車載LNG氣瓶在振動(dòng)和沖擊載荷作用下的失效研究及風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施

楊樹斌，馬志鵬，李 蔚，夏 莉

(廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東 佛山 528251)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)日益重視，液化天然氣(Liquefied Natural Gas，簡(jiǎn)稱LNG)作為一種安全、清潔、經(jīng)濟(jì)、高效的燃料，具有熱值高、燃燒充分、價(jià)格低，運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性和安全性好等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。與燃油汽車相比較LNG汽車的有害氣體排放量可減少85%，綜合碳排放量可降低95%，噪聲可減少40%，特別是在PM2.5被納入空氣質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，LNG汽車的優(yōu)勢(shì)更加突出，其PM2.5的排放量比柴油汽車降低了90%以上。除此之外，LNG汽車不但適用于城市公交車，同時(shí)也適用于出租車，以及長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)拇笮拓涇嚭痛蟀汀Ｒ虼耍罅Πl(fā)展LNG汽車具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

近年來(lái)我國(guó)LNG汽車以年均20%以上的速度在增長(zhǎng)，目前已經(jīng)成為世界上最大的氣瓶制造、使用及出口國(guó)。車載LNG氣瓶是為L(zhǎng)NG汽車提供燃料貯存及自動(dòng)連續(xù)穩(wěn)定供給的主要設(shè)備，其研制開發(fā)為推廣和發(fā)展LNG汽車奠定了基礎(chǔ)，對(duì)節(jié)約能源、改善城市大氣質(zhì)量具有重要意義。車載LNG氣瓶的安全性能直接影響著LNG汽車的安全運(yùn)行，在車載LNG氣瓶實(shí)際使用過(guò)程中，它會(huì)隨著LNG汽車的顛簸、加速、減速及轉(zhuǎn)彎而發(fā)生振動(dòng)，特別是在山區(qū)、礦場(chǎng)等路面環(huán)境比較差的路況下，汽車在經(jīng)歷急剎車、路面凹坑等極端狀態(tài)時(shí)，由于瓶體自重以及內(nèi)部貯存液體的急劇晃動(dòng)而產(chǎn)生較大的振動(dòng)和沖擊。該振動(dòng)和沖擊載荷在某種工況下有可能對(duì)車載LNG氣瓶的結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的影響，有時(shí)導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)破壞，發(fā)生LNG泄漏，引發(fā)火災(zāi)爆炸事故。因此針對(duì)車載LNG氣瓶在振動(dòng)和沖擊工況下的失效模式研究并提出相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施具有十分重要的意義。

1 車載LNG氣瓶

1.1 車載LNG氣瓶發(fā)展

上世紀(jì)八十年代車載LNG氣瓶在美國(guó)、加拿大、德國(guó)、法國(guó)等世界發(fā)達(dá)國(guó)家開始研制，到上世紀(jì)九十年代車載LNG氣瓶技術(shù)在這些國(guó)家已趨成熟，并開始小規(guī)模推廣。目前國(guó)外車載LNG氣瓶的生產(chǎn)廠家主要有美國(guó)泰萊華頓公司和查特深冷工程系統(tǒng)有限公司，俄羅斯的JSC Cryo.genmash等。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著LNG技術(shù)的推廣，國(guó)內(nèi)低溫設(shè)備研究者和制造企業(yè)也加快了車載LNG氣瓶的研發(fā)步伐。2002年8月國(guó)內(nèi)首個(gè)55L車載LNG氣瓶試制成功，同樣在8月份，配備該規(guī)格型號(hào)的車載LNG氣瓶樣車順利通過(guò)國(guó)家重型汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢驗(yàn)。并且隨著車載LNG氣瓶技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，國(guó)內(nèi)先后頒布實(shí)施了《中華人民共和國(guó)特種設(shè)備安全法》、TSG08-2017《特種設(shè)備使用管理規(guī)則》、TSGR0006-2014《氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》、TSGR0009-2009《車用氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》、GB/T 34510-2017《汽車用液化天然氣氣瓶》、GB14193-2009《液化氣體氣瓶充裝規(guī)定》、TSGR7002-2009《氣瓶型式試驗(yàn)規(guī)則》、TSGRF0009-2009《氣瓶附件安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》等多部車載LNG氣瓶相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。到目前為止，國(guó)內(nèi)已有多家車載LNG氣瓶生產(chǎn)廠家，并且能夠生產(chǎn)各類規(guī)格型號(hào)的車載LNG氣瓶。

