制造缺陷對車用氣瓶安全性能的影響

張紅星

(嘉興市特種設(shè)備檢測院)

制造缺陷對車用氣瓶安全性能的影響

張紅星*

(嘉興市特種設(shè)備檢測院)

討論了車用氣瓶制造過程中常見的缺陷、產(chǎn)生原因和對氣瓶質(zhì)量安全的影響，并對各種缺陷給出了相應(yīng)的解決方法。

車用氣瓶 缺陷 質(zhì)量保證體系 監(jiān)督檢驗

隨著我國汽車保有量的不斷增加，推廣燃氣汽車不僅符合天然氣資源的經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略，還可有效應(yīng)對能源短缺和大氣污染[1]。近年來，車用壓縮天然氣瓶的生產(chǎn)廠家和制造數(shù)量增加非常迅速。此類氣瓶具有承受高壓(20MPa)、車載移動、工況復(fù)雜、承受疲勞載荷(1 5000次)以及事故危害大等特點，因此GB 24160《車用壓縮天然氣鋼質(zhì)內(nèi)膽環(huán)向纏繞氣瓶》和GB 17258《車用壓縮天然氣鋼瓶》中規(guī)定了設(shè)計和制造的基本程序和檢驗要求。其中，一些環(huán)節(jié)和要求在制造過程中易被忽視，導(dǎo)致企業(yè)生產(chǎn)和管理不符合質(zhì)量保證體系運行的要求，影響試驗數(shù)據(jù)可靠性，廢品率高，甚至?xí)斐刹缓细駳馄苛飨蛏鐣?/p>

1 制度執(zhí)行不嚴格

氣瓶的設(shè)計和制造許可采用設(shè)計文件鑒定制度和型式試驗制度，即每一種型式的氣瓶其設(shè)計文件均要經(jīng)過鑒定單位審批，然后按要求通過相應(yīng)的型式試驗后方可生產(chǎn)，這一點已經(jīng)為制造單位普遍了解。但當原有設(shè)計出現(xiàn)部分變更時，有的應(yīng)當視為新設(shè)計，需要重新申請辦理設(shè)計文件更改鑒定，如容積和長度變動、瓶閥變更、制造工藝變更及端部形狀變化等。設(shè)計鑒定完成后，其中有的變更還需通過型式試驗驗證，合格之后方可生產(chǎn)。以上幾個因素容易被制造單位疏忽，導(dǎo)致文件型式覆蓋不全面，也常見設(shè)計文件鑒定和型式試驗不及時及順序顛倒等，違反了《氣瓶設(shè)計文件鑒定規(guī)則》和《氣瓶型式試驗規(guī)則》的相關(guān)規(guī)定。

2 組批混亂

氣瓶產(chǎn)品的生產(chǎn)和試驗采用組批管理，即同一材料爐罐號、直徑、同一制造工藝、同一熱處理規(guī)范的連續(xù)爐可視為一批。車用氣瓶的組批數(shù)量為不超過200只(含破壞試驗用氣瓶)。但在生產(chǎn)車間中較常見到組批混亂情況，表現(xiàn)為：材料管理不清、內(nèi)膽和氣瓶編號不及時、爐罐號不同混為一批、熱處理中斷混為一批等情況。每批氣瓶的產(chǎn)品完全不具同一性，即使抽樣檢驗也不能代表該批所有產(chǎn)品的性能，無法進行有效追溯，造成批量管理失控。

3 材料隱患

車用氣瓶的主要加工制造方法是管制氣瓶。無縫管的質(zhì)量在一定程度上決定了氣瓶的安全性能，其中影響較大的有內(nèi)壁劃痕、壁厚不均、組織偏析及裂紋等因素，需要在材料驗收環(huán)節(jié)加強檢驗質(zhì)量。內(nèi)壁劃痕對氣瓶的疲勞性能影響較大，試驗表明，劃痕嚴重的氣瓶在疲勞試驗6 000～8 000次即出現(xiàn)破裂，遠不能滿足試驗要求。而材料組織偏析對產(chǎn)品的影響體現(xiàn)在力學(xué)性能方面，試驗表明部分原材料組織偏析在熱處理后不能完全消除，對低溫沖擊試驗結(jié)果帶來較大影響，實際當中曾有試驗-50℃沖擊值僅為17J/cm2，經(jīng)重復(fù)熱處理后沖擊試驗仍不能達到合格要求，最終導(dǎo)致數(shù)批氣瓶全部報廢，給企業(yè)帶來嚴重損失。

氣瓶的力學(xué)性能作為一個重要的指標，對產(chǎn)品質(zhì)量具有決定性影響。為了追求氣瓶輕量化，很多廠家近年來均提高材料強度至950MPa。隨著材料抗拉強度的提高，對氣瓶性能帶來一定影響：一是高強度鋼在濕H2S應(yīng)力腐蝕環(huán)境下更易受損傷，故需要按S、P含量通過抗硫化物應(yīng)力腐蝕試驗；二是材料塑性下降，熱處理難度有所提高[4]，如不能及時調(diào)整熱處理工藝往往難以同時獲得理想的抗拉強度和屈強比，實際當中試驗數(shù)據(jù)不合格情況也較常見，對此制造廠應(yīng)引起重視，做好相應(yīng)的工藝技術(shù)準備。

