車載LNG氣瓶在振動和沖擊載荷作用下的失效研究及風(fēng)險應(yīng)對措施

楊樹斌，馬志鵬，李 蔚，夏 莉

(廣東省特種設(shè)備檢測研究院，廣東 佛山 528251)

隨著我國社會經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，國家對環(huán)境保護(hù)日益重視，液化天然氣(Liquefied Natural Gas，簡稱LNG)作為一種安全、清潔、經(jīng)濟、高效的燃料，具有熱值高、燃燒充分、價格低，運輸經(jīng)濟性和安全性好等優(yōu)點而得到了廣泛應(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)量檢測標(biāo)準(zhǔn)的情況下，LNG汽車的優(yōu)勢更加突出，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，同時也適用于出租車，以及長途運輸?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)實意義。

近年來我國LNG汽車以年均20%以上的速度在增長，目前已經(jīng)成為世界上最大的氣瓶制造、使用及出口國。車載LNG氣瓶是為LNG汽車提供燃料貯存及自動連續(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汽車的安全運行，在車載LNG氣瓶實際使用過程中，它會隨著LNG汽車的顛簸、加速、減速及轉(zhuǎn)彎而發(fā)生振動，特別是在山區(qū)、礦場等路面環(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，由于瓶體自重以及內(nèi)部貯存液體的急劇晃動而產(chǎn)生較大的振動和沖擊。該振動和沖擊載荷在某種工況下有可能對車載LNG氣瓶的結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的影響，有時導(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。因此針對車載LNG氣瓶在振動和沖擊工況下的失效模式研究并提出相應(yīng)的風(fēng)險應(yīng)對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、加拿大、德國、法國等世界發(fā)達(dá)國家開始研制，到上世紀(jì)九十年代車載LNG氣瓶技術(shù)在這些國家已趨成熟，并開始小規(guī)模推廣。目前國外車載LNG氣瓶的生產(chǎn)廠家主要有美國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月國內(nèi)首個55L車載LNG氣瓶試制成功，同樣在8月份，配備該規(guī)格型號的車載LNG氣瓶樣車順利通過國家重型汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢驗。并且隨著車載LNG氣瓶技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，國內(nèi)先后頒布實施了《中華人民共和國特種設(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)格型號的車載LNG氣瓶結(jié)構(gòu)圖

車載LNG氣瓶作為LNG汽車供氣系統(tǒng)的核心部件，是為LNG汽車提供燃料貯存及自動連續(xù)穩(wěn)定供給的重要設(shè)備。在無特殊要求的情況下，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。同時為防止氣瓶在使用過程中因超壓而出現(xiàn)危險，設(shè)置高低壓兩級安全閥，并將安全閥的排放口置于車輛頂部。

2 振動和沖擊載荷作用下車載LNG氣瓶失效研究存在的問題

2.1 國標(biāo)對振動和沖擊載荷作用下車載LNG氣瓶檢驗規(guī)定

車載LNG氣瓶在生產(chǎn)完成后要進(jìn)行安全性能試驗，GB/T 34510-2017《汽車用液化天然氣氣瓶》附錄A中的A.1和A.2分別對汽車用液化天然氣氣瓶安全性能試驗項目及要求、方法及評定專門做了詳細(xì)規(guī)定，檢驗振動和沖擊對車載LNG氣瓶產(chǎn)生影響的有振動和跌落這兩種試驗，跌落試驗又分為對管路系統(tǒng)端的3m高度跌落試驗和對指定除管路系統(tǒng)端之外的最關(guān)鍵部位的10m高度跌落試驗[3]。其中振動試驗主要是模擬檢驗車載LNG氣瓶在運行條件下內(nèi)外膽支撐結(jié)構(gòu)和管路等的耐久性；而跌落試驗則是檢驗車載LNG氣瓶在沖擊條件下的完整性。試驗采用的試驗介質(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]。試驗過程中還對與振動試驗有關(guān)的振動加速度、振動方向、振動頻率、加振時間等參數(shù)做了具體規(guī)定，均是定值；跌落試驗過程中也對跌落平面、跌落高度等條件做了具體規(guī)定。但是在實際運行過程中，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)生時情況也比較復(fù)雜，有可能是多個因素的共同作用。車載LNG氣瓶固定在LNG汽車上，隨著LNG汽車運行條件的變化而發(fā)生復(fù)雜的振動和沖擊情況。特別是在山區(qū)、礦場等路面環(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)時產(chǎn)生較大的振動和沖擊載荷，對車載LNG氣瓶結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重影響。