1.2 車載LNG氣瓶結(jié)構(gòu)

1-內(nèi)膽;2-支撐;3-外膽;4-管路;5-閥門;6-附件;7-絕熱層

圖1 某規(guī)格型號(hào)的車載LNG氣瓶結(jié)構(gòu)圖

車載LNG氣瓶作為L(zhǎng)NG汽車供氣系統(tǒng)的核心部件，是為L(zhǎng)NG汽車提供燃料貯存及自動(dòng)連續(xù)穩(wěn)定供給的重要設(shè)備。在無(wú)特殊要求的情況下，車載LNG氣瓶的結(jié)構(gòu)基本相同，均為臥式雙層圓筒結(jié)構(gòu)，圖1為某規(guī)格型號(hào)的車載LNG氣瓶結(jié)構(gòu)圖，主要包括內(nèi)膽、外膽、多層絕熱材料、支撐結(jié)構(gòu)、管路、閥門、附件等。內(nèi)外膽之間采用固定加滑移的連接方式，有效避免了溫差應(yīng)力對(duì)氣瓶結(jié)構(gòu)的影響。內(nèi)膽材料采用耐低溫的奧氏體不銹鋼(S30408)，貯存LNG和承受介質(zhì)的壓力及低溫，在內(nèi)膽外壁纏有一定層數(shù)的多層絕熱材料，可選用玻璃纖維、芳綸纖維或者碳纖維；外膽為內(nèi)膽的保護(hù)層，與內(nèi)膽之間保持一定間距，抽高真空形成絕熱空間，從而起到良好的保冷效果，有效降低LNG吸熱氣化，并且承受內(nèi)膽和介質(zhì)的重力荷載以及絕熱層的真空負(fù)壓。外殼不接觸低溫，但是由于外殼體積不大，用材不是很多，因此跟內(nèi)容器一樣，采用奧氏體不銹鋼制作。同時(shí)為防止氣瓶在使用過(guò)程中因超壓而出現(xiàn)危險(xiǎn)，設(shè)置高低壓兩級(jí)安全閥，并將安全閥的排放口置于車輛頂部。

2 振動(dòng)和沖擊載荷作用下車載LNG氣瓶失效研究存在的問(wèn)題

2.1 國(guó)標(biāo)對(duì)振動(dòng)和沖擊載荷作用下車載LNG氣瓶檢驗(yàn)規(guī)定

車載LNG氣瓶在生產(chǎn)完成后要進(jìn)行安全性能試驗(yàn)，GB/T 34510-2017《汽車用液化天然氣氣瓶》附錄A中的A.1和A.2分別對(duì)汽車用液化天然氣氣瓶安全性能試驗(yàn)項(xiàng)目及要求、方法及評(píng)定專門做了詳細(xì)規(guī)定，檢驗(yàn)振動(dòng)和沖擊對(duì)車載LNG氣瓶產(chǎn)生影響的有振動(dòng)和跌落這兩種試驗(yàn)，跌落試驗(yàn)又分為對(duì)管路系統(tǒng)端的3m高度跌落試驗(yàn)和對(duì)指定除管路系統(tǒng)端之外的最關(guān)鍵部位的10m高度跌落試驗(yàn)[3]。其中振動(dòng)試驗(yàn)主要是模擬檢驗(yàn)車載LNG氣瓶在運(yùn)行條件下內(nèi)外膽支撐結(jié)構(gòu)和管路等的耐久性；而跌落試驗(yàn)則是檢驗(yàn)車載LNG氣瓶在沖擊條件下的完整性。試驗(yàn)采用的試驗(yàn)介質(zhì)均為與裝滿LNG等質(zhì)量的液氮，并且氣瓶處于完全冷卻狀態(tài)[4-5]。試驗(yàn)過(guò)程中還對(duì)與振動(dòng)試驗(yàn)有關(guān)的振動(dòng)加速度、振動(dòng)方向、振動(dòng)頻率、加振時(shí)間等參數(shù)做了具體規(guī)定，均是定值；跌落試驗(yàn)過(guò)程中也對(duì)跌落平面、跌落高度等條件做了具體規(guī)定。但是在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，LNG汽車的加速、減速、顛簸、轉(zhuǎn)彎都等因素都是不確定的，且發(fā)生時(shí)情況也比較復(fù)雜，有可能是多個(gè)因素的共同作用。車載LNG氣瓶固定在LNG汽車上，隨著LNG汽車運(yùn)行條件的變化而發(fā)生復(fù)雜的振動(dòng)和沖擊情況。特別是在山區(qū)、礦場(chǎng)等路面環(huán)境比較差的路況下，車輛在經(jīng)歷急剎車、路面凹坑等狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生較大的振動(dòng)和沖擊載荷，對(duì)車載LNG氣瓶結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重影響。

