CNG儲氣瓶開裂失效分析

摘 要：【目的】本文對CNG儲氣瓶的開裂故障進行了失效分析。文章給出了用戶在使用CNG儲氣瓶時避免出現失效情況的一些建議。另外，對CNG儲氣瓶厚度進行的超聲波測試和水壓試驗數據，可以用于以后的CNG儲氣瓶失效數值分析。【方法】用試驗調查的方法來確定裂紋產生和氣瓶開裂的原因；采用液體滲透的方法來檢查CNG儲氣瓶殼體上的表面破損缺陷和裂紋的位置；采用視覺檢查來確定殼體內表面的狀況，采用光學顯微鏡檢查裂紋，電子顯微鏡在適當的放大倍數下，能夠檢查并描述裂紋表面的精細微觀結構，裂紋表面的細微結構顯示了斷裂起始點的缺陷。最后用光譜分析儀確定了材料的化學成分。另外，還進行了力學性能測試。【結果】CNG儲氣瓶在水壓試驗期間發生故障，在低于試驗壓力的情況下，CNG儲氣瓶殼體上顯示有兩條裂紋，并出現了試驗液體泄漏的現象。【結論】根據所進行的測試結果，得到結論：壓力容器底部的過度腐蝕導致凹坑的形成，成為泄漏裂紋的起始點。

關鍵詞：CNG儲氣瓶；水壓試驗；泄露；失效；裂紋

中圖分類號：TE88" " "文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）02-0048-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.02.009

Cracking Failure Analysis of a CNG Cylinder

ZHANG Zhikui" " LIU Qinghua" " YANG Haiyu" " ZHAO Guofeng" " YANG Xueqian

（China Petroleum Engineering amp; Construction Corp. North China Company， Renqiu 062552， China）

Abstract： [Purposes] This paper makes cracking failure analysis of a CNG cylinder. Recommendations for avoidance of such scenario with the rest of the user's compressor cylinder were given. Besides， the ultrasonic test and hydraulic test data of the thickness of the CNG cylinder can be used for the numerical analysis of the failure CNG cylinder. [Methods] Experimental investigation methods were employed to determine possible causes of crack occurrence and vessel rupture. Liquid penetration inspection was performed to check for other surface-breaking defects on the shell and locations of the cracks. Visual examination revealed the condition of the internal surface of the shell. The crack was examined by an optical microscope. The electron microscope can examine and describe the fine microstructure of the crack surface at an appropriate magnification. The fine structure of the crack surface showed the defects at the starting point of the fracture. Finally， the chemical composition of the material was determined by spectral analyzer. In addition， the mechanical properties were tested. [Findings] Cylinder failed during hydraulic test. Under the condition that the test pressure was lower than the test pressure， two cracks were shown on the CNG cylinder shell， and the leakage of the test liquid occurred. [Conclusions] According to results obtained from performed investigations， it was concluded that excessive corrosion at the bottom part of the cylinder caused pits， which were served as initiation points for leakage cracks.

Keywords： CNG cylinders; hydraulic test; leakage; failure; crack

0 引言

壓縮天然氣（Compressed Natural Gas，CNG）儲氣瓶是用來儲存壓縮天然氣的高壓容器。CNG儲氣瓶具有環保、經濟和可靠等特點，因而被廣泛應用于加氣站儲氣系統。但是近年來，社會上出現了一些CNG儲氣瓶爆炸的危險事故，CNG儲氣瓶的安全性越來越受到大家的廣泛關注。由于CNG儲氣瓶的工作狀態為高壓且儲存介質具有易燃易爆的特性，因此CNG儲氣瓶的安全隱患很大［1-2］。近年來關于CNG儲氣瓶開裂失效的研究越來越多，不管是關于裂紋開裂的基礎理論還是檢測方法方面的研究都取得了一定的進展。Aleksi等［3-4］將有限元分析法應用于CNG儲氣瓶準靜態壓力下的裂紋擴展數值模擬。Benamara等［5-6］采用節點釋放法進行管道的裂紋擴展數值模擬。

