CNG氣瓶損傷在線監測平臺監測參數及位置研究

楊智榮,楊再明,高海波,陳祖志,林治國

(1. 中國特種設備檢測研究院 國家市場監管總局特種設備安全與節能重點實驗室，北京 100029;2. 武漢理工大學能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

0 引 言

在礦物能源枯竭的背景下，全球天然氣貿易活躍，市場越來越廣闊[1]。CNG罐車作為天然氣主流的運輸渠道具有成本低、操作簡單的特點[2]。但其具有較高的安全隱患，且大多由于氣瓶因腐蝕或老化所引發的事故。傳統方法是對氣瓶進行定期檢驗，但其檢驗流程復雜，且不能動態監測氣瓶的狀態。對此較多專家在無損檢測的基礎上，提出了在線監測，如文獻[3]介紹了超聲波檢測在高溫壓力容器在線監測上的應用，并提出應注意的問題和測試條件，文獻[4]也指出了壓力容器聲發射檢測的發展方向，即在線監測、聲發射信號的模式識別和人工神經網絡模式識別分析。然而大多方法都基于傳統的檢驗方法，因此其監測設備繁雜、監測參數復雜，并不適合監測移動式設備，因此高效的檢測及監測技術成為當前研究的重點。

中國特種設備檢測研究院聯合浙江大學、合肥通用機械等29家單位共同申報的“十三五”國家重點研發計劃“公共安全風險防控與應急技術裝備”專項項目“移動式承壓類特種設備風險防控與治理關鍵技術研究”，并提出移動式承壓設備風險監管平臺監測，可實時監測氣瓶運輸中的狀態，保證車輛安全性，本文主要針對其中氣瓶損傷監測內容進行研究，通過有限元方法，模擬氣瓶在運輸中的狀態，定量制造氣瓶損傷，監測氣瓶運輸中由于損傷導致的各參數變化，得出合適的監測參數，并結合了仿真結果、案例統計以及現場氣瓶水壓實驗結果得出合適的監測位置，為之后現場實驗以及平臺搭建做準備。

1 在線監測平臺

目前，由于智能傳感、物聯網等技術的發展，為壓力容器在線監測技術提供了新的監測方法。本文提出多傳感CGN氣瓶損傷在線監測平臺，其構成如圖1所示，主要包括數據采集模塊、診斷模塊、無線通信模塊以及電源模塊。其監測流程為：由傳感器采集氣瓶的特征參數，之后將數據傳輸到診斷模塊，通過對數據進行處理、融合以及診斷，最后通過無線通信模塊將診斷結果傳輸到移動設備。其主要采用多傳感網絡技術、多傳感信息融合技術以及數據處理等。

圖1 在線監測平臺架構示意圖

本文主要對數據采集模塊進行研究，選定合適的監測參數與位置，通過有限元數值仿真方法對氣瓶運輸過程中的狀況進行模擬分析，并分別對無損以及有損氣瓶進行特征參數監測，從多方面考慮，得到監測參數以及監測位置。

2 無損氣瓶數值仿真計算

對大容積無縫鋼瓶進行建模，分別對有損氣瓶以及無損氣瓶進行結構分析，得出氣瓶在給定靜力載荷作用下的響應[5]，主要包括結構分析、模態分析，為隨機振動仿真做準備。

2.1 無損氣瓶模型建立

本文以大容積無縫鋼瓶作為研究對象，其材料為4130X，材料性能如表1所示[6]。由于在運輸過程中，每個氣瓶相互獨立，所以只需對單獨氣瓶建模分析，其尺寸如圖2所示。通過Soildworks進行建模得出模型如圖3所示。

