車用LNG氣瓶夾層增壓管失效分析

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(shè)計(jì)有雙層真空結(jié)構(gòu)。在真空劃分的四個(gè)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(guān)鍵的部位為連接內(nèi)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(chǎn)生裂紋失效，導(dǎo)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(jié)構(gòu)為載體，通過失效產(chǎn)品數(shù)據(jù)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(jīng)過市場驗(yàn)證，新結(jié)構(gòu)氣瓶可以解決夾層增壓管失效問題。希望能對自增壓結(jié)構(gòu)液化天然氣氣瓶使用壽命延長、降低生產(chǎn)企業(yè)三包更換費(fèi)用提供重要的指導(dǎo)意義。

1 失效數(shù)據(jù)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(nèi)部套管焊縫根部熱影響區(qū)斷裂(即位置一)。經(jīng)過不斷的工藝優(yōu)化、設(shè)計(jì)改進(jìn)，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(zhuǎn)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(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計(jì)某廠家不同結(jié)構(gòu)車用LNG氣瓶夾層增壓管失效數(shù)據(jù)，可知外前封頭補(bǔ)強(qiáng)板是否塞焊不能解決夾層增壓管失效，見序號(hào)1與序號(hào)3；外前封頭壁厚、外前封頭補(bǔ)強(qiáng)板、前端支撐結(jié)構(gòu)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(diào)時(shí)，可以解決夾層增壓管失效，見序號(hào)2與序號(hào)4結(jié)構(gòu)。

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(jù)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(kuò)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(zhuǎn)換接頭位置焊接參數(shù)合適，沒有產(chǎn)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(zhuǎn)換接頭成分進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如表1所示。

表1 母材化學(xué)成分檢測結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

從表1可以看出，管路、接頭化學(xué)成分均符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.6 小結(jié)

通過失效數(shù)據(jù)分析、斷口掃描、金相組織、化學(xué)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理而導(dǎo)致。氣瓶夾層增壓管快速疲勞失效的原因推斷為：運(yùn)輸過程中疲勞載荷的某個(gè)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(xué)上所謂的“落進(jìn)某個(gè)頻率禁區(qū)”，該結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力變化范圍被放大，應(yīng)變幅增大而產(chǎn)生的快速低周疲勞失效。

2 焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞強(qiáng)度理論分析

影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能的因素只有兩個(gè)：一個(gè)是焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)部自身抵抗疲勞的能力，即內(nèi)因；另一個(gè)是焊接結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)疲勞失效只能通過提高焊接結(jié)構(gòu)自身抵抗疲勞的能力來實(shí)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(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)暮缚p尺寸和使用適當(dāng)?shù)暮附庸に囉枰员苊狻ＤＪ紸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(zhì)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(jié)構(gòu)和接頭形式的合理設(shè)計(jì)，杜絕焊接過程中產(chǎn)生各種缺陷，從而使解決焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中問題徹底解決。英國焊接研究所的試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了母材本身的屈服強(qiáng)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(qiáng)度提高焊接接頭抗疲勞能力并不現(xiàn)實(shí)。

世界著名焊接結(jié)構(gòu)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(yīng)力和焊接引起的殘余應(yīng)力不是簡單的疊加關(guān)系，因?yàn)榍罢哂闪刂疲笳哂晌灰苹驊?yīng)變控制。隨著裂紋的擴(kuò)展，由位移控制的殘余應(yīng)力迅速下降，由外力引起的疲勞應(yīng)力迅速增加。但與應(yīng)力集中相比，殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響很小”[3]?？芍附託堄鄳?yīng)力在疲勞裂紋起裂時(shí)起到一定的作用，但對焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命影響很小。

應(yīng)力由應(yīng)變控制，應(yīng)變由變形控制，變形則是由剛度控制。因此在焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)時(shí)，需要明確應(yīng)力與剛度之間的內(nèi)在關(guān)系，剛度的協(xié)調(diào)才能緩解局部的應(yīng)力集中。實(shí)際發(fā)生過案例：某機(jī)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(bǔ)強(qiáng)板加厚以增加其強(qiáng)度，然而補(bǔ)強(qiáng)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(dòng)一段距離，結(jié)果問題依舊。其實(shí)原因很簡單，端焊縫因補(bǔ)強(qiáng)后連接剛度變得更不協(xié)調(diào)了，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中反而加劇了。后一個(gè)措施則是“應(yīng)力集中的移動(dòng)”而不是“應(yīng)力集中的緩解”。不同結(jié)構(gòu)氣瓶夾層增壓管失效已經(jīng)驗(yàn)證了氣瓶前端剛性的不匹配性才會(huì)導(dǎo)致不同位置失效，因此在剛性匹配上可借鑒學(xué)習(xí)國內(nèi)《焊接結(jié)構(gòu)》[4]、國外《焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)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(diào)，再明確不同結(jié)構(gòu)更改后整個(gè)氣瓶上關(guān)鍵位置應(yīng)力分布狀態(tài)，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)夾層增壓管組件焊接結(jié)構(gòu)，提高焊接結(jié)構(gòu)承載能力，減小焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中，以徹底解決夾層增壓管組件疲勞斷裂失效。

3 結(jié)語

通過數(shù)據(jù)分析、失效斷口檢測分析、理論分析得出以下結(jié)論：是否塞焊不能解決夾層增壓管失效，但塞焊能保證補(bǔ)強(qiáng)板與外前封頭良好的貼合度，保證補(bǔ)強(qiáng)效果。外前封頭壁厚、外前封頭補(bǔ)強(qiáng)板、前端支撐結(jié)構(gòu)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(diào)是解決夾層增壓管失效的關(guān)鍵因素，明確氣瓶整體結(jié)構(gòu)下前端應(yīng)力分布、夾層增壓管焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布和應(yīng)力集中位置峰值，可徹底解決夾層增壓管失效。