車用LNG氣瓶跌落試驗(yàn)典型失效模式

古海波

(大連市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，遼寧 大連 西崗 新河街20號(hào) 116013)

·氣瓶檢驗(yàn)·

車用LNG氣瓶跌落試驗(yàn)典型失效模式

古海波

(大連市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，遼寧 大連 西崗 新河街20號(hào) 116013)

對(duì)車用LNG氣瓶跌落試驗(yàn)中的一些典型失效模式進(jìn)行匯總分析，并提出了預(yù)防措施。

車用LNG氣瓶；跌落試驗(yàn)；失效模式

車用LNG(液化天然氣)氣瓶是一種可以重復(fù)充裝的，專門用來(lái)盛裝LNG作為汽車燃料的特種焊接絕熱氣瓶。由于LNG為清潔能源，因此，LNG氣瓶越來(lái)越多的被用于城市公交車、重型卡車等作為車輛的燃料箱。

由于車用LNG氣瓶長(zhǎng)期安裝在車上使用，因此通常會(huì)承受振動(dòng)載荷，在緊急制動(dòng)或者車輛發(fā)生撞擊事故時(shí)，還要承受可能的沖擊載荷。相應(yīng)的，標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)其安全性能檢測(cè)提出了特別的要求，同時(shí)也要求其通過相應(yīng)的型式試驗(yàn)。

其中，跌落試驗(yàn)就是為檢測(cè)氣瓶的耐沖擊載荷性能而設(shè)置的型式試驗(yàn)項(xiàng)目。根據(jù)《汽車用液化天然氣氣瓶》國(guó)標(biāo)報(bào)批稿的規(guī)定，跌落試驗(yàn)包括：對(duì)氣瓶的最關(guān)鍵部位(自行指定，管路系統(tǒng)端除外)進(jìn)行10 m高的跌落試驗(yàn)和對(duì)管路系統(tǒng)端3 m高的跌落試驗(yàn)。其試驗(yàn)條件設(shè)置為：跌落試驗(yàn)前，氣瓶應(yīng)充裝與額定LNG充裝量等重量的液氮，氣瓶處于放空且完全冷卻狀態(tài)，試驗(yàn)前關(guān)閉放空閥，使氣瓶自由落體跌落到堅(jiān)固、平整的水平水泥地面。合格要求為：跌落后1 h內(nèi)，氣瓶任何部位不得出現(xiàn)泄漏，氣瓶外殼不得有大面積結(jié)霜或結(jié)露現(xiàn)象[1]。

大連市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院作為國(guó)家質(zhì)檢總局核準(zhǔn)的氣瓶型式試驗(yàn)機(jī)構(gòu)，從2006年至今，參與實(shí)施了國(guó)內(nèi)外數(shù)十家企業(yè)百余套車用LNG氣瓶的型式試驗(yàn)。文中對(duì)氣瓶跌落試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)了一些典型的失效模式進(jìn)行了匯總、分析并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施，為氣瓶的設(shè)計(jì)制作提供參考。

1 車用LNG氣瓶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

車用LNG氣瓶的結(jié)構(gòu)型式為臥式，見圖1。

1. 閥門等組合部件；2. 外殼；3. 絕熱層；4. 內(nèi)膽

1. valve and pipe; 2.shell; 3. insulating interlayer; 4. liner

圖1 氣瓶結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Cylinder structure

車用LNG氣瓶主要由奧氏體不銹鋼內(nèi)膽、外殼、絕熱層及管路閥門等組成。內(nèi)膽用來(lái)儲(chǔ)存低溫液態(tài)的液化天然氣，在其外壁纏有多層絕熱材料，具有超強(qiáng)的隔熱性能，同時(shí)夾層被抽成高真空，共同形成良好的絕熱系統(tǒng)；內(nèi)膽和外殼在前后端有支撐結(jié)構(gòu)，能夠承受車輛在行駛時(shí)所產(chǎn)生的相關(guān)外力；管路由內(nèi)膽引出至氣瓶外部并連至發(fā)動(dòng)機(jī)供氣系統(tǒng)及安全附件等；管路外部設(shè)置有保護(hù)圈，用以保護(hù)管路及閥門免受撞擊。

2 車用LNG氣瓶典型失效模式

2.1 夾層內(nèi)漏、整體結(jié)霜

這一類失效模式的一般現(xiàn)象為，跌落后1 h內(nèi)發(fā)現(xiàn)氣瓶出現(xiàn)大面積結(jié)霜，初步判定為不合格。經(jīng)過更長(zhǎng)的時(shí)間間隔后，部分氣瓶的真空塞可能由于夾層氣體聚集壓力升高而噴出。

經(jīng)過解剖分析，失效原因通常為內(nèi)部管路或內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)焊縫開裂(見圖2所示)，導(dǎo)致有氣體泄漏至夾層，造成夾層真空喪失，絕熱性能破壞，繼而造成外殼大面積結(jié)霜或結(jié)露。同時(shí)，隨著夾層泄漏氣體的集聚，夾層壓力增高，從而將真空塞噴出。

