液化氣體汽車罐車防波板失效原因分析*

包文紅

(甘肅省特種設備檢驗檢測研究院，甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

由于我國自然資源分布不均勻、工業(yè)發(fā)展水平不平衡及煉廠的布局相對固定等原因，導致大量的液化氣體需長距離運輸。目前，液化氣體的運輸方式主要有：鐵路罐車、汽車罐車及管道輸送，而汽車罐車具有運輸靈活、成本低及適應性強等特點，使其在諸多運輸方式中占有重要的地位。

為減小罐內(nèi)液體的晃動，保障罐車的運行安全，液化氣體汽車罐車運輸時不能滿載運輸，需保留至少5%的氣相空間。在罐車運輸過程中，由于罐車罐內(nèi)液體未完全充滿，以致罐車運動狀態(tài)改變時，包括制動、轉(zhuǎn)彎等，罐內(nèi)液體會在慣性力作用下發(fā)生涌動，對罐體產(chǎn)生沖擊，使罐車重心偏移，易引發(fā)交通事故[1-2]。為減小罐內(nèi)液體晃動，增加罐車的行駛穩(wěn)定性，按照《液化氣體汽車罐車》的規(guī)定，液化氣體汽車罐車在罐內(nèi)必須設置一定數(shù)量的防波板來抑制晃動。

防波板對于汽車罐車的作用，學者已經(jīng)從多方面進行了研究。陳志偉[3]通過數(shù)值模擬的方法研究了有無防波板罐車罐內(nèi)液體的晃動過程，發(fā)現(xiàn)罐內(nèi)的剛性防波板對降低罐體縱向應力峰值方面發(fā)揮的作用有限，但可減少較大作用力的作用時間。高炳軍等[4]研究了罐車制動時防波板位置對防晃效果的影響，得出充裝系數(shù)大于0.7時，靠近頂部安裝防波板好，充裝系數(shù)很小時，靠近底端安裝好。李鑫等[5-6]研究了防波板的面積、數(shù)量、幾何形狀等對罐車晃動的影響。樂增等[7]通過模擬罐體內(nèi)部的液體晃動，研究了不同型式防波板的防波效果。周斌等[8]通過流固耦合的方法分析了防波板在罐車制動時的受力分布，同時研究了防波板上設置的阻尼孔對防波效果的影響。此外一些學者也分析了防波板失效原因，并對其選材、制造、結構設計、連接接頭型式等方面進行了優(yōu)化[9-10]。

雖然對于液化氣體汽車罐車的防波板已經(jīng)做了很多研究，每年定期檢驗時仍發(fā)現(xiàn)部分服役罐車防波板出現(xiàn)了開裂、脫落問題?，F(xiàn)基于檢驗過程中發(fā)現(xiàn)的防波板問題，分別從設計、制造、檢驗及使用方面分析防波板失效的原因，得出在同樣使用工況下哪種防波板布置最為合理，從而為液化氣體汽車罐車合理布置防波板提供參考。

1 防波板失效的危害

防波板不屬于承壓部件，在罐車制造、檢驗、檢修中往往容易忽視檢查，若在檢驗中不能及時發(fā)現(xiàn)并處理失效的防波板，則可能帶來以下危害：①防波板連接處的缺陷繼續(xù)擴展，造成防波板的脫落；②防波板脫落后，液體晃動幅度增大，沖擊力增加，加速了其它防波板的損壞，同時罐車行駛的穩(wěn)定性變差，易發(fā)生交通事故；③脫落的防波板隨著液體的晃動而運動，沖擊罐內(nèi)其它部件，造成氣相管的斷裂、液位計失靈等；④防波板松動之后，在液體晃動時產(chǎn)生很大的響聲，引起駕駛員心理恐懼，影響罐車的安全運行；⑤螺栓連接固定的防波板，由于液體的沖擊、振動使螺栓松動脫落，脫落的螺母、墊片進入液相緊急切斷閥，導致其不能自如地開啟或關閉，造成罐車裝卸困難。

2 罐車防波板失效原因分析

2.1 設計及失效問題分析

國內(nèi)外對于移動式壓力容器的防波板設計都是僅給出一些原則性的規(guī)定[11]。依據(jù)《液化氣體汽車罐車》對防波板設置的規(guī)定，相鄰防波板、防波板與相鄰封頭之間的容積應不大于7.5 m3；每個防波板的有效面積應不小于其所在位置處罐體橫截面積的70%?，F(xiàn)行標準沒有對防波板安裝的具體位置、數(shù)量及安裝方式等做出明確規(guī)定，這就導致各個液化氣體汽車罐車設計單位、制造單位各自為營，不同單位設計、制造的罐車防波板型式、安裝方式等各不相同。

