車(chē)載LNG氣瓶振動(dòng)試驗(yàn)常見(jiàn)失效形式分析及控制措施

段武，李力新，惠阿玲，余謙

（西安德森新能源裝備有限公司，陜西 西安 710043）

前言

在國(guó)家重拳治理大氣污染、強(qiáng)力推進(jìn)節(jié)能減排、綠色循環(huán)低碳發(fā)展的戰(zhàn)略方針指導(dǎo)下，各地區(qū)都制定了保護(hù)環(huán)境和治理大氣污染的相關(guān)法規(guī)和措施，將建設(shè)綠色循環(huán)低碳交通運(yùn)輸體系的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，明確提出了發(fā)展綠色交通的各項(xiàng)要求。天然氣作為當(dāng)今世界的理想能源，使用天然氣是治理車(chē)輛污染的主要措施之一，因此天然氣車(chē)市場(chǎng)需求量逐年遞增。

車(chē)載 LNG氣瓶作為天然氣車(chē)燃料系統(tǒng)的核心部件，廣泛應(yīng)用于重卡、牽引車(chē)、客車(chē)等天然氣車(chē)。隨著近年來(lái)車(chē)載LNG氣瓶行業(yè)發(fā)展，車(chē)載LNG氣瓶標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也在不斷完善，結(jié)合近年市場(chǎng)的運(yùn)行情況，對(duì)車(chē)載 LNG氣瓶的安全性能試驗(yàn)提出了更嚴(yán)格的要求，最新頒布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《汽車(chē)用液化天然氣氣瓶》GB/T34510以及氣瓶標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)規(guī)定的大于500L氣瓶企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，都明確要求車(chē)載LNG氣瓶型式試驗(yàn)中的振動(dòng)試驗(yàn)的加速度由原來(lái)的3g變?yōu)?g（5倍重力加速度），從而增加了車(chē)載LNG氣瓶振動(dòng)試驗(yàn)通過(guò)的難度。本文總結(jié)近年來(lái)振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的常見(jiàn)幾種失效形式，探討失效原因，結(jié)合歷次改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，旨在為車(chē)載 LNG氣瓶振動(dòng)試驗(yàn)提供參考依據(jù)。

1 車(chē)載LNG氣瓶結(jié)構(gòu)介紹

車(chē)載LNG氣瓶是一種可以替代汽車(chē)油箱來(lái)盛裝、貯存、供給燃料（液化天然氣），并能自動(dòng)提供連續(xù)穩(wěn)定的燃料氣體的裝置。車(chē)載 LNG氣瓶供氣系統(tǒng)由氣瓶、框架、拉帶、外置氣化器、閥門(mén)及外部管路等零部件組成（見(jiàn)圖1），氣瓶由內(nèi)膽、外殼、絕熱結(jié)構(gòu)、支撐系統(tǒng)和剛性組件組成（見(jiàn)圖2）。氣瓶是可以多次重復(fù)充裝的低溫絕熱壓力容器，設(shè)計(jì)溫度≥‐196℃，設(shè)計(jì)壓力為 3.18 MPa，工作壓力為 0.2MPa～3.5MPa，使用環(huán)境溫度‐40℃～60℃。內(nèi)膽用來(lái)儲(chǔ)存液化天然氣，其外壁纏有多層絕熱材料，同時(shí)夾層（兩層容器之間的空間）被抽成高真空，共同形成良好的絕熱系統(tǒng)。外殼和內(nèi)膽之間主要由前后端支撐連接，形成剛性支撐。

圖1 車(chē)載LNG氣瓶供氣系統(tǒng)示意圖

圖2 車(chē)載LNG氣瓶結(jié)構(gòu)示意圖

2 振動(dòng)試驗(yàn)方法及評(píng)定要求

2.1 試驗(yàn)條件和目的

氣瓶中充裝與裝滿(mǎn) LNG等重的液氮，氣瓶處于完全冷卻狀態(tài)，壓力為0MPa（表壓），模擬氣瓶在汽車(chē)運(yùn)行條件下，給氣瓶施加5g的振動(dòng)加速度，使氣瓶在上下垂直方向（見(jiàn)圖3），按照表1規(guī)定的振動(dòng)頻率和時(shí)間加振，檢驗(yàn)氣瓶?jī)?nèi)膽與外殼的支撐結(jié)構(gòu)、管路系統(tǒng)等零部件的耐久性。

圖3 振動(dòng)試驗(yàn)示意圖

表1 振動(dòng)頻率與加振時(shí)間對(duì)照表

2.2 試驗(yàn)評(píng)定

試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足以下要求為合格：

a）振動(dòng)完畢后，任何部位不得出現(xiàn)泄漏；

b）振動(dòng)完畢后，靜置30 min以上氣瓶外殼不應(yīng)有結(jié)露或結(jié)霜現(xiàn)象（內(nèi)膽與外殼連接支撐部位除外）。

3 失效模式及原因分析

3.1 夾層中間管路泄露

氣瓶?jī)?nèi)膽與外部管路接口通過(guò)夾層管路連通，夾層中間管路一般包括充裝管路，用液管路，放空管路，增壓管路。夾層中間管路處夾層真空中，一旦出現(xiàn)失效將破壞氣瓶真空，導(dǎo)致氣瓶絕熱性能失效。充裝管路，用液管路和放空管路集中在前端支撐中，剛性支撐管對(duì)此三條管路具有支撐保護(hù)作用，強(qiáng)度失效較少，但由于試驗(yàn)過(guò)程需要充裝液氮，這些管路兩端溫差大，低溫冷縮會(huì)在管路中產(chǎn)生應(yīng)力，在多次振動(dòng)下，容易產(chǎn)生疲勞損壞。

