IV型LPG氣瓶沖擊試驗(yàn)的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)探討

李 昱*

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院）

0 引言

中國是液化石油氣（LPG）產(chǎn)業(yè)發(fā)展最迅速的國家，其中民用液化石油氣是主要的消費(fèi)品。目前鋼質(zhì)焊接氣瓶是民用LPG 最普遍的輸送方式，但鋼質(zhì)焊接氣瓶的結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)致其具有安全隱患。自1998 年全球碳纖維供應(yīng)量增加以來，碳纖維復(fù)合材料氣瓶的價(jià)格開始下降，使得復(fù)合氣瓶的經(jīng)濟(jì)性更好。高密度聚乙烯是一種低彈性、高密度和高硬度的材料，近年來，隨著鋁內(nèi)膽車用纖維纏繞儲氫氣瓶的快速發(fā)展，高密度聚乙烯內(nèi)膽玻璃纖維全纏繞氣瓶（以下簡稱“IV 型LPG 氣瓶”）也有著廣闊的應(yīng)用前景。

鑒于目前國內(nèi)IV 型非金屬內(nèi)膽纏繞氣瓶還處于起步階段，相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)還沒有出臺，所有的IV型LPG 氣瓶制造企業(yè)都必須通過全國氣瓶標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會的“三新”（新材料、新技術(shù)、新工藝）技術(shù)評定后，方可進(jìn)行IV 氣瓶的設(shè)計(jì)和制造工作。而“三新”技術(shù)評定所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)，目前國內(nèi)只有唯一的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CATSI 02005—2019《液化石油氣高密度聚乙烯內(nèi)膽玻璃纖維全纏繞氣瓶》。該標(biāo)準(zhǔn)中有一項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目是沖擊試驗(yàn)，這是IV 型LPG 氣瓶獨(dú)有的試驗(yàn)項(xiàng)目，在其他氣瓶制造標(biāo)準(zhǔn)中均未出現(xiàn)過。該試驗(yàn)項(xiàng)目對于驗(yàn)證IV 型LPG 氣瓶的抗外來物沖擊性能有著非常重要的意義。

T/CATSI 02005—2019 中規(guī)定的沖擊試驗(yàn)方法分為平面沖擊和沖頭沖擊兩項(xiàng)，需要準(zhǔn)備的試驗(yàn)用瓶數(shù)量為8 只。在試驗(yàn)前所有氣瓶都應(yīng)充裝滿水至氣瓶的最大充裝量，隨后還要選取4 只氣瓶分別加壓至2.1 MPa，再對這8 只氣瓶進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。沖擊試驗(yàn)后再根據(jù)沖擊情況對氣瓶進(jìn)行壓力循環(huán)試驗(yàn)或爆破試驗(yàn)，以此驗(yàn)證氣瓶的抗沖擊性能。

2021 年，在上海市市場監(jiān)督管理局2021-18《液化石油氣塑料內(nèi)膽復(fù)合氣瓶檢測技術(shù)研究》項(xiàng)目支持下，上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院氣瓶閥門檢測中心對某單位生產(chǎn)的8 只IV 型LPG 氣瓶進(jìn)行平面沖擊和沖頭沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)用瓶可見圖1，氣瓶的公稱容積為26.2 L，氣瓶的瓶體外徑為300 mm。

圖1 試驗(yàn)用氣瓶

1 平面沖擊試驗(yàn)

試驗(yàn)按T/CATSI 02005—2019 規(guī)定進(jìn)行，4 只氣瓶充裝水至氣瓶最大充裝量，再取其中2 只氣瓶加壓到2.1 MPa。

將4 只氣瓶分成2 組（加壓但和不加壓組），均按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行平面沖擊試驗(yàn)（如圖2 所示）。

圖2 平面沖擊

（1）先與地面呈平行姿態(tài)從3 m 高處跌落；

（2）再與地面呈45°從3 m 高處跌落，沖擊點(diǎn)為瓶肩邊緣；

（3）沖擊后，用空氣加壓至2.1 MPa 后進(jìn)行檢漏，瓶體應(yīng)無泄漏；

（4）對氣瓶進(jìn)行外觀檢查，判斷氣瓶是否出現(xiàn)如深度大于纏繞層厚度10%的損傷或總長度大于氣瓶外徑50%的損傷，氣瓶是否出現(xiàn)永久變形或損傷面積大于1 cm2，或是任何纖維斷裂、分層等損傷。

如2 只氣瓶均存在明顯損傷，則應(yīng)進(jìn)行爆破試驗(yàn)。如2 只氣瓶均無明顯損傷或僅1 只氣瓶存在明顯損傷，則選用1 只氣瓶進(jìn)行爆破試驗(yàn)，另1 只氣瓶進(jìn)行常溫壓力循環(huán)試驗(yàn)。

