車載LNG氣瓶振動試驗常見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

在國家重拳治理大氣污染、強力推進節能減排、綠色循環低碳發展的戰略方針指導下，各地區都制定了保護環境和治理大氣污染的相關法規和措施，將建設綠色循環低碳交通運輸體系的可持續發展目標，明確提出了發展綠色交通的各項要求。天然氣作為當今世界的理想能源，使用天然氣是治理車輛污染的主要措施之一，因此天然氣車市場需求量逐年遞增。

車載 LNG氣瓶作為天然氣車燃料系統的核心部件，廣泛應用于重卡、牽引車、客車等天然氣車。隨著近年來車載LNG氣瓶行業發展，車載LNG氣瓶標準規范也在不斷完善，結合近年市場的運行情況，對車載 LNG氣瓶的安全性能試驗提出了更嚴格的要求，最新頒布的國家標準《汽車用液化天然氣氣瓶》GB/T34510以及氣瓶標準委員會規定的大于500L氣瓶企業標準中，都明確要求車載LNG氣瓶型式試驗中的振動試驗的加速度由原來的3g變為5g（5倍重力加速度），從而增加了車載LNG氣瓶振動試驗通過的難度。本文總結近年來振動試驗過程中出現的常見幾種失效形式，探討失效原因，結合歷次改進經驗，旨在為車載 LNG氣瓶振動試驗提供參考依據。

1 車載LNG氣瓶結構介紹

車載LNG氣瓶是一種可以替代汽車油箱來盛裝、貯存、供給燃料（液化天然氣），并能自動提供連續穩定的燃料氣體的裝置。車載 LNG氣瓶供氣系統由氣瓶、框架、拉帶、外置氣化器、閥門及外部管路等零部件組成（見圖1），氣瓶由內膽、外殼、絕熱結構、支撐系統和剛性組件組成（見圖2）。氣瓶是可以多次重復充裝的低溫絕熱壓力容器，設計溫度≥‐196℃，設計壓力為 3.18 MPa，工作壓力為 0.2MPa～3.5MPa，使用環境溫度‐40℃～60℃。內膽用來儲存液化天然氣，其外壁纏有多層絕熱材料，同時夾層（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。外殼和內膽之間主要由前后端支撐連接，形成剛性支撐。

圖1 車載LNG氣瓶供氣系統示意圖

圖2 車載LNG氣瓶結構示意圖

2 振動試驗方法及評定要求

2.1 試驗條件和目的

氣瓶中充裝與裝滿 LNG等重的液氮，氣瓶處于完全冷卻狀態，壓力為0MPa（表壓），模擬氣瓶在汽車運行條件下，給氣瓶施加5g的振動加速度，使氣瓶在上下垂直方向（見圖3），按照表1規定的振動頻率和時間加振，檢驗氣瓶內膽與外殼的支撐結構、管路系統等零部件的耐久性。

圖3 振動試驗示意圖

表1 振動頻率與加振時間對照表

2.2 試驗評定

試驗結果應同時滿足以下要求為合格：

a）振動完畢后，任何部位不得出現泄漏；

b）振動完畢后，靜置30 min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）。

3 失效模式及原因分析

3.1 夾層中間管路泄露

氣瓶內膽與外部管路接口通過夾層管路連通，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，一旦出現失效將破壞氣瓶真空，導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，剛性支撐管對此三條管路具有支撐保護作用，強度失效較少，但由于試驗過程需要充裝液氮，這些管路兩端溫差大，低溫冷縮會在管路中產生應力，在多次振動下，容易產生疲勞損壞。

振動試驗過程中夾層中間管路泄露最常見的現象就是夾層增壓管路泄露，夾層增壓管獨立位于內膽和外殼之間，試驗過程中內膽將會有相對于外殼的位移，對增壓管產生作用力，氣瓶經歷不同頻率的振動后，在增壓管兩端焊接部位很容易出現斷裂，導致氣瓶失真空。

3.2 支撐失效

連接外殼和內膽之間的剛性支撐包括前端支撐和后端支撐。后端支撐結構失效主要形式為支撐軸強度不足而引起的斷裂。

前端支撐失效大多數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。支撐管失效后，夾層中間管路成為了內膽前端的主要支撐，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裂為大于 500L氣瓶試驗主要失效模式，此種失效現象主要由于焊縫質量缺陷，封頭強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。

3.4 緊固帶失效

氣瓶與框架之間用緊固帶固定，避免振動過程氣瓶與框架之間產生不同步位移。緊固帶一般用鋼板和螺栓組成，試驗過程失效最常見的為螺母松動和螺栓斷裂。在緊固帶設計時，需校核螺栓強度及螺栓與緊固帶支架焊縫的強度。

4 注意事項和預防措施

4.1 提高氣瓶固有頻率通過試驗總結出以下幾種措施

氣瓶在振動試驗過程容易在頻率 8～40Hz范圍內出現波峰點，造成共振現象而破壞氣瓶結構。為在振動頻段內避開波峰點和減小振動加速度放大量級倍數，需盡可能提高氣瓶固有頻率，通過試驗總出以下幾種措施：

1）增強氣瓶的前后端支撐強度；

2）滿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）氣瓶框架設計為整體結構，緊固帶螺栓嚴格按照計算力矩預緊；

4）氣瓶框架與振動臺面之間盡可能多設連接螺栓。

4.2 增加設計強度余量

在氣瓶支撐結構、緊固帶和支撐受力焊縫設計過程，需考慮振動試驗過程振動加速度量級的放大效應，氣瓶強度計算選取1.6～2倍的安全系數為宜。

根據有限元分析及以往振動試驗總結，外封頭若選取4mm以下鋼板，外前封頭開孔與分配頭連接方式選取補強板結構比翻邊結構可靠性更高。

4.3 夾層中間管設置補償結構

中間管路設計時，需考慮管路兩端溫差引起的伸縮量，設置折彎或大弧度的補償結構。特別是增壓管路需在 X-Y-Z三個空間方向內都要有能補償位移量的柔性結構。

4.4 保證焊接質量

氣瓶在制造過程中，需保證支撐結構受力焊縫和外部管路焊縫的焊接質量，避免出現咬邊，過熱及焊縫高度不足等焊接缺陷。

5 結語

針對車載 LNG氣瓶振動試驗要求及常見的失效模式，本文總結的各項預防措施，在產品試驗中得以證明是有效可行的，為車載LNG氣瓶設計、試驗提供了參考依據。