2.2 相關(guān)學(xué)者對(duì)振動(dòng)和沖擊載荷作用下車載LNG氣瓶失效研究

車載LNG氣瓶發(fā)展過(guò)程中，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)它的研究主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、絕熱層保溫性能、供氣系統(tǒng)方面。由于車載LNG氣瓶在使用過(guò)程中受到來(lái)自路面顛簸，車輛加速、減速及轉(zhuǎn)彎，LNG晃動(dòng)等而發(fā)生振動(dòng)和沖擊，易造成氣瓶?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)的變形甚至失效，而目前針對(duì)振動(dòng)和沖擊載荷作用下的車載LNG氣瓶失效方面的研究相對(duì)較少。在實(shí)際研究過(guò)程中為了簡(jiǎn)化研究過(guò)程，降低研究問(wèn)題的復(fù)雜程度和難度，大多數(shù)對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行理想化處理。在假設(shè)其他條件不變的情況下只考慮單一因素引起的振動(dòng)和沖擊載荷對(duì)車載LNG氣瓶失效的影響。

目前，對(duì)振動(dòng)和沖擊載荷作用下的車載LNG氣瓶失效模式的研究方法，大多數(shù)采用數(shù)值模擬的方法，主要是對(duì)車載LNG氣瓶作結(jié)構(gòu)靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩方面的分析。靜力學(xué)分析主要是采用等效質(zhì)量法和等效載荷法，將介質(zhì)對(duì)瓶體的影響等效為靜載荷進(jìn)行分析，建立不同振動(dòng)加速度作用下的等效靜力學(xué)模型，分析計(jì)算氣瓶各關(guān)鍵部位的應(yīng)力分布規(guī)律以及氣瓶在振動(dòng)過(guò)程中易失效部位。動(dòng)力學(xué)分析在模態(tài)分析確定氣瓶結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)振型的基礎(chǔ)上，通過(guò)施加不同路況下的路面譜激勵(lì)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析，為了計(jì)算和分析的方便，在建立模型時(shí)基本上都對(duì)車載LNG氣瓶的實(shí)際結(jié)構(gòu)做了簡(jiǎn)化處理，往往忽略了管路及閥門對(duì)氣瓶的影響，但事實(shí)際證明車載LNG氣瓶在使用過(guò)程中管路連接部位失效時(shí)有發(fā)生。對(duì)邊界條件的處理及物理參數(shù)的設(shè)置經(jīng)常采用近視值，大多數(shù)用標(biāo)準(zhǔn)路面不平度激勵(lì)直接施加在氣瓶上，忽略了輪胎和車架等對(duì)激勵(lì)強(qiáng)度的衰減[6]；部分研究中考慮了車體對(duì)路面不平度激勵(lì)衰減，但僅運(yùn)用了經(jīng)驗(yàn)換算的方法；往往不施加車載LNG氣瓶部位實(shí)際受到的激勵(lì)，也不考慮汽車自身振動(dòng)對(duì)氣瓶的影響。因此，最終導(dǎo)致研究結(jié)果可信度不是很高，和實(shí)際有一定出入，不能很好的反映實(shí)際工況。

