公交車載LNG焊接絕熱氣瓶定期檢驗中的振動研究

龐慕妮 楊寧祥 謝小娟 叢成龍

摘要：介紹了公交車載LNG焊接絕熱氣瓶定期檢驗法規(guī)和標準的現(xiàn)狀，闡述了焊接絕熱氣瓶的檢驗檢測研究進展，從三個方面分析了公交車載LNG焊接絕熱氣瓶振動研究對定期檢驗的質(zhì)量提升作用，并對公交車載LNG焊接絕熱氣瓶行業(yè)發(fā)展提出了建議。

關(guān)鍵詞：公交 LNG 焊接絕熱氣瓶 定期檢驗 振動

Abstract： This paper introduces the status quo of regulations and standards for periodic inspection of welded insulated gas cylinders carried by LNG on buses， and expounds the research progress in inspection and inspection of welded insulated gas cylinders. This paper analyzes the effect of vibration study of LNG welded insulated gas cylinders on bus on improving the quality of periodic inspection， and puts forward some suggestions on the development of LNG welded insulated gas cylinders on bus.

Key words： bus， liquified natural gas， welded insulated cylinders， periodic inspection， vibration

液化天然氣（liquified natural gas，LNG）具有熱值高、燃燒充分、排放環(huán)保、國內(nèi)儲存豐富、價格低、運輸經(jīng)濟等眾多優(yōu)點，是我國大力推廣的一種新型能源。近年來，全國多地開始推廣使用LNG公交、LNG出租車。作為存儲LNG的壓力容器，車載LNG焊接絕熱氣瓶的安全性能受到了社會各界的廣泛關(guān)注。車載LNG焊接絕熱氣瓶作為一種特殊的移動式壓力容器，其結(jié)構(gòu)特殊，工作環(huán)境復雜，長期受到運行振動的影響，其定期檢驗尤為關(guān)鍵。

1 車載LNG焊接絕熱氣瓶定期檢驗法規(guī)和標準現(xiàn)狀

TSG R0009—2009《車用氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定，車用氣瓶的定期檢驗周期、檢驗項目和評定要求等，應符合有關(guān)安全技術(shù)規(guī)范及其相關(guān)標準或者地方標準的規(guī)定。暫時沒有標準時，檢驗機構(gòu)可以參照相應氣瓶的地方標準或者經(jīng)過技術(shù)評審的企業(yè)標準制定檢驗方案。TSG R0006—2014《氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定，車用焊接絕熱氣瓶每3年檢驗一次。檢驗或者使用中發(fā)現(xiàn)存在影響絕熱性能等問題時，應當送到具有相應資質(zhì)的制造單位或者原制造單位委托的單位進行維護或者修理。GB 24159—2009《焊接絕熱氣瓶》規(guī)定了焊接絕熱氣瓶的定義、符號、型式、基本參數(shù)、材料、設計、制造、試驗方法、檢驗規(guī)則、標志、包裝、運輸、存放等要求，但未對定期檢驗做出規(guī)定。按照地方標準的備案日期先后排序，云南省、湖北省、天津市、福建省、上海市、陜西省、四川省、吉林省、河北省、北京市、陜西省、新疆維吾爾自治區(qū)先后發(fā)布實施了焊接絕熱氣瓶或車用LNG焊接絕熱氣瓶定期檢驗的地方標準，用于開展定期檢驗。但由于檢驗實施困難，僅有部分省份推動了車用LNG焊接絕熱氣瓶的定期檢驗。GB/T 18443.1～18443.10—2010《真空絕熱深冷設備性能試驗方法》規(guī)定了低溫絕熱壓力容器性能測試方法的基本要求、真空度測量、漏率測量、漏放氣速率測量、靜態(tài)蒸發(fā)率測量、漏熱量測量、維持時間測量、容積測量。由此可以看出，車用焊接絕熱氣瓶在設計、制造、出廠檢驗等環(huán)節(jié)的法規(guī)規(guī)程、國家標準相對完善，具有較強的可實施性。但是在定期檢驗環(huán)節(jié)，車用焊接絕熱氣瓶法規(guī)規(guī)程、國家標準并不完善，檢驗的主要依據(jù)為各地的地方標準，全國的車用焊接絕熱氣瓶的定期檢驗尺度不統(tǒng)一。

