汽車用大容積LNG氣瓶振動(dòng)試驗(yàn)典型失效案例匯總及分析

古純霖 陳祖志 朱 鳴 王 玲

（中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

天然氣作為一種環(huán)境友好、儲(chǔ)量豐富的能源，備受人們青睞[1]，這也促進(jìn)了天然氣儲(chǔ)存容器的蓬勃發(fā)展，大容積車用LNG氣瓶即是近幾年新出現(xiàn)的天然氣儲(chǔ)存容器，目前已經(jīng)廣泛生產(chǎn)使用[1]，其常見(jiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在該類氣瓶型式試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)試驗(yàn)通過(guò)率較低，給相關(guān)企業(yè)新產(chǎn)品研發(fā)造成了較大困難。本文通過(guò)匯總及分析從12家制造廠抽取的43只大容積車用LNG氣瓶振動(dòng)試驗(yàn)中出現(xiàn)的失效案例，對(duì)其設(shè)計(jì)制造提供了參考性意見(jiàn)。

圖1 大容積車用LNG氣瓶常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式

1 振動(dòng)試驗(yàn)要求

目前國(guó)內(nèi)廠家的大容積車用LNG氣瓶振動(dòng)試驗(yàn)的試驗(yàn)要求已經(jīng)統(tǒng)一，試驗(yàn)要求如下[2]：

1.1 試驗(yàn)條件

振動(dòng)試驗(yàn)前，氣瓶?jī)?nèi)裝滿與LNG等重的液氮，氣瓶處于完全冷卻狀態(tài)，壓力為0MPa（表壓）。連接到氣瓶上的管線、鞍座等部件作為振動(dòng)試驗(yàn)一部分。

1.2 試驗(yàn)規(guī)程

1）振動(dòng)加速度5g（5倍重力加速度）。

2）振動(dòng)方向?yàn)樯舷麓怪狈较颍ㄒ?jiàn)圖2）。

圖 2 振動(dòng)試驗(yàn)示意圖

3）振動(dòng)試驗(yàn)在8～40Hz范圍內(nèi)掃頻，若發(fā)現(xiàn)在這一頻率范圍內(nèi)有共振的，應(yīng)更改氣瓶設(shè)計(jì)，重新進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。

4）振動(dòng)頻率的變動(dòng)方法及加振時(shí)間，按照表1規(guī)定的振動(dòng)頻率和時(shí)間加振。

表1 振動(dòng)頻率與加振時(shí)間對(duì)照表

1.3 試驗(yàn)評(píng)定

振動(dòng)完畢后，任何部位不得出現(xiàn)泄漏；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）。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)12家制造廠生產(chǎn)的43只樣瓶進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn)，其中26只未通過(guò)試驗(yàn)，失效模式主要有：1）前端分配頭與外殼封頭焊接處開(kāi)裂；2）夾層增壓管與封頭連接處開(kāi)裂；3）分配頭上接管斷裂；4）后端支撐棒斷裂；5）捆綁帶斷裂。每種失效模式所占比例見(jiàn)表2。

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，主要失效模式為外前封頭與分配頭開(kāi)裂以及分配頭上接管斷裂兩種，增壓管與封頭連接處開(kāi)裂、后支撐棒斷裂以及捆綁帶斷裂案例較少。

表2 失效模式所占比例

2.1 外前封頭與分配頭焊縫開(kāi)裂

圖3為典型的外前封頭與分配頭焊縫開(kāi)裂的案例，通過(guò)解剖開(kāi)裂處焊縫發(fā)現(xiàn)，失效原因主要有兩個(gè)：

1）焊縫未焊透。

由于外前封頭與分配頭連接處焊縫在標(biāo)準(zhǔn)中并未有無(wú)損檢測(cè)以及焊接工藝評(píng)定的要求，所以部分廠家對(duì)于該位置焊縫質(zhì)量未進(jìn)行控制，導(dǎo)致上述情況發(fā)生。

