汽車用大容積LNG氣瓶振動試驗典型失效案例匯總及分析

古純霖 陳祖志 朱 鳴 王 玲

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

天然氣作為一種環境友好、儲量豐富的能源，備受人們青睞[1]，這也促進了天然氣儲存容器的蓬勃發展，大容積車用LNG氣瓶即是近幾年新出現的天然氣儲存容器，目前已經廣泛生產使用[1]，其常見結構如圖1所示。在該類氣瓶型式試驗過程中發現，振動試驗通過率較低，給相關企業新產品研發造成了較大困難。本文通過匯總及分析從12家制造廠抽取的43只大容積車用LNG氣瓶振動試驗中出現的失效案例，對其設計制造提供了參考性意見。

圖1 大容積車用LNG氣瓶常見結構形式

1 振動試驗要求

目前國內廠家的大容積車用LNG氣瓶振動試驗的試驗要求已經統一，試驗要求如下[2]：

1.1 試驗條件

振動試驗前，氣瓶內裝滿與LNG等重的液氮，氣瓶處于完全冷卻狀態，壓力為0MPa（表壓）。連接到氣瓶上的管線、鞍座等部件作為振動試驗一部分。

1.2 試驗規程

1）振動加速度5g（5倍重力加速度）。

2）振動方向為上下垂直方向（見圖2）。

圖 2 振動試驗示意圖

3）振動試驗在8～40Hz范圍內掃頻，若發現在這一頻率范圍內有共振的，應更改氣瓶設計，重新進行振動試驗。

4）振動頻率的變動方法及加振時間，按照表1規定的振動頻率和時間加振。

表1 振動頻率與加振時間對照表

1.3 試驗評定

振動完畢后，任何部位不得出現泄漏；靜置30min以上氣瓶外殼不應有結露或結霜現象（內膽與外殼連接支撐部位除外）。

2 試驗結果分析

對12家制造廠生產的43只樣瓶進行了振動試驗，其中26只未通過試驗，失效模式主要有：1）前端分配頭與外殼封頭焊接處開裂；2）夾層增壓管與封頭連接處開裂；3）分配頭上接管斷裂；4）后端支撐棒斷裂；5）捆綁帶斷裂。每種失效模式所占比例見表2。

從試驗結果來看，主要失效模式為外前封頭與分配頭開裂以及分配頭上接管斷裂兩種，增壓管與封頭連接處開裂、后支撐棒斷裂以及捆綁帶斷裂案例較少。

表2 失效模式所占比例

2.1 外前封頭與分配頭焊縫開裂

圖3為典型的外前封頭與分配頭焊縫開裂的案例，通過解剖開裂處焊縫發現，失效原因主要有兩個：

1）焊縫未焊透。

由于外前封頭與分配頭連接處焊縫在標準中并未有無損檢測以及焊接工藝評定的要求，所以部分廠家對于該位置焊縫質量未進行控制，導致上述情況發生。

2）因為外前封頭壁厚偏小，未設計補強板，導致該位置抵抗交變載荷能力較差，最終開裂。

圖3 分配頭與封頭開裂圖例

2.2 分配頭上接管斷裂

圖4為典型的分配頭接管斷裂案例，從試驗結果來看，斷裂位置主要位于接管與分配頭或接管與管接頭連接位置的根部，這是由于接管與氣瓶之間的連接類似于懸臂梁，并且在振動過程中，由于接管相對氣瓶不規則擺動，造成接管上存在較大的交變應力，而接管與分配頭以及接頭與接管連接處存在應力集中現象，故應力較其他位置偏大，最終導致斷裂。

圖4 接管斷裂圖例

2.3 夾層增壓管與封頭連接處開裂

圖5為典型的增壓管管接頭與封頭焊縫處開焊案例，從試驗結果可知，開裂位置主要位于增壓管接頭與外前封頭及內前封頭連接處的角焊縫，此位置開裂主要原因也是由于應力集中以及管路振動帶來的交變扭矩導致疲勞造成的開裂。

圖5 增壓管與封頭焊接開裂圖例

2.4 后支撐棒斷裂

圖6為后支撐棒斷裂案例，該類案例出現頻率較小，從斷裂破口分析可知，這是由于支撐棒與外后封頭焊接位置焊接時線能量過大，產生熱裂紋，在振動時裂紋擴展，最終導致支撐棒斷裂。