2 焊接絕熱氣瓶的檢驗檢測研究進展

焊接絕熱氣瓶定期檢驗大約從2012年開始，逐漸在全國各省開展，部分省份依據(jù)當?shù)氐牡胤綐藴?，部分依?jù)自定的企業(yè)標準。福州大學化學與化工學院、福建省特種設備檢驗院劉康林等[1]開展了焊接絕熱氣瓶定期檢驗，認為焊接絕熱氣瓶的蒸發(fā)率可根據(jù)液氮在靜置期間的重量變化，利用線性預測模型予以有效預測;熱成像法可以實現(xiàn)對焊接絕熱氣瓶絕熱性能、泄漏和破損的綜合檢測;在液氮冷沖擊疲勞作用下， 焊接絕熱氣瓶內(nèi)膽焊縫處可產(chǎn)生微觀裂紋，但對內(nèi)膽的安全運行不構(gòu)成危害;開發(fā)的焊接絕熱氣瓶絕熱性能檢測與信息系統(tǒng)，能提高檢驗效率。成都郫縣南方燃氣汽車檢測公司宋茂鮮等[2]，開展了車用LNG 焊接絕熱氣瓶定期檢驗，提出了9項建議，包括氣瓶應拆卸檢驗;可拆附件應拆卸檢驗;用氮氣做氣密性試驗;不需要抽真空處理和真空度測量;不需要漏率檢測;不需要做氣壓試驗;應重點注意檢查附件裂紋、氣瓶和附件螺紋損傷、壓力表和安全閥檢驗，以及氣瓶分配頭焊縫、附件、氣瓶與附件連接處的泄漏情況;應注意氣瓶日常檢查維護保養(yǎng);應提升氣瓶本身質(zhì)量與售后服務質(zhì)量。成都市特種設備檢驗院邱元蒞等[3]，定期檢驗發(fā)現(xiàn)氣瓶的主要問題是連接件如彎頭、閥體、連接螺帽、卡套等銅件發(fā)生裂紋，連接部位泄漏。福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院江仰春[4]，依據(jù)其福建省鍋檢院的院標，開展了低溫焊接絕熱氣瓶定期檢驗，重點闡述了檢驗項目、檢驗儀器、檢驗準備、檢驗過程、檢驗后續(xù)處理，檢驗過程介紹詳細，有重要借鑒意義。天津市特種設備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院黃小宇等[5]，開展了車載液化天然氣氣瓶定期檢驗，對開展該項工作存在的困難進行了總結(jié)，工作推進困難的主要原因包括：定期檢驗的法規(guī)規(guī)程和國家標準未制定;制造指標、檢驗指標和評定指標存在較大差異，難以用制造指標評定定期檢驗發(fā)現(xiàn)的問題。張建斌、彭浩、黃小宇等[6-12]，研究了車用焊接絕熱氣瓶絕熱性能（靜態(tài)蒸發(fā)率）檢測方法和檢測裝置，為該重要項目的定期檢驗提供了多種方案。

3 公交車載LNG焊接絕熱氣瓶的振動研究

目前在用的公交車載低溫絕熱氣瓶公稱容積在500L～800L，正在研究設計的有公稱容積為1200L～1500L的氣瓶，用在重型卡車等。公交車載LNG焊接絕熱氣瓶具有容積大、持續(xù)使用時間長、使用工況與運行軌跡有聯(lián)系等特點，其主要失效為振動引起的部件損壞等失效，因此，LNG氣瓶必須具有良好的抗振性能。公交車載LNG焊接絕熱氣瓶的振動研究主要有： 振動分析設計與模擬，振動試驗，失效分析與改進三個方面。

3.1 振動分析設計與模擬

車載氣瓶的分析設計與模擬主要包括兩個方面：1）車載狀況下的氣瓶各結(jié)構(gòu)的應力分布分析;2）車載狀況下的氣瓶各結(jié)構(gòu)振動分析。

氣瓶結(jié)構(gòu)的應力分布設計主要采用ANSYS等有限元軟件，計算不同工況下氣瓶的各結(jié)構(gòu)部位的最大應力值，避免超過最大允許應力而失效，可為氣瓶結(jié)構(gòu)設計、氣瓶管路布局、氣瓶材料選擇、附件連接結(jié)構(gòu)選擇提供參考。

氣瓶振動分析設計與模擬主要采用ANSYS等有限元軟件，計算不同工況氣瓶固有頻率、共振頻率，優(yōu)化設計，防止共振，讓車載氣瓶的使用安全性能更高。振動分析因素的主要研究方向包括：不同路況的振動影響分析（加減速、急剎車、急轉(zhuǎn)彎），發(fā)動機振動影響分析，不同形狀和結(jié)構(gòu)氣瓶的振動影響分析，容積、長度、充裝量對氣瓶的振動影響分析。

通過氣瓶振動分析設計與模擬，可以選擇最優(yōu)的氣瓶結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)用于振動試驗的氣瓶樣品。分析設計與模擬的結(jié)構(gòu)會直接影響振動試驗樣品的合格率。

