有異常響聲，或懷疑防波板脫落時(shí)仍然堅(jiān)持運(yùn)行，也會(huì)導(dǎo)致防波板的開(kāi)裂、脫落。

3 結(jié) 語(yǔ)

防波板雖然是結(jié)構(gòu)件，但對(duì)于液化氣體汽車(chē)罐車(chē)的安全運(yùn)行非常重要。文中基于檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的防波板問(wèn)題，重點(diǎn)分析總結(jié)了設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)及使用環(huán)節(jié)對(duì)防波板失效的影響?？偨Y(jié)重點(diǎn)如下：①?lài)?guó)內(nèi)防波板的設(shè)計(jì)、制造沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)、生產(chǎn)單位都使用企業(yè)的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，以致液化氣罐車(chē)的防波板型式多樣，安裝方式、安裝位置、面積及布置方式等各不相同。從防波板的失效角度看，四層橫向布置的鋁合金防波板最好，整板中間開(kāi)孔橫向布置的防波板最差；②防波板屬于非承壓結(jié)構(gòu)件，制造、檢驗(yàn)單位對(duì)其重視程度不夠，使部分服役罐車(chē)防波板的連接接頭處存在缺陷，缺陷在使用過(guò)程中不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致防波板的開(kāi)裂、脫落；③液化氣體汽車(chē)罐車(chē)正常運(yùn)輸時(shí)的道路情況、充裝介質(zhì)的腐蝕性、充裝率等客觀條件也加速了防波板的開(kāi)裂、脫落。

鑒于以上分析，為了保證液化氣體汽車(chē)罐車(chē)在使用周期內(nèi)防波板不失效，做到防患于未然，應(yīng)該從設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)及使用幾方面共同完善，以此增加罐車(chē)的行駛穩(wěn)定性，為罐車(chē)運(yùn)行的安全性提供保障。