對于CNG儲氣瓶檢測方法的研究也一直在進步，國內外已經出現了針對鋼管的在線超聲波檢測，如大管徑的環焊縫超聲檢測［7-8］。唐銳等［9-11］開發的基于計算機多通道的超聲波檢測系統，能夠通過PC機實現參數設置與數據采集。LI等［12-13］研發了鋼管檢測導波技術，已經應用于在役管線的普查檢測。張志魁等［14］利用聲發射特性對金屬材料拉伸斷裂過程進行了研究。

1 試驗設計

試驗主要的研究內容是CNG儲氣瓶的失效分析。圖1為試驗用CNG儲氣瓶，該儲氣瓶為某CNG加氣站儲氣系統正在使用的儲氣瓶。儲氣瓶的機械參數為：容積60 L，凈重21.3 kg，工作壓力8 Bar，試驗壓力13 Bar，總長820 mm，外徑306 mm，壁厚3 mm。

CNG儲氣瓶在水壓試驗過程中發生了故障，在儲氣瓶殼體上發現了兩條裂縫，并在儲氣瓶外壁觀察到了液體滲漏的情況。測試液體為潔凈水，水壓試驗過程中逐步升壓并保持試驗壓力 13 Bar。壓力傳感器用以監測壓力下降情況，并將信號上傳至計算機，并在顯示屏上顯示壓力損失。

為了確定可能的故障原因，進行了調查，獲取包括設計制造圖紙和維修檢查記錄在內的技術資料；進行無損檢測（NDT），采用超聲檢測獲取CNG儲氣瓶當前的壁厚數據；用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡進行觀察，獲取裂紋的微觀數據；最后在儲氣瓶上取樣，進行材料光譜分析和硬度檢測，驗證儲氣瓶的化學成分和力學性能。

2 試驗性失效分析

對外表面的目視檢查顯示后，發現在CNG儲氣瓶和支撐的接觸位置，有均勻分布的輕度表面腐蝕。此外，還注意到有零星的局部點蝕，如圖1所示。對于儲氣瓶內部，則使用檢查孔鏡，發現內表面有嚴重的均勻腐蝕，且伴有點狀腐蝕，如圖3所示。這種類型的缺陷對受壓部件的完整性構成了嚴重威脅，特別是當腐蝕與機械載荷結合在一起，并伴隨有交變載荷的情況下。

斷裂分析是失效描述和裂紋識別的主要分析方法。在圖4（b）中可以發現CNG儲氣瓶內表面存在嚴重的腐蝕，盡管進行了20倍的放大，但是在點蝕的位置仍然無法檢測到貫穿裂紋。使用掃描電子顯微鏡可以觀察到該CNG儲氣瓶的實際狀況。圖5的圖像顯示了裂紋的實際特征。掃描電子顯微鏡也可以測量裂紋的開口直徑，并進行記錄，以便在以后的數字分析中使用。

無損檢測是評估壓力容器狀況最有效的工具。本次為了確定CNG儲氣瓶厚度的變化，在CNG儲氣瓶進行切割之前，利用超聲波對CNG儲氣瓶的厚度進行了測量。測量的位置如圖6所示，測量結果見表1。

檢測結果表明CNG儲氣瓶的壁厚存在不同程度的減薄，在有些地方減薄的厚度甚至超過了名義壁厚的1/3。這些位置均位于CNG儲氣瓶底部且靠近下部的位置。

CNG儲氣瓶的化學成分用光譜分析儀測定見表2。

測試結果表明，CNG儲氣瓶的成分符合EN10028-2 grade P235GH（1.0345，ASTM A285）。EN10028-2是具有特定高溫性能的非合金和合金鋼板的規范。該儲氣瓶用鋼是一種非合金鋼，即使在高溫下也具有良好的塑性、韌性、冷彎和焊接性能。P235GH鋼主要用于壓力設備（鍋爐、換熱器、蒸汽管路和壓力容器），在化工、發電、化肥和食品等領域中都有廣泛的應用。

