CNG氣瓶損傷在線監(jiān)測平臺監(jiān)測參數(shù)及位置研究

楊智榮,楊再明,高海波,陳祖志,林治國

(1. 中國特種設(shè)備檢測研究院 國家市場監(jiān)管總局特種設(shè)備安全與節(jié)能重點實驗室，北京 100029;2. 武漢理工大學能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

0 引 言

在礦物能源枯竭的背景下，全球天然氣貿(mào)易活躍，市場越來越廣闊[1]。CNG罐車作為天然氣主流的運輸渠道具有成本低、操作簡單的特點[2]。但其具有較高的安全隱患，且大多由于氣瓶因腐蝕或老化所引發(fā)的事故。傳統(tǒng)方法是對氣瓶進行定期檢驗，但其檢驗流程復雜，且不能動態(tài)監(jiān)測氣瓶的狀態(tài)。對此較多專家在無損檢測的基礎(chǔ)上，提出了在線監(jiān)測，如文獻[3]介紹了超聲波檢測在高溫壓力容器在線監(jiān)測上的應(yīng)用，并提出應(yīng)注意的問題和測試條件，文獻[4]也指出了壓力容器聲發(fā)射檢測的發(fā)展方向，即在線監(jiān)測、聲發(fā)射信號的模式識別和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別分析。然而大多方法都基于傳統(tǒng)的檢驗方法，因此其監(jiān)測設(shè)備繁雜、監(jiān)測參數(shù)復雜，并不適合監(jiān)測移動式設(shè)備，因此高效的檢測及監(jiān)測技術(shù)成為當前研究的重點。

中國特種設(shè)備檢測研究院聯(lián)合浙江大學、合肥通用機械等29家單位共同申報的“十三五”國家重點研發(fā)計劃“公共安全風險防控與應(yīng)急技術(shù)裝備”專項項目“移動式承壓類特種設(shè)備風險防控與治理關(guān)鍵技術(shù)研究”，并提出移動式承壓設(shè)備風險監(jiān)管平臺監(jiān)測，可實時監(jiān)測氣瓶運輸中的狀態(tài)，保證車輛安全性，本文主要針對其中氣瓶損傷監(jiān)測內(nèi)容進行研究，通過有限元方法，模擬氣瓶在運輸中的狀態(tài)，定量制造氣瓶損傷，監(jiān)測氣瓶運輸中由于損傷導致的各參數(shù)變化，得出合適的監(jiān)測參數(shù)，并結(jié)合了仿真結(jié)果、案例統(tǒng)計以及現(xiàn)場氣瓶水壓實驗結(jié)果得出合適的監(jiān)測位置，為之后現(xiàn)場實驗以及平臺搭建做準備。

1 在線監(jiān)測平臺

目前，由于智能傳感、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，為壓力容器在線監(jiān)測技術(shù)提供了新的監(jiān)測方法。本文提出多傳感CGN氣瓶損傷在線監(jiān)測平臺，其構(gòu)成如圖1所示，主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、診斷模塊、無線通信模塊以及電源模塊。其監(jiān)測流程為：由傳感器采集氣瓶的特征參數(shù)，之后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆\斷模塊，通過對數(shù)據(jù)進行處理、融合以及診斷，最后通過無線通信模塊將診斷結(jié)果傳輸?shù)揭苿釉O(shè)備。其主要采用多傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多傳感信息融合技術(shù)以及數(shù)據(jù)處理等。

圖1 在線監(jiān)測平臺架構(gòu)示意圖

本文主要對數(shù)據(jù)采集模塊進行研究，選定合適的監(jiān)測參數(shù)與位置，通過有限元數(shù)值仿真方法對氣瓶運輸過程中的狀況進行模擬分析，并分別對無損以及有損氣瓶進行特征參數(shù)監(jiān)測，從多方面考慮，得到監(jiān)測參數(shù)以及監(jiān)測位置。

2 無損氣瓶數(shù)值仿真計算

對大容積無縫鋼瓶進行建模，分別對有損氣瓶以及無損氣瓶進行結(jié)構(gòu)分析，得出氣瓶在給定靜力載荷作用下的響應(yīng)[5]，主要包括結(jié)構(gòu)分析、模態(tài)分析，為隨機振動仿真做準備。

2.1 無損氣瓶模型建立

本文以大容積無縫鋼瓶作為研究對象，其材料為4130X，材料性能如表1所示[6]。由于在運輸過程中，每個氣瓶相互獨立，所以只需對單獨氣瓶建模分析，其尺寸如圖2所示。通過Soildworks進行建模得出模型如圖3所示。

表1 4130X材料性能

圖2 長管拖車氣瓶（單位：mm）

圖3 氣瓶模型圖

2.2 模型結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)分析主要作用是確定氣瓶結(jié)構(gòu)在給定靜力載荷下是否安全，其原理如下[7]：

