車用LNG氣瓶振動(dòng)試驗(yàn)典型失效模式

古海波，劉 巖，宋薛思，戴行濤，金 鑫

(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)

0 引 言

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

車用LNG氣瓶作為車用燃料系統(tǒng)，必然承受振動(dòng)載荷，在緊急制動(dòng)或者發(fā)生撞擊時(shí)，還要承受可能的沖擊載荷。標(biāo)準(zhǔn)要求必須通過相應(yīng)的型式試驗(yàn)來完成對其安全性能的檢測。

其中，振動(dòng)試驗(yàn)是為了模擬檢驗(yàn)車輛運(yùn)行條件下，氣瓶內(nèi)膽與外殼的支撐結(jié)構(gòu)、管路系統(tǒng)等的耐久性而設(shè)置的型式試驗(yàn)項(xiàng)目。其試驗(yàn)條件設(shè)置為：振動(dòng)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。振動(dòng)試驗(yàn)加速度按客車或重型卡車分別取3 g或5 g，振動(dòng)方向?yàn)樯舷麓怪狈较?。振?dòng)試驗(yàn)在8～40 Hz范圍內(nèi)掃頻，掃頻時(shí)發(fā)現(xiàn)有共振的，應(yīng)更改氣瓶設(shè)計(jì)，然后重新進(jìn)行型式試驗(yàn)。如未發(fā)現(xiàn)共振，則按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的頻率和時(shí)間進(jìn)行振動(dòng)。合格要求為：振動(dòng)完畢后，氣瓶任何部位不得出現(xiàn)泄漏，靜置30 min以上不得有大面積結(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)施了國內(nèi)外數(shù)十家企業(yè)百余套車用LNG氣瓶的型式試驗(yàn)。本文匯總了振動(dòng)試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的一些典型失效模式、分析并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施，為氣瓶的設(shè)計(jì)制造提供參考。

1 車用LNG氣瓶結(jié)構(gòu)簡介

車用LNG氣瓶的結(jié)構(gòu)型式為臥式，見圖1。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)膽用來儲(chǔ)存低溫液態(tài)的液化天然氣，外壁纏有多層超強(qiáng)的隔熱性能的絕熱材料，與高真空夾層共同形成良好的絕熱系統(tǒng)；內(nèi)膽和外殼在前后端均有支撐結(jié)構(gòu)，用于承受車輛在行駛時(shí)產(chǎn)生的外力，其中前端一般為固定支撐，后端一般為滑動(dòng)支撐以避免熱應(yīng)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；外部增壓管路一般通過管夾、螺栓等固定在氣瓶的固定支座上[2]。

2 車用LNG氣瓶典型失效模式

車用LNG氣瓶的失效形態(tài)多種多樣，歸納起來可分為以下幾類。

2.1 共振失效

這類失效模式的一般現(xiàn)象為，掃頻時(shí)在某頻率或頻率段發(fā)生較為明顯的共振，導(dǎo)致振動(dòng)臺(tái)控制信號(hào)與目標(biāo)值產(chǎn)生較大偏離(見圖2)或直接導(dǎo)致試驗(yàn)保護(hù)中斷。發(fā)生這類問題的通常原因?yàn)閮?nèi)膽支撐剛性不足，或裝配間隙較大。但發(fā)生比例較小，多數(shù)氣瓶只有微弱的局部共振，而非整體結(jié)構(gòu)共振。

1.閥門等組合部件；2.外殼；3.絕熱層；4.內(nèi)膽

圖2 氣瓶掃頻響應(yīng)曲線圖

2.2 夾層內(nèi)漏、氣瓶整體結(jié)霜結(jié)露

這類失效模式的一般現(xiàn)象為，振動(dòng)試驗(yàn)過程中或試驗(yàn)完畢后30 min內(nèi)發(fā)現(xiàn)氣瓶出現(xiàn)大面積結(jié)露或結(jié)霜，初步判定為不合格。經(jīng)過更長的時(shí)間間隔后，氣瓶的真空塞可能由于夾層氣體聚集壓力升高而噴出，見圖3所示。

圖3 真空塞噴出

經(jīng)過解剖分析，失效原因通常為振動(dòng)導(dǎo)致內(nèi)部管路或內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)焊縫開裂(見圖4所示)，內(nèi)膽氣體泄漏至夾層，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)，隨著泄漏氣體的聚集，夾層壓力增高，從而將真空塞噴出。