對于帶可拆卸外套的氣瓶，進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí)需要拆除外套后進(jìn)行。IV 型氣瓶制造時(shí)將玻璃纖維固化直接纏繞在塑料內(nèi)膽上，因此受氣瓶制造材料及工藝特性的影響，玻璃纖維纏繞層在沖擊試驗(yàn)過程中直接與地面撞擊，導(dǎo)致其在沖擊試驗(yàn)后，必然會出現(xiàn)外層纖維明顯損傷的情況。圖3 所示為氣瓶加壓沖擊和未加壓沖擊狀態(tài)對比，二者無顯著差異。顯而易見，2 只氣瓶的纏繞層都產(chǎn)生了明顯的纖維斷裂損傷，因此2 只氣瓶均需進(jìn)行爆破試驗(yàn)。

圖3 平面沖擊后加壓和未加壓狀態(tài)對比

圖4 為未加壓的氣瓶進(jìn)行平面沖擊及爆破試驗(yàn)后氣瓶的狀態(tài)，爆破壓力為8.6 MPa。通過圖4 可以發(fā)現(xiàn)，沖擊損傷的部位就是氣瓶發(fā)生爆破的部位。

圖4 未加壓平面沖擊后氣瓶爆破狀態(tài)

圖5 所示為加壓至2.1 MPa 的氣瓶進(jìn)行平面沖擊和爆破試驗(yàn)后氣瓶的狀態(tài)，爆破壓力為8.3 MPa，對比未加壓的氣瓶沖擊試驗(yàn)后可以看出，爆破壓力波動(dòng)不明顯，按標(biāo)準(zhǔn)要求，爆破壓力大于6.3 MPa 即為合格，無論2 只氣瓶是否進(jìn)行加壓沖擊，爆破試驗(yàn)結(jié)果均合格。

圖5 不帶壓平面沖擊后氣瓶爆破狀態(tài)

2 沖頭沖擊試驗(yàn)

沖頭沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作和平面沖擊一致。區(qū)別在于氣瓶沖擊的高度以及沖擊的外部環(huán)境。T/CATSI 02005—2019 規(guī)定的沖頭剖面長60 mm、高50 mm、頂部有一半徑為3 mm 的圓角、沖頭長度比氣瓶公稱長度大200 mm，詳見圖6。

圖6 沖頭圖（單位：mm）

選取4 只氣瓶均按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行沖頭沖擊試驗(yàn)，如圖7 和圖8 所示。

圖7 沖頭平行沖擊

圖8 沖頭垂直沖擊

（1）先從1.2 m 高度使氣瓶軸線平行于沖頭跌落。

（2）再從1.2 m 高度使氣瓶軸線垂直于沖頭跌落，兩次沖擊點(diǎn)應(yīng)間隔至少45°。

（3）沖擊后，用空氣加壓至2.1 MPa 進(jìn)行檢漏，瓶體應(yīng)無泄漏。

（4）氣瓶進(jìn)行外觀檢查，判斷氣瓶是否出現(xiàn)如深度大于纏繞層厚度10%的損傷或總長度大于氣瓶外徑50%的損傷，氣瓶出現(xiàn)永久變形或損傷面積大于1 cm2，任何的纖維斷裂、分層等損傷。

如果2 只氣瓶均存在明顯損傷，則需進(jìn)行爆破試驗(yàn)。如2 只氣瓶均無明顯損傷或僅1 只氣瓶存在明顯損傷，則1 只氣瓶進(jìn)行爆破試驗(yàn)，另1 只氣瓶進(jìn)行常溫壓力循環(huán)試驗(yàn)。

圖9 圓圈標(biāo)記內(nèi)所示為氣瓶不帶壓進(jìn)行沖頭平行沖擊后的狀態(tài)，圖10 圓圈標(biāo)記處為氣瓶加壓至2.1MPa后進(jìn)行沖頭垂直沖擊后的氣瓶狀態(tài)。從圖9 和圖10可以看出，二者都出現(xiàn)了明顯的纖維損傷，因此都需要進(jìn)行氣瓶爆破試驗(yàn)。

圖9 沖頭平行沖擊后的氣瓶狀態(tài)

圖10 沖頭垂直沖擊后的氣瓶狀態(tài)