3.2 抗振性能試驗

LNG氣瓶都是通過振動試驗項目來驗證氣瓶的抗振性能。國家標準GB/T 34510—2017《汽車用液化天然氣氣瓶》中規(guī)定的振動試驗項目是模擬檢驗氣瓶在汽車運行條件下，內(nèi)膽與外殼的支撐結(jié)構(gòu)、管路系統(tǒng)等附件的耐久性。振動試驗前氣瓶中充裝與裝滿LNG等重量的液氮，氣瓶處于完全冷卻狀態(tài)，壓力為0MPa（表壓）。振動加速度3g（3倍重力加速度），振動方向為上下垂直方向。振動試驗在8Hz～40Hz范圍掃頻，若發(fā)現(xiàn)在這一頻率范圍內(nèi)有共振，應更改氣瓶設計，重新進行振動試驗。試驗結(jié)果必須同時滿足以下要求為合格：a）振動完畢后，任何部位不得出現(xiàn)泄漏;b）振動完畢靜置30min以上，氣瓶外殼不應有結(jié)露或結(jié)霜現(xiàn)象（內(nèi)膽與外殼連接支撐部位除外）。

振動試驗的主要失效模式包括：夾層中間管路泄漏、前后支撐失效、外部連接管路失效 [13]。夾層中間管路位于內(nèi)膽與外殼之間，試驗過程中內(nèi)膽將會有相對于外殼的位移，氣瓶在不同頻率的振動后，在管路兩端焊接部位很容易出現(xiàn)斷裂。連接內(nèi)膽與外殼之間的剛性支撐包括前端支撐和后端支撐。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裂。后端支撐結(jié)構(gòu)失效主要形式為支撐軸強度不足而引起的斷裂。外部管路失效最常見的是分配頭周圍儀表管路斷裂，斷裂原因主要是氣瓶振動過程管路懸臂過長而導致疲勞斷裂。

針對上述車載LNG氣瓶失效模式，可以通過對車載LNG氣瓶零件自身和零件與零件之間連接形式的優(yōu)化設計，提高氣瓶固有頻率; 尤其是對容易失效的部位采用保守設計，增加其強度余量;對內(nèi)膽與外殼之間夾層管路固定形式進行優(yōu)化設計，或者采用金屬軟管替代; 改進焊接工藝和焊接方法，提高焊接質(zhì)量等措施來降低事故風險。

3.3 失效分析與改進

車載LNG氣瓶在振動和沖擊載荷作用下，定期檢驗時發(fā)現(xiàn)的失效模式主要表現(xiàn)為氣瓶固定裝置損壞、外膽的變形磨損、氣瓶附件裂紋或泄漏、氣瓶附件連接部位螺紋損傷。LNG氣瓶內(nèi)膽受到外膽的保護，振動和沖擊一般對內(nèi)膽沒有太大影響。外膽由于受到上下振動、平移、滑動等各向力，可能造成氣瓶固定裝置損壞，外膽與固定裝置、車架部位發(fā)生摩擦造成外膽變形磨損，定期檢驗發(fā)現(xiàn)該項問題時，應對變形磨損部位進行表面無損檢測。附件裂紋或泄漏主要原因是附件在氣體交變載荷作用下，經(jīng)過一段時間后，在局部高應力區(qū)形成細小的疲勞裂紋，再由細小疲勞裂紋擴展成為可見的疲勞裂紋。氣瓶附件連接部位螺紋損傷主要是因為安裝附件時預緊力過大，在振動作用下，造成螺紋損傷。

針對上述車載LNG氣瓶失效模式，可以通過對安裝過程監(jiān)督、零部件連接優(yōu)化設計、材料選用優(yōu)化等方法減少使用過程振動對氣瓶的影響，提升氣瓶實用的安全性能。

4 結(jié)束語

汽車的主要動力能源為汽油、天然氣、電。汽油的使用存在石油枯竭、汽車尾氣不環(huán)保等問題;電動車暫時解決不了充電時間問題。而天然氣蘊藏豐富，LNG公交汽車將在較長一段時間內(nèi)普遍使用。隨著時間的推移，部分車載LNG焊接絕熱氣瓶使用年限較長，如何排除運行過程中的隱患，解決振動造成的氣瓶損傷，需要從設計、試驗、安裝、定期檢驗多方面著手，提高氣瓶的安全性能。如何設計容量更大，使用時間更長的公交車載LNG焊接絕熱氣瓶，是重要研究課題之一;定期檢驗中如何開展不拆卸檢驗，提高氣瓶安全性能、節(jié)約檢驗成本，是另一項重要的研究課題。

參考文獻

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