圖6 支撐棒斷裂圖例

2.5 捆綁帶斷裂

圖7為捆綁帶斷裂案例，由于汽車用大容積液化天然氣氣瓶振動試驗的振動加速度較大，氣瓶本身質量較大，案例中采用的是單根螺柱，且螺柱與捆綁帶的連接相對活動，并未焊死，這樣在振動過程中，螺柱與連接位置會產生一定的沖擊載荷，最終導致開裂。

圖7 捆綁帶斷裂圖例

另外，振動過程中振動放大倍數過大也是產生失效的重要因素，當氣瓶本體的固有頻率與振動頻率接近時，將產生振動放大效應，這樣會使氣瓶承受更大的振動載荷，從而更容易使氣瓶失效。

3 改進措施

針對上述失效案例情況，建議在進行汽車用大容積液化天然氣氣瓶設計制造時應注意以下幾點：

3.1 設計完畢后對氣瓶進行頻譜分析

在氣瓶設計完畢后，建議對氣瓶進行共振頻率分析；[3]如果共振頻率離振動試驗頻率范圍較遠，則采用該設計，否則，應更改氣瓶結構尺寸，使其共振頻率遠離振動試驗的頻率區間。

3.2 外前封頭應設置補強板

目前外前封頭壁厚設計是根據外壓計算得到的，并未考慮到支撐載荷。對于大容積液化天然氣氣瓶，根據設計經驗，通過外壓載荷得到的設計壁厚并不能滿足振動試驗的要求，目前常采用的做法是在外前封頭分配頭周邊設置補強板。

3.3 外前封頭與分配頭的焊縫應進行焊接工藝評定

由于低溫瓶外殼承受的是外壓載荷，目前氣瓶制造標準中并未規定對外殼上的焊縫進行焊接工藝評定。但是，由于外前封頭與分配頭連接處是承載氣瓶的振動載荷的主要位置，存在較大的交變應力，另外該位置目前多設置補強板，焊接難度較大，焊接缺陷產生可能性較大，故建議對該焊縫進行焊接工藝評定，確定合適的焊接工藝。

3.4 管件或分配頭連接處應保證焊接質量

管件與分配頭連接處焊縫原則上應進行焊接工藝評定，焊接質量可以得到保證。但是實際生產過程中，該位置是人工焊接的，且由于位置原因，焊接時姿勢不容易擺正，所以焊接質量并不能得到很好保證，建議增加對該位置焊接的培訓及練習；同時應注重焊接后外表面成型，保證外表面圓滑過渡。

3.5 夾層增壓管與封頭焊接位置應進行焊接工藝評定

夾層增壓管兩端分別與內膽、外殼焊接，由于振動過程中內膽外殼會存在相對位移，故增壓管會因此產生內應力，另外由于增壓管本身振動也會產生交變應力，兩者疊加會使增壓管上存在較大的交變載荷。增壓管與內膽焊接要求較高，而與外殼焊接處是角焊縫連接，且不進行焊接工藝評定，故存在較大隱患，建議對該位置焊縫進行焊接工藝評定，且在施焊時應注意焊接質量。

3.6 后支撐棒與內膽焊縫應進行焊接工藝評定

后支撐棒與內膽焊縫屬于比較容易忽視的地方，此處出現問題的概率較小，但從氣瓶受力來看，此處氣瓶內膽支撐比較重要的位置，試驗中也出現了斷裂的現象，所以建議對該位置焊縫也進行焊接工藝評定。

3.7 捆綁帶與螺柱連接建議采用焊接方式，且最好采用雙排螺柱

由于大容積液化天然氣氣瓶振動時載荷較大，目前常采用的固定方式為捆綁帶與螺柱焊接，且采用兩根螺柱。此種固定方式目前尚未出現斷裂等問題。

4 結束語

汽車用大容積液化天然氣氣瓶的主要失效模式包含：1）前端分配頭與外殼封頭焊接處開裂；2）夾層增壓管與封頭連接處開裂；3）分配頭上接管斷裂；4）后端支撐棒斷裂；5）捆綁帶斷裂。其中前三種失效主要原因都是焊接質量未達到要求，通過進行焊接工藝評定，確定正確的焊接工藝，再輔助以一定的無損檢測后可以有效改善，后兩種失效方式主要是由于結構問題，通過增加補強板等設計，可避免類似案例發生。

[1]張麗華，劉永霞. 我國車用液化天然氣發展現狀及前景展望[J]. 中國石油企業，2012(07)：30-31.

[2]Q/320582SDY18—2015 汽車用大容積液化天然氣氣瓶[S].

[3]周天送. 車載低溫絕熱氣瓶抗振性能研究[D]. 大連：大連理工大學，2 016.