圖2 夾層內(nèi)部管路焊縫開裂

2.2 夾層外漏、整體結(jié)霜

這一類失效模式的一般現(xiàn)象為，跌落后1 h內(nèi)發(fā)現(xiàn)氣瓶大面積結(jié)霜。多數(shù)氣瓶在跌落后可見焊縫開裂、封頭破口等，這些失效的共同點(diǎn)是夾層外側(cè)泄漏或破口導(dǎo)致真空喪失，從而導(dǎo)致結(jié)霜，與夾層內(nèi)漏的區(qū)別在于，由于不存在超壓氣體，最后真空塞未被噴出。一些典型的失效圖片見圖3。

a. 頸管外環(huán)縫開裂；b. 增壓管角焊縫開裂；c. 夾層管接頭頂破外封頭a. Rupture of outside neck tube weld joint; b. Rupture of booster pipe weld joint; c. Rupture of outside head broken by inner pipe connection

2.3 外管路開裂

這一類失效模式的一般現(xiàn)象為，跌落時(shí)氣瓶外管路受到撞擊以致開裂，從而發(fā)生氣體或液體泄漏(見圖4和圖5所示)。

圖4 保護(hù)圈變形過大

圖5 管路泄漏

此類失效的原因一般為管路端保護(hù)圈支撐剛度過小，在跌落時(shí)，變形過大，難以對(duì)管路系統(tǒng)形成充分的保護(hù)所致。

2.4 頸管整體脫出

這一失效模式非常罕見，試驗(yàn)至今只發(fā)生過一次。跌落后檢查發(fā)現(xiàn)，氣瓶頸管與外封頭焊接環(huán)縫整體開裂，頸管完全脫出，真空破壞(見圖6所示)。該失效的直接原因是該處環(huán)縫強(qiáng)度嚴(yán)重不足，跌落時(shí)強(qiáng)大的慣性力導(dǎo)致了焊縫完全開裂。隨后經(jīng)制造單位分析調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，是焊接人員未嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)程的規(guī)定進(jìn)行焊接導(dǎo)致。

圖6 頸管環(huán)縫完全開裂脫出

3 主要原因及預(yù)防措施

通過對(duì)以上幾種典型失效模式的分析，可以匯總得到導(dǎo)致失效的主要原因可分為以下兩大類。

3.1 設(shè)計(jì)原因相關(guān)的失效模式及預(yù)防措施

1.閥門端保護(hù)系統(tǒng)剛度不足，導(dǎo)致跌落時(shí)變形過大，對(duì)管路保護(hù)不充分，跌落時(shí)閥門端受到嚴(yán)重撞擊，導(dǎo)致外管路開裂泄漏。

對(duì)于這類失效模式，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分計(jì)算分析跌落時(shí)可能的沖擊力，從而對(duì)保護(hù)圈支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，避免剛度不足。如可以將保護(hù)圈支撐由平板形改為槽鋼形，或增加保護(hù)圈支撐的厚度，另外可根據(jù)氣瓶的重量考慮增加支撐墊板等。

2.夾層內(nèi)管路設(shè)置不合理，導(dǎo)致跌落時(shí)管路變形過大造成管路撕裂或焊縫撕裂，或跌落時(shí)管接頭頂破外前封頭，又或?qū)е潞缚p正好處于水平跌落時(shí)大變形的部位，導(dǎo)致焊縫撕裂。

對(duì)于這類失效模式，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮跌落時(shí)氣瓶的變形部位及變形特點(diǎn)，使管路和焊縫的設(shè)計(jì)能夠避開變形部位，從而避免開裂的出現(xiàn)。

3.2 制造原因相關(guān)的失效模式及預(yù)防措施

1. 焊接質(zhì)量不好，焊縫有未焊透、未熔合或余高不足等缺陷，在跌落時(shí)暴露出來(lái)，導(dǎo)致夾層泄漏；

2. 操作人員制造過程中未嚴(yán)格執(zhí)行既定的工藝規(guī)程，造成結(jié)構(gòu)缺陷。

對(duì)于這兩類制造原因，建議加強(qiáng)人員培訓(xùn)，制造時(shí)要嚴(yán)格執(zhí)行評(píng)定合格的工藝規(guī)程，并加強(qiáng)制造過程中各工序的檢驗(yàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

匯總了車用LNG氣瓶跌落試驗(yàn)過程中發(fā)生的主要失效模式，并對(duì)其失效原因進(jìn)行了分析歸類并提出了預(yù)防措施，為車用LNG氣瓶的設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)提供很好的借鑒作用。

氣瓶設(shè)計(jì)制造單位可參考這些失效模式，進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)并對(duì)制造過程進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控。

[1] 《汽車用液化天然氣氣瓶》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)報(bào)批稿[Z].

Typical Failure Modes of LNG Cylinders for Vehicles in Drop Test

GU Haibo

(Dalian Boiler & Pressure Vessel Inspection Institute, Dalian 116013, China)

Typical failure modes of LNG cylinders for vehicles in drop test is proposed and analyzed. Based on the analysis, some preventive measures and suggestions are proposed.

LNG cylinders for vehicles; drop test; failure modes

2017-01-22

國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012QK214)

TQ117

A

1007-7804(2017)02-0052-03

10.3969/j.issn.1007-7804.2017.02.014

古海波(1982)，男，漢族，畢業(yè)于大連理工大學(xué)化工過程機(jī)械專業(yè)，研究生學(xué)歷，工程師，在國(guó)家氣瓶質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心從事氣瓶型式試驗(yàn)及氣瓶設(shè)計(jì)文件鑒定工作。E-mail:13940844171@163.com