表1 4130X材料性能

圖2 長管拖車氣瓶（單位：mm）

圖3 氣瓶模型圖

2.2 模型結構分析

結構分析主要作用是確定氣瓶結構在給定靜力載荷下是否安全，其原理如下[7]：

式中：K——剛度系數矩陣；

x——位移矢量；

F——力矢量。

分析前需對模型進行網格劃分，本次劃分采用掃掠法生成單元為20節點的六面體單元（SOLID186），網格劃分結果如圖4所示。

圖4 部分網格劃分結果

設置邊界條件為：重力加速度（9.8 m /s2）、氣瓶內壓（20 MPa）、氣瓶兩端固定約束[8]。

由于氣瓶應存在氣閥，會在工作壓力下對瓶口產生軸向應力，為簡化模型將其直接等效為兩端瓶口表面軸向拉應力（-9.79 MPa）[9]。其中軸向拉應力計算公式如下：

式中：Ps——氣瓶內壓（20 MPa）；

Di——瓶口內直徑；

Do——瓶口外直徑。

最終得出通過網格無關性驗證[10]的結構分析結果如圖5所示，由于極限載荷判斷氣瓶結構失穩的主要評定標準，本次采用極限載荷法對氣瓶安全性進行評定[11]，由于氣瓶最大應力（537.18 MPa）未超過材料屈服極限657 MPa，說明在此載荷下氣瓶處于安全狀態。

圖5 結構分析應力云圖

3 有損氣瓶數值仿真計算

氣瓶的損傷類型大致分為10類，分別是裂紋、腐蝕、鼓包、凹陷、瓶口螺紋損傷、熱損傷、壁厚超標、熱損傷、硬度超標、其他缺陷（表面不平整、分層、結疤等）。根據氣瓶產生損傷的原因可將其歸為3類：在制造中產生的損傷、氣瓶在使用中的損傷以及其他損傷。對于制造中缺陷可以通過出廠時檢驗篩選出來，而使用中產生缺陷，只能通過定期檢驗得出，并不能保證氣瓶的安全性，因此本次在線監測平臺建立主要針對氣瓶運行中的損傷。

3.1 有損氣瓶模型建立

由GB 13004—1999《鋼質無縫氣瓶定期檢驗與評定》[12]可知氣瓶厚度是衡量氣瓶的重要因素，而且氣瓶損傷部位厚度低于最小允許壁厚（設計壁厚的95%）時則氣瓶報廢，所以部分有損氣瓶損傷參數如表2所示，其損傷等級范圍為0.1～1.87 mm。

表2 損傷等級

3.2 隨機振動仿真

對于長管拖車各部件來說，一般不會由于靜強度的問題而破壞的，其破壞往往是在行駛過程中由于動強度不足而破壞，或由于長期受到周期性載荷的作用而引起疲勞失效。結合長管拖車行駛的實際情況，更多的是動態載荷是由于路面凹凸不平所產生的隨機振動，因此本文模擬振動的方法是隨機振動仿真實驗，進而得出各參數與損傷程度的關系，并選出變化較為明顯的參數作為在線監測平臺的監測參數。

首先需確定隨機振動實驗激勵，對于車輛而言，行駛過程中主要產生兩類激勵，分別為離散事件激勵與路面隨機激勵，其中第二類表示各種等級的高速公路路面。結合長管拖車行駛的實際情況，本文采取隨機激勵。由文獻[13]可知，車輛隨機激勵一般由路面不平度的空間頻率位移功率譜密度表示。其計算式如下所示：

式中：n——空間頻率,m?1；是波長 λ的倒數，且0.011 m?1

Gq(n0)——參考空間頻率n0下的路面功率譜密度值，稱為路面不平度系數，其取值如表3所示；

表3 路面8級各路面不平度系數取值

w——頻率指數，取w=2。

由于長管拖車具有一定車速，所以需要將空間頻率功率譜密度Gq(n0)換算為時間頻率功率譜密度。時間頻率和空間頻率存在如下關系：

其中u為長管拖車的速度，根據式（3）進一步推導得

本次設定長管拖車以80 km/h(22.3 m/s) 的速度在B級路面上行駛，利用Matlab通過諧波疊加法[14]得出其功率譜密度作為隨機振動的激勵，如圖6所示。