2）因?yàn)橥馇胺忸^壁厚偏小，未設(shè)計(jì)補(bǔ)強(qiáng)板，導(dǎo)致該位置抵抗交變載荷能力較差，最終開(kāi)裂。

圖3 分配頭與封頭開(kāi)裂圖例

2.2 分配頭上接管斷裂

圖4為典型的分配頭接管斷裂案例，從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，斷裂位置主要位于接管與分配頭或接管與管接頭連接位置的根部，這是由于接管與氣瓶之間的連接類似于懸臂梁，并且在振動(dòng)過(guò)程中，由于接管相對(duì)氣瓶不規(guī)則擺動(dòng)，造成接管上存在較大的交變應(yīng)力，而接管與分配頭以及接頭與接管連接處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，故應(yīng)力較其他位置偏大，最終導(dǎo)致斷裂。

圖4 接管斷裂圖例

2.3 夾層增壓管與封頭連接處開(kāi)裂

圖5為典型的增壓管管接頭與封頭焊縫處開(kāi)焊案例，從試驗(yàn)結(jié)果可知，開(kāi)裂位置主要位于增壓管接頭與外前封頭及內(nèi)前封頭連接處的角焊縫，此位置開(kāi)裂主要原因也是由于應(yīng)力集中以及管路振動(dòng)帶來(lái)的交變扭矩導(dǎo)致疲勞造成的開(kāi)裂。

圖5 增壓管與封頭焊接開(kāi)裂圖例

2.4 后支撐棒斷裂

圖6為后支撐棒斷裂案例，該類案例出現(xiàn)頻率較小，從斷裂破口分析可知，這是由于支撐棒與外后封頭焊接位置焊接時(shí)線能量過(guò)大，產(chǎn)生熱裂紋，在振動(dòng)時(shí)裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致支撐棒斷裂。

圖6 支撐棒斷裂圖例

2.5 捆綁帶斷裂

圖7為捆綁帶斷裂案例，由于汽車用大容積液化天然氣氣瓶振動(dòng)試驗(yàn)的振動(dòng)加速度較大，氣瓶本身質(zhì)量較大，案例中采用的是單根螺柱，且螺柱與捆綁帶的連接相對(duì)活動(dòng)，并未焊死，這樣在振動(dòng)過(guò)程中，螺柱與連接位置會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊載荷，最終導(dǎo)致開(kāi)裂。

圖7 捆綁帶斷裂圖例

另外，振動(dòng)過(guò)程中振動(dòng)放大倍數(shù)過(guò)大也是產(chǎn)生失效的重要因素，當(dāng)氣瓶本體的固有頻率與振動(dòng)頻率接近時(shí)，將產(chǎn)生振動(dòng)放大效應(yīng)，這樣會(huì)使氣瓶承受更大的振動(dòng)載荷，從而更容易使氣瓶失效。

3 改進(jìn)措施

針對(duì)上述失效案例情況，建議在進(jìn)行汽車用大容積液化天然氣氣瓶設(shè)計(jì)制造時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

3.1 設(shè)計(jì)完畢后對(duì)氣瓶進(jìn)行頻譜分析

在氣瓶設(shè)計(jì)完畢后，建議對(duì)氣瓶進(jìn)行共振頻率分析；[3]如果共振頻率離振動(dòng)試驗(yàn)頻率范圍較遠(yuǎn)，則采用該設(shè)計(jì)，否則，應(yīng)更改氣瓶結(jié)構(gòu)尺寸，使其共振頻率遠(yuǎn)離振動(dòng)試驗(yàn)的頻率區(qū)間。

3.2 外前封頭應(yīng)設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)板

目前外前封頭壁厚設(shè)計(jì)是根據(jù)外壓計(jì)算得到的，并未考慮到支撐載荷。對(duì)于大容積液化天然氣氣瓶，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)外壓載荷得到的設(shè)計(jì)壁厚并不能滿足振動(dòng)試驗(yàn)的要求，目前常采用的做法是在外前封頭分配頭周邊設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)板。