3 沖擊試驗(yàn)的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)問題探討

3.1 沖擊試驗(yàn)環(huán)境溫度

氣瓶沖擊試驗(yàn)是驗(yàn)證氣瓶在經(jīng)受外力沖撞或作用時(shí)產(chǎn)品的安全性、可靠性和有效性的試驗(yàn)方法。一般可分為常溫沖擊和低溫沖擊2 種方法。隨著溫度升高，聚乙烯材料沖擊強(qiáng)度逐漸增加，如圖11 所示。在23℃的常溫環(huán)境下，聚乙烯材料的沖擊強(qiáng)度為35 kJ/m2，而低溫狀態(tài)下其沖擊強(qiáng)度只有11 kJ/m2。這說明高密度聚乙烯內(nèi)膽玻璃纖維纏繞氣瓶的劣勢在于韌性低，尤其在低溫環(huán)境下容易出現(xiàn)脆裂。但T/CATSI 02005—2019 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的沖擊試驗(yàn)并沒有提及在低溫環(huán)境下進(jìn)行，因此該項(xiàng)試驗(yàn)僅適用于20 ～30℃的常溫環(huán)境。而該標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍為-40 ～60 ℃，顯然常溫下的沖擊試驗(yàn)不具備代表性，例如中國北部地區(qū)冬天的室外溫度完全可以達(dá)到-20 ℃及以下。

圖11 沖擊強(qiáng)度—溫度變化曲線

T/CATSI 02005—2019 標(biāo)準(zhǔn)是在理論分析和研究的基礎(chǔ)上，修改采用了EN14427：2014《液化石油氣設(shè)備及配件 - 用于液化石油氣的可運(yùn)輸?shù)目沙涮钊忾]復(fù)合氣瓶 設(shè)計(jì)和施工》有關(guān)熱塑性非金屬內(nèi)膽全纏繞氣瓶部分制定的。EN14427：2014 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了沖擊試驗(yàn)應(yīng)在-20 ℃的環(huán)境下進(jìn)行，而T/CATSI 02005—2019 卻沒有沿用該溫度，低溫環(huán)境下非金屬材料出現(xiàn)的脆裂問題是更值得關(guān)注的，這將直接影響到IV 型LPG 氣瓶的強(qiáng)度及其在低溫環(huán)境下的安全性。

3.2 沖擊試驗(yàn)的沖擊能量及沖擊速度

3.2.1 沖擊能量

沖擊試驗(yàn)是被測件施加外力進(jìn)行撞擊，從而考察被測物體的抗沖擊性能。EN14427：2014 標(biāo)準(zhǔn)對于平面沖擊及沖頭沖擊都給出了沖擊能量和沖擊速度。

平面沖擊試驗(yàn)的沖擊速度為7 或8 m/s，沖擊能量公式為：

式中：F——沖擊能量， J；

M——?dú)馄孔畲蠊ぷ髻|(zhì)量， kg。

沖頭沖擊試驗(yàn)的速度為4 或5 m/s，沖擊能量公式為：

EN14427：2014 標(biāo)準(zhǔn)還提出，沖擊能量和速度可以將氣瓶從一個(gè)適當(dāng)高度處拋下來達(dá)到。這就涉及到拋下的瞬間是否需要對氣瓶施加一個(gè)外力，以此達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的沖擊速度和沖擊能量的問題。T/CATSI 02005—2019 直接給出了平面沖擊高度為3 m，沖頭沖擊高度為1.2 m 的要求。

自由落體的沖擊能量公式為：

式中：E——沖擊能量， J；

M——?dú)馄孔畲蠊ぷ髻|(zhì)量， kg；

G——自由落體加速度，9.8m/s2；

h——自由落體高度， m。

從式（3）可以看出，不同質(zhì)量的氣瓶其自由落體的沖擊能量是不同的。從同一高度自由落體的氣瓶其質(zhì)量越大則受到的沖擊力也越大。

根 據(jù)T/CATSI 02005—2019 給 出 的 高 度， 按照自由落體沖擊能量公式（3）進(jìn)行計(jì)算：平面沖擊時(shí)，E=M×9.8×3=29.4M≈30M；沖頭沖擊時(shí)，E=M×9.8×1.2=11.76M≈12M。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，T/CATSI 02005—2019 中沖擊高度的選擇最終得到的沖擊能量與EN14427：2014 要求一致。

3.2.2 沖擊速度

自由落體瞬時(shí)速度公式為：

式中：v——瞬時(shí)速度，m/s；

g——自由落體加速度，9.8 m/s2；

t——位移時(shí)間，s。

位移隨時(shí)間的變化規(guī)律為：

從式（4）和式（5）可以推導(dǎo)出瞬時(shí)速度v：

通過式（6）計(jì)算可知：

（1）平面沖擊時(shí)氣瓶從3 m 處自由落體，接觸地面的瞬時(shí)速度為7.6 m/s2；

（2）沖頭沖擊時(shí)氣瓶從1.2 m 處自由落體，接觸地面的瞬時(shí)速度為4.8 m/s2。

計(jì)算結(jié)果可以看出，自由落體的瞬時(shí)沖擊速度與EN14427：2014 要求一致。由此可知，在這2 個(gè)高度條件下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)的氣瓶無需施加額外的力和加速度，只需要達(dá)到規(guī)定的高度進(jìn)行自由落體即可。