4 熱加工工藝缺陷

目前車用氣瓶制造以無縫鋼管收口收底方法較常見，熱旋壓成形時受中頻爐加熱溫度控制、工裝夾具跳動及加工精度等因素影響，易在瓶底、瓶口形成皺折、裂紋、熔合不良、溝槽以及瓶底與筒身結(jié)構(gòu)不連續(xù)等各種缺陷[2]，尤其以刮板加工方法對產(chǎn)品質(zhì)量影響更為嚴重。以上幾個常見缺陷均會對氣瓶質(zhì)量產(chǎn)生較大危害，造成應(yīng)力集中[3]影響氣瓶疲勞壽命。試驗證明此類缺陷氣瓶在壓力循環(huán)下不到10 000次即見破裂，且不符合“未爆先漏”(LBB)要求。

5 瓶閥錯配

車用氣瓶閥門的型號、泄放面積作為氣瓶設(shè)計文件的一個重要部分已經(jīng)過詳細計算，其易熔塞-爆破片組合的泄放通徑面積必須大于計算所需面積，以保證在火災(zāi)溫升環(huán)節(jié)下能夠迅速泄壓，保證氣瓶安全。而在GB 17296《車用壓縮天然氣瓶閥》規(guī)定的表示方法中并不反應(yīng)瓶閥通徑，因此造成制造廠常會按型號辦理入庫手續(xù)而忽略通徑尺寸，往往導(dǎo)致出廠時瓶閥錯配，尤其在大容積氣瓶中較為常見，為氣瓶安全埋下嚴重隱患。

6 纏繞層返修

復(fù)合氣瓶纏繞層會出現(xiàn)纖維裸露、分層、固化不良、機械損傷及氣泡等缺陷，此種情況只能通過纏繞層返修進行修復(fù)。纏繞層固化以后難于剝離，故返修較為費時費力，且容易損傷內(nèi)膽。因此制造單位需要制定專門的返修工藝，嚴格限定返修工裝、方法、修磨和檢驗工序。為達到“內(nèi)膽加壓引起塑性變形，使氣瓶內(nèi)部零壓力時纖維產(chǎn)生拉應(yīng)力”的效果，氣瓶經(jīng)過返修、重新纏繞以后還需再次進行自緊和耐壓試驗，這里產(chǎn)生一個新的問題：返修之前已經(jīng)經(jīng)過自緊、耐壓試驗的氣瓶，為達到設(shè)計要求再次自緊，這樣內(nèi)膽需要經(jīng)過兩次塑性變形，在GB 24160和ISO 11439中均未提及纏繞返修工序和相關(guān)要求，此種情況下殘余變形率應(yīng)該如何計算，對氣瓶的綜合性能影響也并不清楚，需要進一步開展研究和試驗。

7 疲勞試驗不準確

車用氣瓶的疲勞試驗為按批抽取樣瓶，如一型號的試驗數(shù)據(jù)連續(xù)10批以上達到一定要求，之后可適當降低試驗頻率，改為每10批抽一次，或每5批抽一次，制造單位如不能妥善對試驗進行控制，在型號多、試驗多的情況下常見疲勞試驗漏做、錯做。此外，國家標準規(guī)定疲勞試驗時氣瓶升降壓循環(huán)速率為每分鐘不超過10次，有的操作人員為節(jié)省時間，私自加快試驗速率，導(dǎo)致試驗結(jié)果失真，其結(jié)果并不能證明該批氣瓶的真實疲勞性能。

8 結(jié)束語

列舉了車用氣瓶制造時常見的一些問題及其對氣瓶安全質(zhì)量帶來的影響，涉及環(huán)節(jié)較多，如設(shè)計、工藝、材料、熱處理、檢驗與試驗以及不合格品控制等。一般來說，車用氣瓶制造量大，工序多，加工難度較大，連續(xù)性強，每一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)偏差均會對下道工序乃至氣瓶最終質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，因此要兩個方面引起重視：對制造單位而言，應(yīng)充分認識到制造質(zhì)量保證體系的重要性，不斷提高質(zhì)量體系運轉(zhuǎn)水平，加強人員能力，更新設(shè)備，改進方法；對于車用氣瓶監(jiān)督檢驗機構(gòu)及監(jiān)檢人員而言，需仔細研讀相關(guān)規(guī)范、標準的具體要求，深入現(xiàn)場，及時獲取第一手信息，才能準確把握車用氣瓶制造過程質(zhì)量保證體系運行存在的問題并采取相應(yīng)措施，充分發(fā)揮第三方檢驗機構(gòu)的作用，保證監(jiān)檢質(zhì)量。

[1] 張紅星,江華生.車用壓縮天然氣氣瓶的研究概況[J].石油和化工設(shè)備, 2011,14(10):5～8.

[2] 許久勝.車用壓縮天然氣鋼瓶內(nèi)膽縱向溝槽產(chǎn)生原因及對策[J].石油和化工設(shè)備, 2013,16(5):66～67.

[3] 張應(yīng)祿.車用天然氣纏繞氣瓶安全分析[J].天然氣工業(yè), 2009,29(4):102～104.

[4] 孫詠梅,黃貞益.35CrMo鋼質(zhì)無縫氣瓶的熱處理工藝研究[J].機械工程師, 2009,(8):37～38.

*張紅星，男，1975年8月生，工程師。浙江省嘉興市，314050。

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