式中：K——剛度系數(shù)矩陣；

x——位移矢量；

F——力矢量。

分析前需對模型進行網(wǎng)格劃分，本次劃分采用掃掠法生成單元為20節(jié)點的六面體單元（SOLID186），網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

圖4 部分網(wǎng)格劃分結(jié)果

設(shè)置邊界條件為：重力加速度（9.8 m /s2）、氣瓶內(nèi)壓（20 MPa）、氣瓶兩端固定約束[8]。

由于氣瓶應(yīng)存在氣閥，會在工作壓力下對瓶口產(chǎn)生軸向應(yīng)力，為簡化模型將其直接等效為兩端瓶口表面軸向拉應(yīng)力（-9.79 MPa）[9]。其中軸向拉應(yīng)力計算公式如下：

式中：Ps——氣瓶內(nèi)壓（20 MPa）；

Di——瓶口內(nèi)直徑；

Do——瓶口外直徑。

最終得出通過網(wǎng)格無關(guān)性驗證[10]的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果如圖5所示，由于極限載荷判斷氣瓶結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的主要評定標準，本次采用極限載荷法對氣瓶安全性進行評定[11]，由于氣瓶最大應(yīng)力（537.18 MPa）未超過材料屈服極限657 MPa，說明在此載荷下氣瓶處于安全狀態(tài)。

圖5 結(jié)構(gòu)分析應(yīng)力云圖

3 有損氣瓶數(shù)值仿真計算

氣瓶的損傷類型大致分為10類，分別是裂紋、腐蝕、鼓包、凹陷、瓶口螺紋損傷、熱損傷、壁厚超標、熱損傷、硬度超標、其他缺陷（表面不平整、分層、結(jié)疤等）。根據(jù)氣瓶產(chǎn)生損傷的原因可將其歸為3類：在制造中產(chǎn)生的損傷、氣瓶在使用中的損傷以及其他損傷。對于制造中缺陷可以通過出廠時檢驗篩選出來，而使用中產(chǎn)生缺陷，只能通過定期檢驗得出，并不能保證氣瓶的安全性，因此本次在線監(jiān)測平臺建立主要針對氣瓶運行中的損傷。

3.1 有損氣瓶模型建立

由GB 13004—1999《鋼質(zhì)無縫氣瓶定期檢驗與評定》[12]可知氣瓶厚度是衡量氣瓶的重要因素，而且氣瓶損傷部位厚度低于最小允許壁厚（設(shè)計壁厚的95%）時則氣瓶報廢，所以部分有損氣瓶損傷參數(shù)如表2所示，其損傷等級范圍為0.1～1.87 mm。

表2 損傷等級

3.2 隨機振動仿真

對于長管拖車各部件來說，一般不會由于靜強度的問題而破壞的，其破壞往往是在行駛過程中由于動強度不足而破壞，或由于長期受到周期性載荷的作用而引起疲勞失效。結(jié)合長管拖車行駛的實際情況，更多的是動態(tài)載荷是由于路面凹凸不平所產(chǎn)生的隨機振動，因此本文模擬振動的方法是隨機振動仿真實驗，進而得出各參數(shù)與損傷程度的關(guān)系，并選出變化較為明顯的參數(shù)作為在線監(jiān)測平臺的監(jiān)測參數(shù)。

首先需確定隨機振動實驗激勵，對于車輛而言，行駛過程中主要產(chǎn)生兩類激勵，分別為離散事件激勵與路面隨機激勵，其中第二類表示各種等級的高速公路路面。結(jié)合長管拖車行駛的實際情況，本文采取隨機激勵。由文獻[13]可知，車輛隨機激勵一般由路面不平度的空間頻率位移功率譜密度表示。其計算式如下所示：

式中：n——空間頻率,m?1；是波長 λ的倒數(shù)，且0.011 m?1

Gq(n0)——參考空間頻率n0下的路面功率譜密度值，稱為路面不平度系數(shù)，其取值如表3所示；

表3 路面8級各路面不平度系數(shù)取值

w——頻率指數(shù)，取w=2。

由于長管拖車具有一定車速，所以需要將空間頻率功率譜密度Gq(n0)換算為時間頻率功率譜密度。時間頻率和空間頻率存在如下關(guān)系：

其中u為長管拖車的速度，根據(jù)式（3）進一步推導得

本次設(shè)定長管拖車以80 km/h(22.3 m/s) 的速度在B級路面上行駛，利用Matlab通過諧波疊加法[14]得出其功率譜密度作為隨機振動的激勵，如圖6所示。

圖6 B級路面功率譜密度

4 監(jiān)測參數(shù)與位置選取

對于監(jiān)測參數(shù)的選擇主要是通過隨機振動實驗，并監(jiān)測氣瓶由于損傷導致的各參數(shù)變化，選擇較為明顯的參數(shù)作為監(jiān)測參數(shù)。而監(jiān)測位置的選擇主要結(jié)合仿真結(jié)果、案例分析以及氣瓶爆破實驗的結(jié)果進行分析，得出較為合適監(jiān)測位置。