2.3 夾層外漏、氣瓶整體結(jié)霜結(jié)露

這一類失效模式的一般現(xiàn)象為，振動(dòng)試驗(yàn)過程中或試驗(yàn)完畢后30 min內(nèi)發(fā)現(xiàn)氣瓶大面積結(jié)霜或結(jié)露。這類失效原因?yàn)閵A層外側(cè)泄漏真空喪失，從而導(dǎo)致結(jié)霜結(jié)露。與夾層內(nèi)漏的區(qū)別在于，其泄漏氣體來自大氣，僅真空喪失而不致夾層壓力上升，因而真空塞不會(huì)噴出。典型的失效形態(tài)見圖5。從發(fā)生的案例來看，開裂的部位集中于頸管與外前封頭焊接的環(huán)向焊縫，開裂形態(tài)為沿焊縫環(huán)向開裂。

圖4 支撐焊縫開裂

圖5 頸管外環(huán)縫開裂

2.4 外管路開裂泄漏

這一類失效模式的一般現(xiàn)象為，氣瓶外管路由于振動(dòng)產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，在管路根部結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位或薄弱處發(fā)生開裂，從而發(fā)生氣體或液體泄漏。典型形態(tài)見圖6和圖7所示。常見發(fā)生開裂的管路包括液相閥接管、經(jīng)濟(jì)閥結(jié)構(gòu)、壓力表接管及增壓管路調(diào)壓閥接頭等。

此類失效的原因可歸結(jié)為管路設(shè)計(jì)不合理或管件、附件裝配及制造質(zhì)量不好等。如外部管路過長導(dǎo)致的根部開裂，其受力形式可簡化為懸臂梁，又因重量分布主要集中于末端的閥門，當(dāng)承受振動(dòng)載荷時(shí)，根部產(chǎn)生較大的交變彎曲應(yīng)力，造成疲勞裂紋及開裂。另外，部分管路采用開螺紋實(shí)現(xiàn)與壓力表、調(diào)壓閥等的連接，導(dǎo)致螺紋部位有效壁厚減薄，同時(shí)螺紋會(huì)產(chǎn)生明顯應(yīng)力集中，振動(dòng)過程中容易在該處發(fā)生開裂。

圖6 調(diào)壓閥接管根部開裂泄漏

圖7 液相管根部開裂泄漏

圖8 后支撐整體脫落

2.5 后支撐破壞

這類失效模式的一般現(xiàn)象為振動(dòng)過程中氣瓶產(chǎn)生顯著的不連續(xù)振動(dòng)響應(yīng)或者共振，試驗(yàn)無法繼續(xù)，但真空尚未喪失。通過對瓶體解剖檢查，發(fā)現(xiàn)內(nèi)膽的主要支撐(通常為后支撐)已發(fā)生嚴(yán)重破壞，如部分脫落或全部脫落(見圖8)，導(dǎo)致支撐強(qiáng)度明顯下降或僅剩一端支撐。

3 主要原因及預(yù)防措施

通過對以上幾種典型失效模式的分析，導(dǎo)致失效的主要原因可分為設(shè)計(jì)原因和制造原因兩大類。

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

3.1.1內(nèi)膽的支撐強(qiáng)度或剛度不足導(dǎo)致的破壞

由于車用LNG氣瓶設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，還要兼顧絕熱性能，而這兩者又存在一定的矛盾。為得到較好的絕熱效果，可能就要犧牲一定的強(qiáng)度和剛度。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)需要對兩者進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，使氣瓶既能通過振動(dòng)試驗(yàn)的驗(yàn)證，又能使其絕熱性能滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

設(shè)計(jì)時(shí)一般應(yīng)避免以下幾種情況：后支撐壁厚不足、后支撐板受力面積過小或有明顯應(yīng)力集中、后支撐焊縫長度不足、后支撐的配合間隙過大、前支撐剛度不足和前支撐補(bǔ)強(qiáng)不足等。

3.1.2外管路設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的開裂

外管路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量避免較長的懸臂結(jié)構(gòu)，在滿足操作需求的前提下，應(yīng)縮短懸臂長度，減小根部應(yīng)力，有效避免開裂發(fā)生。

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，當(dāng)承受振動(dòng)載荷時(shí)在缺陷處產(chǎn)生開裂失效；

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

對于這兩類制造原因，建議加強(qiáng)人員培訓(xùn)，制造時(shí)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

匯總了車用LNG氣瓶振動(dòng)試驗(yàn)過程中發(fā)生的主要失效模式，并對其原因進(jìn)行了分析歸類，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)提供參考。氣瓶設(shè)計(jì)制造單位可參考這些失效模式，進(jìn)行有針對性的設(shè)計(jì)，對制造過程進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控。