此外，對試樣還進行了硬度測試，平均硬度值為590 HV。根據硬度值得出最大拉伸強度為 σTS = 3.2 HV = 410.88 MPa。根據標準，對于鋼板厚度小于6 mm的最大抗拉強度為σTS=360～480 MPa，屈服強度為σYS=235 MPa。光譜分析和硬度測試試驗結果表明CNG儲氣瓶的化學成分和力學性能并沒有發生變化。因此，化學成分變化和力學性能改變并不是引起CNG儲氣瓶開裂失效的原因。

3 結論

對試驗結果進行分析，CNG儲氣瓶失效的根本原因可以歸納為對儲氣瓶沒有進行很好的維護（如定期排水、清洗、無損檢測），導致出現過多的點狀腐蝕，與機械載荷結合在一起，隨著周期性地充放氣，此時伴隨有交變載荷的情況下，最后就會在CNG儲氣瓶的外殼上出現多處損壞，以致在水壓試驗的試驗壓力遠沒有達到設定值的時候就出現了先漏后破的情況。最后對CNG儲氣瓶進行了簡單的工程評估，確定了CNG儲氣瓶的失效狀態。

為避免這種情況的發生，建議對剩余未損壞的容器進行充分維護，并采用適當的檢測技術進行檢測。另外，對于已經損壞的CNG儲氣瓶，建議用復合材料進行修補，因為多層設計可以降低腐蝕發生率，而且復合材料已被證明是一種可靠的受壓部件材料。復合材料貼片需要在其長度、厚度和方向等方面進行優化。此外，還需要進行長期測試，以確保修復技術的可持續性。

另外，對CNG儲氣瓶厚度進行的超聲波測試和水壓試驗數據，可以用于以后的CNG儲氣瓶失效數值分析。

參考文獻：

［1］李桐，金明哲，駱輝，等. 拖車氣瓶材料受火后性能及組織分析［J］.壓力容器，2021，38（11）：18-25.

［2］陳杰，李求進，吳宗之. 100 起 CNG 加氣站事故的統計分析及對策研究［J］. 中國安全生產科學技術，2009，5（1）：71-75.

［3］ALEKSI B， GRBOVI A， MILOVI L， et al. Numerical simulation of fatigue crack propagation： a case study of defected steam pipeline［J］. Engineering Failure Analysis， 2019， 106： 104165.

［4］DOLBOW J， MO?S N， BELYTSCHKO T. Discontinuous enrichment in finite elements with a partition of unity method［J］. Finite Elements in Analysis and Design， 2000， 36（3/4）： 235-260.

［5］BENAMARA M， PLUVINAGE G， CAPELLE J， AZARI Z. Influence yield stress on arrest pressure in pipe predicted by CTOA［J］. Procedia Structural Integrity， 2016， 2： 3337-3344.

［6］馮耀榮，莊茁，莊傳晶，等. 裂紋尖端張開角及在輸氣管線止裂預測中的應用［J］.石油學報，2003，24（4）：99-102，107.

［7］張曉黎，陳冰.大口徑管道環焊縫相控陣超聲波自動檢測系統［J］.電氣自動化，2004，26（1）：49-51.

［8］夏欣，畢向東，張宏磊，等.大口徑管道對接環焊縫相控陣超聲檢測系統的研制［J］.無損檢測，2005，27（10）：518-521．

［9］張祺，文廣，唐銳，等.基于PC的水浸式全數字化多通道自動超聲波探傷系統［J］.中國測試，2014（5）：84-87．

［10］李政，羅飛路，鄒毅.基于PC機的多通道超聲波探傷系統［J］.無損檢測，2009，31（1）：17-19．

［11］高光旭，胡建華，李久營，等.分布式多通道超聲波探傷系統的研制［J］.無損檢測，2009，31（7）：580-584．

［12］LI J， ROSE J L. Guided wave testing of containment structures ［J］. Materials Evaluation，2001，59（6）：783-787．

［13］LI J， ROSE R L. Excitation and propagation of nonaxisymmetric guided waves in a hollow cylinder ［J］. Journal of the Acoustical Society of America， 2001，109（2）：457-464.

［14］張志魁，石健，熊尉伶，等.金屬材料拉伸斷裂過程中的聲發射特性研究［J］.熱加工工藝，2016，45（6）：42-47．