振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中夾層中間管路泄露最常見(jiàn)的現(xiàn)象就是夾層增壓管路泄露，夾層增壓管獨(dú)立位于內(nèi)膽和外殼之間，試驗(yàn)過(guò)程中內(nèi)膽將會(huì)有相對(duì)于外殼的位移，對(duì)增壓管產(chǎn)生作用力，氣瓶經(jīng)歷不同頻率的振動(dòng)后，在增壓管兩端焊接部位很容易出現(xiàn)斷裂，導(dǎo)致氣瓶失真空。

3.2 支撐失效

連接外殼和內(nèi)膽之間的剛性支撐包括前端支撐和后端支撐。后端支撐結(jié)構(gòu)失效主要形式為支撐軸強(qiáng)度不足而引起的斷裂。

前端支撐失效大多數(shù)為支撐管之間連接焊縫及分配頭與外前封頭連接焊縫開(kāi)裂。支撐管失效后，夾層中間管路成為了內(nèi)膽前端的主要支撐，而夾層中間管路都為薄壁不銹鋼管，就很容易損壞。

分配頭與外前封頭連接的焊縫開(kāi)裂為大于 500L氣瓶試驗(yàn)主要失效模式，此種失效現(xiàn)象主要由于焊縫質(zhì)量缺陷，封頭強(qiáng)度不足和前后端支撐剛度不足而造成。

3.3 外部管路失效

外部管路失效最常見(jiàn)的是分配頭周?chē)鷥x表管路斷裂，斷裂原因主要是氣瓶振動(dòng)過(guò)程管路懸臂過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致疲勞斷裂。

3.4 緊固帶失效

氣瓶與框架之間用緊固帶固定，避免振動(dòng)過(guò)程氣瓶與框架之間產(chǎn)生不同步位移。緊固帶一般用鋼板和螺栓組成，試驗(yàn)過(guò)程失效最常見(jiàn)的為螺母松動(dòng)和螺栓斷裂。在緊固帶設(shè)計(jì)時(shí)，需校核螺栓強(qiáng)度及螺栓與緊固帶支架焊縫的強(qiáng)度。

4 注意事項(xiàng)和預(yù)防措施

4.1 提高氣瓶固有頻率通過(guò)試驗(yàn)總結(jié)出以下幾種措施

氣瓶在振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程容易在頻率 8～40Hz范圍內(nèi)出現(xiàn)波峰點(diǎn)，造成共振現(xiàn)象而破壞氣瓶結(jié)構(gòu)。為在振動(dòng)頻段內(nèi)避開(kāi)波峰點(diǎn)和減小振動(dòng)加速度放大量級(jí)倍數(shù)，需盡可能提高氣瓶固有頻率，通過(guò)試驗(yàn)總出以下幾種措施：

1）增強(qiáng)氣瓶的前后端支撐強(qiáng)度；

2）滿(mǎn)足裝配工藝要求的前提下，盡可能減小氣瓶零部件配合間隙；

3）氣瓶框架設(shè)計(jì)為整體結(jié)構(gòu)，緊固帶螺栓嚴(yán)格按照計(jì)算力矩預(yù)緊；

4）氣瓶框架與振動(dòng)臺(tái)面之間盡可能多設(shè)連接螺栓。

4.2 增加設(shè)計(jì)強(qiáng)度余量

在氣瓶支撐結(jié)構(gòu)、緊固帶和支撐受力焊縫設(shè)計(jì)過(guò)程，需考慮振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程振動(dòng)加速度量級(jí)的放大效應(yīng)，氣瓶強(qiáng)度計(jì)算選取1.6～2倍的安全系數(shù)為宜。

根據(jù)有限元分析及以往振動(dòng)試驗(yàn)總結(jié)，外封頭若選取4mm以下鋼板，外前封頭開(kāi)孔與分配頭連接方式選取補(bǔ)強(qiáng)板結(jié)構(gòu)比翻邊結(jié)構(gòu)可靠性更高。

4.3 夾層中間管設(shè)置補(bǔ)償結(jié)構(gòu)

中間管路設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮管路兩端溫差引起的伸縮量，設(shè)置折彎或大弧度的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。特別是增壓管路需在 X-Y-Z三個(gè)空間方向內(nèi)都要有能補(bǔ)償位移量的柔性結(jié)構(gòu)。

4.4 保證焊接質(zhì)量

氣瓶在制造過(guò)程中，需保證支撐結(jié)構(gòu)受力焊縫和外部管路焊縫的焊接質(zhì)量，避免出現(xiàn)咬邊，過(guò)熱及焊縫高度不足等焊接缺陷。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)車(chē)載 LNG氣瓶振動(dòng)試驗(yàn)要求及常見(jiàn)的失效模式，本文總結(jié)的各項(xiàng)預(yù)防措施，在產(chǎn)品試驗(yàn)中得以證明是有效可行的，為車(chē)載LNG氣瓶設(shè)計(jì)、試驗(yàn)提供了參考依據(jù)。