3.3 沖擊試驗(yàn)的方法

沖擊試驗(yàn)需要準(zhǔn)備加壓和不加壓的氣瓶，T/CATSI 02005—2019 規(guī)定了沖擊后應(yīng)用空氣或氮?dú)饧訅褐?.1 MPa 進(jìn)行檢漏。EN14427：2014 同樣規(guī)定沖擊試驗(yàn)需要準(zhǔn)備帶壓和不帶壓的氣瓶，不同的是EN14427：2014 只要求了帶壓力的氣瓶沖擊后不能泄漏，而不帶壓的氣瓶則沒有相關(guān)規(guī)定。

從式（3）可以看出，沖擊能量取決于物體的質(zhì)量及高度，和氣瓶是否加壓無關(guān)。為什么2 項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)都要求在沖擊過程中給氣瓶加壓？

從理論數(shù)學(xué)模型來說，IV 型LPG 瓶的非金屬內(nèi)膽壁厚很薄，不能承載受力，因此在對內(nèi)膽進(jìn)行纏繞時(shí)必須充氣攜帶壓力纏繞，保證纖維纏繞施力時(shí)不會使塑料內(nèi)膽受損或者變形。纏繞時(shí)纖維在被拉伸的同時(shí)分子鏈沿受力方向取向，在纏繞前通過附加設(shè)備預(yù)先給予纖維適當(dāng)應(yīng)力，可以使纖維在內(nèi)膽上的纏繞位置更加精確。因此無論氣瓶是否加壓，其外表面纏繞的玻璃纖維都受到應(yīng)力影響。從圖4 和圖5 的試驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：在氣瓶所在高度及氣瓶質(zhì)量一致的前提下，沖擊試驗(yàn)過程中氣瓶是否加壓至2.1 MPa，都不會對其強(qiáng)度衰減有太大影響。

但是在實(shí)際試驗(yàn)過程中，加壓沖擊的安全風(fēng)險(xiǎn)比不加壓沖擊的安全風(fēng)險(xiǎn)要高很多，特別是設(shè)備防護(hù)要求和人員防護(hù)要求。在LPG 氣瓶事故中，大部分事故起因都是氣瓶跌落到地面（特別是氣瓶閥門接觸到地面）。而加壓沖擊的氣瓶需要裝配瓶閥后，才能對氣瓶進(jìn)行充裝，所以在進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí)，氣瓶連同氣瓶閥門一起自由落體，風(fēng)險(xiǎn)極大。因此強(qiáng)烈建議取消加壓沖擊部分，以減少試驗(yàn)過程中的安全隱患。不加壓氣瓶的沖擊試驗(yàn)已經(jīng)完全可以有效地驗(yàn)證氣瓶受到外部沖擊后其強(qiáng)度的衰減程度。EN14427：2014標(biāo)準(zhǔn)中要求加壓的氣瓶在沖擊后不能泄漏，這個(gè)判定標(biāo)準(zhǔn)可以在氣瓶不加壓進(jìn)行沖擊后，再對其加壓至2.1 MPa 進(jìn)行檢漏來驗(yàn)證。

不佩戴外套受外力沖擊已經(jīng)是比較極端的情況，IV 型LPG 氣瓶在使用過程中通常會佩戴外套便于氣瓶存放和使用。因此在不佩戴外套的情況下，氣瓶實(shí)際的試驗(yàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)能說明一些問題。在佩戴外套進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí)，沖擊波大部分作用在外套上，瓶體本身受到的沖擊力大部分已經(jīng)被外套時(shí)吸收，沖擊損傷要比不佩戴外套輕很多。既然在苛刻的情況下，氣瓶加壓和不加壓的沖擊對于強(qiáng)度衰減的最終結(jié)果并無影響，那么帶外套的沖擊試驗(yàn)結(jié)果不會更差。

4 結(jié)語

（1）聚乙烯內(nèi)膽對溫度敏感，特別是在低溫狀態(tài)下抗沖擊強(qiáng)度明顯下降，因此建議國標(biāo)準(zhǔn)中增加低溫沖擊項(xiàng)目。

（2）和鋁合金內(nèi)膽不同，聚乙烯內(nèi)膽抗外力撞擊能力弱，因此在IV 型LPG 氣瓶型試試驗(yàn)項(xiàng)目中增加沖擊項(xiàng)目非常有必要。

（3）自由落體的能量取決于物體本身的質(zhì)量和高度，和氣瓶內(nèi)是否承壓無關(guān)。且根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果，氣瓶是否承壓完全不影響其強(qiáng)度的變化，但加壓至2.1 MPa 再進(jìn)行沖擊，存在巨大安全隱患，尤其是帶瓶閥跌落不可控，試驗(yàn)人員的人身安全面臨嚴(yán)重威脅，強(qiáng)烈建議取消帶壓沖擊試驗(yàn)部分。