2.1.1 防波板的型式與布置方式

罐車內(nèi)設置的防波板主要作用是抑制罐車運動狀態(tài)改變時引起的液體晃動，按照罐車罐體的結構，罐內(nèi)的液體晃動包括縱向晃動和橫向晃動。由于罐車運行時縱向加速度的改變遠大于橫向加速度的改變，所以液體的縱向沖擊遠大于橫向沖擊。為保持罐車運行穩(wěn)定性，罐內(nèi)防波板必須能有效抑制這種沿著罐體長度方向液體的縱向沖擊。相比防波板的縱向布置，橫向布置對縱向液體晃動的抑制效果好，所以得到了廣泛應用。

液化氣體汽車罐車罐體是一個III類壓力容器，其結構示意圖，如圖1所示，其A向截面圖，如圖2所示。從圖2看出，防波板的設計型式主要有以下4種，整板中間開孔橫向布置圖2(a)，兩層橫向布置圖2(b)，三層橫向布置圖2(c)，四層橫向布置圖2(d)。四種防波板的型式從設計的角度都滿足標準的要求，但防波板的面積及防晃效果各有不同。防波板面積越大，防波板的防晃效果及保持罐車制動平穩(wěn)性越好，所以在保持罐車的穩(wěn)定性方面圖2(a)>圖2(d)>圖2(c)>圖2(b)。但在檢驗中發(fā)現(xiàn)，在防波板的失效方面，圖2(a)>圖2(b)>圖2(c)>圖2(d)。對于圖2(a)型式的防波板，多數(shù)罐車在首次檢驗時就發(fā)生大面積的開裂、變形；圖2(b)型式的防波板，隨著罐車的使用也會逐漸的開裂；圖2(c)型式的防波板在失效方面與圖2(b)類似，但開裂、脫落的防波板位置不同；圖2(d)型式的防波板很少發(fā)現(xiàn)失效。從上述分析看出，圖2(d)型式的防波板最有利。

圖1 罐體結構示意圖

圖2 罐體A向截面圖

檢驗發(fā)現(xiàn)的防波板的布置方式除上述的橫向布置外，還有極少數(shù)的罐車采用了豎向布置，僅見四層防波板的情況，如圖3所示，檢驗中也未發(fā)現(xiàn)此類防波板失效。

圖3 四層豎向布置

2.1.2 防波板的連接方式

防波板作為罐體的重要部件，其與罐體的連接方式，如圖4所示，兩端焊接連接圖4(a)，一端焊接連接一端螺栓連接圖4(b)，兩端螺栓連接圖4(c)。檢驗中發(fā)現(xiàn)，從防波板的失效方面，圖4(a)>圖4(b)>圖4(c)。這主要有以下幾方面引起：①液化氣體汽車罐車一般是長距離運輸，運行過程中環(huán)境溫度變化大，當環(huán)境溫度升高時，罐內(nèi)液化氣體會隨著溫度升高而汽化，汽化后罐內(nèi)壓力升高，導致罐體會發(fā)生微量的彈性變形，對防波板產(chǎn)生拉伸應力；罐車行駛過程中運動狀態(tài)改變時，包括制動、轉(zhuǎn)彎、顛簸等，罐內(nèi)液體會對防波板產(chǎn)生沖擊；②焊接結構的剛性大、拘束度大，對變形產(chǎn)生的應力不能松弛；③焊接連接時，防波板與加強圈的焊接接頭為搭接接頭，易產(chǎn)生焊接缺陷，且結構本身是裂紋源，在上述動載荷的共同作用下易開裂；④螺栓連接時，螺栓孔與螺栓間有間隙，對罐體彈性變形的拘束度小，承受的結構應力小。綜上分析，罐車運行時，在同樣的工況下，焊接連接比螺栓連接方式承受的結構應力大，容易失效，所以圖4(c)的連接方式優(yōu)于圖4(a)與圖4(b)。

圖4 防波板的連接方式1.罐體 2.螺栓 3.防波板 4.加強圈 5.焊縫

2.2 制造及失效問題分析

雖然《液化氣體運輸車》等標準規(guī)定了防波板的有效面積、大小等，但對其具體的形式、數(shù)量、固定方式等沒有具體規(guī)定，以致制造單位都按照企業(yè)內(nèi)部的標準生產(chǎn)罐車的防波板，其材料、結構、大小、數(shù)量、形狀都不盡相同。

目前，防波板制造中使用的材料有碳鋼、低合金鋼及鋁合金。在防波板的失效方面，僅從材料因素考慮，鋁合金不易腐蝕，使用壽命較碳鋼、低合金鋼長。

防波板的連接方式主要有焊接連接與螺栓連接，這兩種連接方式在制造中都易產(chǎn)生缺陷。不同制造廠的制造、質(zhì)量管理水平有很大的差異，特別是質(zhì)量管理水平。對于防波板這樣的非承壓部件，若制造廠對其質(zhì)量疏于管理，會產(chǎn)生以下缺陷：①防波板與加強圈連接的焊接接頭存在裂紋、未熔合、氣孔、未焊滿等焊接缺陷；②對于螺栓連接的接頭，防波板的螺栓孔周圍有毛刺、尖角、劃傷等機械加工缺陷；③對防波板的機械加工、焊接過程的無損檢測重視程度不夠，以致部分罐車的防波板出廠時存在缺陷。使用過程中，在流體沖擊力作用下，在以上連接接頭中的缺陷位置會產(chǎn)生應力集中，使缺陷不斷擴展，最終導致防波板的開裂、甚至脫落。