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

車載LNG氣瓶發(fā)展過程中，國內(nèi)外的學(xué)者對它的研究主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計、絕熱層保溫性能、供氣系統(tǒng)方面。由于車載LNG氣瓶在使用過程中受到來自路面顛簸，車輛加速、減速及轉(zhuǎn)彎，LNG晃動等而發(fā)生振動和沖擊，易造成氣瓶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變形甚至失效，而目前針對振動和沖擊載荷作用下的車載LNG氣瓶失效方面的研究相對較少。在實際研究過程中為了簡化研究過程，降低研究問題的復(fù)雜程度和難度，大多數(shù)對實際問題進(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和沖擊載荷對車載LNG氣瓶失效的影響。

目前，對振動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，主要是對車載LNG氣瓶作結(jié)構(gòu)靜力學(xué)和動力學(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)對瓶體的影響等效為靜載荷進(jìn)行分析，建立不同振動加速度作用下的等效靜力學(xué)模型，分析計算氣瓶各關(guān)鍵部位的應(yīng)力分布規(guī)律以及氣瓶在振動過程中易失效部位。動力學(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，通過施加不同路況下的路面譜激勵進(jìn)行隨機振動分析，為了計算和分析的方便，在建立模型時基本上都對車載LNG氣瓶的實際結(jié)構(gòu)做了簡化處理，往往忽略了管路及閥門對氣瓶的影響，但事實際證明車載LNG氣瓶在使用過程中管路連接部位失效時有發(fā)生。對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)路面不平度激勵直接施加在氣瓶上，忽略了輪胎和車架等對激勵強度的衰減[6]；部分研究中考慮了車體對路面不平度激勵衰減，但僅運用了經(jīng)驗換算的方法；往往不施加車載LNG氣瓶部位實際受到的激勵，也不考慮汽車自身振動對氣瓶的影響。因此，最終導(dǎo)致研究結(jié)果可信度不是很高，和實際有一定出入，不能很好的反映實際工況。

3 失效模式及風(fēng)險應(yīng)對措施

根據(jù)車載LNG氣瓶的結(jié)構(gòu)，結(jié)合國標(biāo)對車載LNG氣瓶安全性能試驗的規(guī)定以及國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對振動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氣瓶內(nèi)膽受外膽的保護(hù)，在外部載荷不足夠大時，一般情況下不會引發(fā)氣瓶內(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內(nèi)膽引出穿過內(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)生很強的應(yīng)力，經(jīng)過多次振動和沖擊容易產(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)生相對位移，就會對這些管路產(chǎn)生作用力，在數(shù)次的振動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長，在振動和沖擊過程中疲勞斷裂。

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(shè)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(shè)計，增加其強度余量；對內(nèi)外膽之間夾層管路固定形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，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)量等措施來降低事故風(fēng)險。

4 結(jié)論

我國已經(jīng)成為世界上車載LNG氣瓶最大的制造、使用及出口國，在實際使用過程中，車載LNG氣瓶會隨著LNG汽車的顛簸、加速、減速及轉(zhuǎn)彎而發(fā)生振動和沖擊，有時導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，嚴(yán)重影響氣瓶的安全運行。目前專門針對振動和沖擊載荷作用下的車載LNG氣瓶失效方面的研究相對較少，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，對實際問題進(jìn)行理想化處理，在建立模型時對車載LNG氣瓶結(jié)構(gòu)做了簡化處理，假設(shè)其他條件不變，只考慮單一因素引起的振動和沖擊載荷對車載LNG氣瓶失效的影響，導(dǎo)致研究結(jié)果和實際有一定出入，不能很好的反映實際情況。通過大量調(diào)研和分析研究可知車載LNG氣瓶在振動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。針對這些失效模式，可以對車載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，提高氣瓶固有頻率；尤其是對容易失效的部位采用保守設(shè)計，增加強度余量；對內(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)險事故。