4.1 監(jiān)測參數(shù)選取

得出隨機振動實驗的激勵后，對兩端固定約束輸入上述振動激勵，且X、Y、Z3個方向都加載B級路面的功率譜密度，對有損氣瓶損傷位置各參數(shù)進行監(jiān)測，最終得出損傷位置的垂直加速度以及應(yīng)力變化較為明顯，且與損傷等級成正比，其變化如圖7和圖8所示。

圖7 應(yīng)力與損傷等級關(guān)系

圖8 垂直加速度與損傷等級關(guān)系

4.2 監(jiān)測位置選擇

4.2.1 仿真結(jié)果

隨機振動實驗的應(yīng)力云圖如圖9所示，從圖中可看出其最大應(yīng)力點出現(xiàn)在瓶肩處，而且由圖10可看出，X、Y、Z方向最大變形也為瓶肩位置，所以可得出瓶肩處為缺陷多發(fā)位置。

圖9 等效應(yīng)力云圖

圖10 等效變形云圖

4.2.2 案例統(tǒng)計

根據(jù)氣瓶的損傷類型，本文取較為常見的損傷進行分析，即裂紋與腐蝕。

表4是中國特種設(shè)備檢測研究院對氣瓶檢驗開裂部位的統(tǒng)計，可以看出裂紋在氣瓶的各個部位均有可能發(fā)生，但以筒體外表面和瓶頸內(nèi)表面裂紋最為常見[15]。

表4 裂紋發(fā)生部位統(tǒng)計

除此之外，中國特檢院也收集了501個長管拖車氣瓶腐蝕案例，腐蝕嚴重的區(qū)域絕大多數(shù)都位于氣瓶下部靠近端部的地方，其中以靠近后端部的居多，也有靠近前端部的，也有同時在靠近兩端發(fā)生腐蝕的。通過檢驗發(fā)現(xiàn)氣瓶實測最小壁厚大多數(shù)位于端部瓶肩上或靠近瓶肩的部位，也有少數(shù)氣瓶的腐蝕區(qū)域位于氣瓶靠近中部某一位置處，少數(shù)氣瓶筒體整個內(nèi)表面都發(fā)生了腐蝕[15]。

但一般情況下，氣瓶裂紋的產(chǎn)生主要在制造中生成，而氣瓶運輸中發(fā)生的減薄大多由于氣體腐蝕，所以將瓶肩作為損傷多發(fā)位置是合理的。

4.2.3 氣瓶爆破實驗

按照ISO 11439—2013[16]要求，對該規(guī)格氣瓶進行水壓實驗，以尋找氣瓶較為合適的監(jiān)測位置，其升壓曲線如圖11所示，圖中有兩段15 min左右的保壓階段，氣瓶爆破前后如圖12所示。由圖12（a）可知此階段目的是為測試筒體與氣瓶瓶肩處的應(yīng)變大小，以選擇合適的監(jiān)測位置。從圖中可得出氣瓶屈服壓力為50 MPa左右，且其最終爆破壓力為59.45 MPa，其符合ISO11439—2013要求。

圖11 爆破實驗壓力曲線

圖12 氣瓶爆破前后

氣瓶最終爆破位置如圖12（b）所示，其位置在氣瓶筒體，雖氣瓶最終爆破位置不處于瓶肩位置，這是由于氣瓶瓶肩厚度（平均厚度18 mm左右）相比于筒體（17 mm）較厚，對瓶肩有抗壓能力有一定的加強，由表5可看出，保壓階段瓶肩的應(yīng)變相比于筒體較大，可看出瓶肩應(yīng)為易損傷區(qū)域，因此將瓶肩作為氣瓶損傷監(jiān)測部分的監(jiān)測位置是合理的。

表5 保壓階段應(yīng)變

5 結(jié)束語

本文對長管拖車氣瓶損傷在線監(jiān)測，提出較為合理的監(jiān)測參數(shù)以及監(jiān)測位置，分別對無損氣瓶以及損傷氣瓶進行數(shù)值仿真分析，以隨機振動實驗?zāi)M氣瓶在運輸中的狀況，監(jiān)測各參數(shù)的變化，得出當出現(xiàn)損傷時其損傷位置的等效應(yīng)力與垂直加速度都有異常變化，且與損傷等級成正比的結(jié)論。而且其瓶肩與瓶口處的變形與應(yīng)力較大，由于瓶口存在氣閥，監(jiān)測難度較大，因此將瓶肩作為在線監(jiān)測平臺的監(jiān)測位置，為之后平臺搭建以及現(xiàn)場監(jiān)測實驗做準備。