2.3 失效檢驗及問題

防波板作為汽車罐車的重要安全附件，雖不屬于承壓部件，但對汽車罐車的安全運行有重要的作用，每年定期檢驗時必須詳細檢查，也是必檢項目。依據(jù)《移動式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》《壓力容器定期檢驗規(guī)則》等標準，防波板的檢驗主要是宏觀檢驗，發(fā)現(xiàn)問題或有懷疑時進行無損檢測。由于檢驗人員的技術水平、經(jīng)驗的差異，及對防波板這樣的結構件的認識不同，可能疏于對其仔細檢查，未及時發(fā)現(xiàn)焊縫開裂，螺栓松動、磨損、腐蝕，以及部分薄板無折邊、分段容積不合理等問題。此外，不同檢驗單位對檢驗現(xiàn)場管理水平不同，可能導致部分液化氣體汽車罐車防波板漏檢。

在每年定期檢驗時，若對防波板的檢驗不夠重視，對其開裂、脫落等缺陷未及時發(fā)現(xiàn)、維修及更換，可能會導致罐內(nèi)其它防波板的開裂、脫落，甚至整個罐體內(nèi)部防波板全部脫落。罐車防波板的失效圖，如圖5所示。

圖5 防波板的失效

2.4 運維與防波板失效關系

按照《移動式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》，使用單位必須按照國家的法律、規(guī)范等做好移動式壓力容器的使用管理，但在罐車的實際運行過程中，很多使用單位都不夠重視，一些規(guī)定、要求未落到實處，特別是像防波板這樣的結構件，表面上似乎對罐車的運行影響不大，往往疏于檢查、維修。

液化氣體汽車罐車的運行情況直接決定了防波板的使用年限，主要表現(xiàn)在以下幾方面：①駕駛員對罐車的駕駛情況。未遵守限速規(guī)定高速行駛，遇到緊急情況后迅速制動，此時液體要保持原來的運動狀態(tài)而對防波板產(chǎn)生很大的沖擊載荷，所以速度越快、緊急制動的次數(shù)越多，防波板壽命就越短；②罐車運行的道路狀況。路面狀況越差，越顛簸，則液體晃動就越大，防波板受沖擊越大，壽命越短；③充裝介質(zhì)的影響。罐車充裝介質(zhì)的腐蝕性越大，防波板的使用周期則越短；④充裝率的影響。罐車的充裝率很小時，液體對防波板的沖擊也很?。浑S著充裝率的增加，防波板受液體的沖擊增加，但增加到一定值之后，液體對防波板的沖擊力隨充裝率的增加而減小，所以罐車罐體的充裝率與防波板的的失效不成正比；⑤使用單位管理重視程度不夠。罐車投入運行后，管理單位未按照國家規(guī)程的要求進行定期檢驗和修理，甚至部分罐車長期未檢驗。此外，在發(fā)現(xiàn)罐車內(nèi)部有異常響聲，或懷疑防波板脫落時仍然堅持運行，也會導致防波板的開裂、脫落。

3 結 語

防波板雖然是結構件，但對于液化氣體汽車罐車的安全運行非常重要。文中基于檢驗中發(fā)現(xiàn)的防波板問題，重點分析總結了設計、制造、檢驗及使用環(huán)節(jié)對防波板失效的影響?？偨Y重點如下：①國內(nèi)防波板的設計、制造沒有統(tǒng)一的標準，設計、生產(chǎn)單位都使用企業(yè)的內(nèi)部標準，以致液化氣罐車的防波板型式多樣，安裝方式、安裝位置、面積及布置方式等各不相同。從防波板的失效角度看，四層橫向布置的鋁合金防波板最好，整板中間開孔橫向布置的防波板最差；②防波板屬于非承壓結構件，制造、檢驗單位對其重視程度不夠，使部分服役罐車防波板的連接接頭處存在缺陷，缺陷在使用過程中不斷擴展，導致防波板的開裂、脫落；③液化氣體汽車罐車正常運輸時的道路情況、充裝介質(zhì)的腐蝕性、充裝率等客觀條件也加速了防波板的開裂、脫落。

鑒于以上分析，為了保證液化氣體汽車罐車在使用周期內(nèi)防波板不失效，做到防患于未然，應該從設計、制造、檢驗及使用幾方面共同完善，以此增加罐車的行駛穩(wěn)定性，為罐車運行的安全性提供保障。