3 失效模式及風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施

根據(jù)車載LNG氣瓶的結(jié)構(gòu)，結(jié)合國(guó)標(biāo)對(duì)車載LNG氣瓶安全性能試驗(yàn)的規(guī)定以及國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)振動(dòng)和沖擊載荷作用下的失效模式研究，可知車載LNG氣瓶在振動(dòng)和沖擊載荷作用下的失效模式主要表現(xiàn)為外膽的變形失穩(wěn)、內(nèi)外膽之間夾層管路變形或者泄露失效、前后支撐失效、外部管路變形或者泄露失效[7-8]。

車載LNG氣瓶?jī)?nèi)膽受外膽的保護(hù)，在外部載荷不足夠大時(shí)，一般情況下不會(huì)引發(fā)氣瓶?jī)?nèi)膽變形失穩(wěn)，最有可能引發(fā)內(nèi)膽變形失效的就是LNG的沖擊載荷作用。內(nèi)外膽之間夾層管路是指從氣瓶?jī)?nèi)膽引出穿過(guò)內(nèi)外膽之間夾層到外膽外部的管路，一般包括充裝管、用液管、放空管和增壓管。一方面，這些管路一端與低溫LNG或低溫蒸發(fā)氣接觸，另一端與環(huán)境溫度接觸，兩端有很大的溫差，于是在溫差的作用下產(chǎn)生很強(qiáng)的應(yīng)力，經(jīng)過(guò)多次振動(dòng)和沖擊容易產(chǎn)生疲勞損壞；另一方面，這些管路固定在內(nèi)膽和外膽上，如果內(nèi)外膽發(fā)生相對(duì)位移，就會(huì)對(duì)這些管路產(chǎn)生作用力，在數(shù)次的振動(dòng)和沖擊作用下容易發(fā)生斷裂。前支撐失效主要表現(xiàn)為支撐管之間連接焊縫開裂，后支撐失效主要是強(qiáng)度不夠引起的斷裂。外部管路變形或者泄露失效是指儀表管路懸臂過(guò)長(zhǎng)，在振動(dòng)和沖擊過(guò)程中疲勞斷裂。

針對(duì)上述車載LNG氣瓶失效模式，可以通過(guò)對(duì)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(shè)計(jì)，提高氣瓶固有頻率；尤其是對(duì)容易失效的部位采用保守設(shè)計(jì)，增加其強(qiáng)度余量；對(duì)內(nèi)外膽之間夾層管路固定形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，或者采用金屬軟管替代；改進(jìn)焊接工藝和焊接方法，提高焊接質(zhì)量等措施來(lái)降低事故風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

我國(guó)已經(jīng)成為世界上車載LNG氣瓶最大的制造、使用及出口國(guó)，在實(shí)際使用過(guò)程中，車載LNG氣瓶會(huì)隨著LNG汽車的顛簸、加速、減速及轉(zhuǎn)彎而發(fā)生振動(dòng)和沖擊，有時(shí)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，嚴(yán)重影響氣瓶的安全運(yùn)行。目前專門針對(duì)振動(dòng)和沖擊載荷作用下的車載LNG氣瓶失效方面的研究相對(duì)較少，而且在現(xiàn)有的研究中大多數(shù)也僅采用數(shù)值模擬方法，對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行理想化處理，在建立模型時(shí)對(duì)車載LNG氣瓶結(jié)構(gòu)做了簡(jiǎn)化處理，假設(shè)其他條件不變，只考慮單一因素引起的振動(dòng)和沖擊載荷對(duì)車載LNG氣瓶失效的影響，導(dǎo)致研究結(jié)果和實(shí)際有一定出入，不能很好的反映實(shí)際情況。通過(guò)大量調(diào)研和分析研究可知車載LNG氣瓶在振動(dòng)和沖擊載荷作用下的失效模式主要表現(xiàn)為外膽的變形失效、內(nèi)外膽之間夾層管路變形或者泄露失效、前后支撐失效、外部管路變形或者泄露失效。針對(duì)這些失效模式，可以對(duì)車載LNG氣瓶零件自身和零件與零件之間連接形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高氣瓶固有頻率；尤其是對(duì)容易失效的部位采用保守設(shè)計(jì)，增加強(qiáng)度余量；對(duì)內(nèi)外膽之間夾層管路固定形式進(jìn)行優(yōu)化，或者采用金屬軟管替代；改進(jìn)焊接工藝和焊接方法，提高焊接質(zhì)量等措施，降低風(fēng)險(xiǎn)事故。