3.3 外前封頭與分配頭的焊縫應(yīng)進(jìn)行焊接工藝評(píng)定

由于低溫瓶外殼承受的是外壓載荷，目前氣瓶制造標(biāo)準(zhǔn)中并未規(guī)定對(duì)外殼上的焊縫進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。但是，由于外前封頭與分配頭連接處是承載氣瓶的振動(dòng)載荷的主要位置，存在較大的交變應(yīng)力，另外該位置目前多設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)板，焊接難度較大，焊接缺陷產(chǎn)生可能性較大，故建議對(duì)該焊縫進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，確定合適的焊接工藝。

3.4 管件或分配頭連接處應(yīng)保證焊接質(zhì)量

管件與分配頭連接處焊縫原則上應(yīng)進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，焊接質(zhì)量可以得到保證。但是實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，該位置是人工焊接的，且由于位置原因，焊接時(shí)姿勢(shì)不容易擺正，所以焊接質(zhì)量并不能得到很好保證，建議增加對(duì)該位置焊接的培訓(xùn)及練習(xí)；同時(shí)應(yīng)注重焊接后外表面成型，保證外表面圓滑過(guò)渡。

3.5 夾層增壓管與封頭焊接位置應(yīng)進(jìn)行焊接工藝評(píng)定

夾層增壓管兩端分別與內(nèi)膽、外殼焊接，由于振動(dòng)過(guò)程中內(nèi)膽外殼會(huì)存在相對(duì)位移，故增壓管會(huì)因此產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，另外由于增壓管本身振動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生交變應(yīng)力，兩者疊加會(huì)使增壓管上存在較大的交變載荷。增壓管與內(nèi)膽焊接要求較高，而與外殼焊接處是角焊縫連接，且不進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，故存在較大隱患，建議對(duì)該位置焊縫進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，且在施焊時(shí)應(yīng)注意焊接質(zhì)量。

3.6 后支撐棒與內(nèi)膽焊縫應(yīng)進(jìn)行焊接工藝評(píng)定

后支撐棒與內(nèi)膽焊縫屬于比較容易忽視的地方，此處出現(xiàn)問(wèn)題的概率較小，但從氣瓶受力來(lái)看，此處氣瓶?jī)?nèi)膽支撐比較重要的位置，試驗(yàn)中也出現(xiàn)了斷裂的現(xiàn)象，所以建議對(duì)該位置焊縫也進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。

3.7 捆綁帶與螺柱連接建議采用焊接方式，且最好采用雙排螺柱

由于大容積液化天然氣氣瓶振動(dòng)時(shí)載荷較大，目前常采用的固定方式為捆綁帶與螺柱焊接，且采用兩根螺柱。此種固定方式目前尚未出現(xiàn)斷裂等問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

汽車用大容積液化天然氣氣瓶的主要失效模式包含：1）前端分配頭與外殼封頭焊接處開(kāi)裂；2）夾層增壓管與封頭連接處開(kāi)裂；3）分配頭上接管斷裂；4）后端支撐棒斷裂；5）捆綁帶斷裂。其中前三種失效主要原因都是焊接質(zhì)量未達(dá)到要求，通過(guò)進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，確定正確的焊接工藝，再輔助以一定的無(wú)損檢測(cè)后可以有效改善，后兩種失效方式主要是由于結(jié)構(gòu)問(wèn)題，通過(guò)增加補(bǔ)強(qiáng)板等設(shè)計(jì)，可避免類似案例發(fā)生。

[1]張麗華，劉永霞. 我國(guó)車用液化天然氣發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望[J]. 中國(guó)石油企業(yè)，2012(07)：30-31.

[2]Q/320582SDY18—2015 汽車用大容積液化天然氣氣瓶[S].

[3]周天送. 車載低溫絕熱氣瓶抗振性能研究[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2 016.