圖6 B級路面功率譜密度

4 監測參數與位置選取

對于監測參數的選擇主要是通過隨機振動實驗，并監測氣瓶由于損傷導致的各參數變化，選擇較為明顯的參數作為監測參數。而監測位置的選擇主要結合仿真結果、案例分析以及氣瓶爆破實驗的結果進行分析，得出較為合適監測位置。

4.1 監測參數選取

得出隨機振動實驗的激勵后，對兩端固定約束輸入上述振動激勵，且X、Y、Z3個方向都加載B級路面的功率譜密度，對有損氣瓶損傷位置各參數進行監測，最終得出損傷位置的垂直加速度以及應力變化較為明顯，且與損傷等級成正比，其變化如圖7和圖8所示。

圖7 應力與損傷等級關系

圖8 垂直加速度與損傷等級關系

4.2 監測位置選擇

4.2.1 仿真結果

隨機振動實驗的應力云圖如圖9所示，從圖中可看出其最大應力點出現在瓶肩處，而且由圖10可看出，X、Y、Z方向最大變形也為瓶肩位置，所以可得出瓶肩處為缺陷多發位置。

圖9 等效應力云圖

圖10 等效變形云圖

4.2.2 案例統計

根據氣瓶的損傷類型，本文取較為常見的損傷進行分析，即裂紋與腐蝕。

表4是中國特種設備檢測研究院對氣瓶檢驗開裂部位的統計，可以看出裂紋在氣瓶的各個部位均有可能發生，但以筒體外表面和瓶頸內表面裂紋最為常見[15]。

表4 裂紋發生部位統計

除此之外，中國特檢院也收集了501個長管拖車氣瓶腐蝕案例，腐蝕嚴重的區域絕大多數都位于氣瓶下部靠近端部的地方，其中以靠近后端部的居多，也有靠近前端部的，也有同時在靠近兩端發生腐蝕的。通過檢驗發現氣瓶實測最小壁厚大多數位于端部瓶肩上或靠近瓶肩的部位，也有少數氣瓶的腐蝕區域位于氣瓶靠近中部某一位置處，少數氣瓶筒體整個內表面都發生了腐蝕[15]。

但一般情況下，氣瓶裂紋的產生主要在制造中生成，而氣瓶運輸中發生的減薄大多由于氣體腐蝕，所以將瓶肩作為損傷多發位置是合理的。

4.2.3 氣瓶爆破實驗

按照ISO 11439—2013[16]要求，對該規格氣瓶進行水壓實驗，以尋找氣瓶較為合適的監測位置，其升壓曲線如圖11所示，圖中有兩段15 min左右的保壓階段，氣瓶爆破前后如圖12所示。由圖12（a）可知此階段目的是為測試筒體與氣瓶瓶肩處的應變大小，以選擇合適的監測位置。從圖中可得出氣瓶屈服壓力為50 MPa左右，且其最終爆破壓力為59.45 MPa，其符合ISO11439—2013要求。

圖11 爆破實驗壓力曲線

圖12 氣瓶爆破前后

氣瓶最終爆破位置如圖12（b）所示，其位置在氣瓶筒體，雖氣瓶最終爆破位置不處于瓶肩位置，這是由于氣瓶瓶肩厚度（平均厚度18 mm左右）相比于筒體（17 mm）較厚，對瓶肩有抗壓能力有一定的加強，由表5可看出，保壓階段瓶肩的應變相比于筒體較大，可看出瓶肩應為易損傷區域，因此將瓶肩作為氣瓶損傷監測部分的監測位置是合理的。

表5 保壓階段應變

5 結束語

本文對長管拖車氣瓶損傷在線監測，提出較為合理的監測參數以及監測位置，分別對無損氣瓶以及損傷氣瓶進行數值仿真分析，以隨機振動實驗模擬氣瓶在運輸中的狀況，監測各參數的變化，得出當出現損傷時其損傷位置的等效應力與垂直加速度都有異常變化，且與損傷等級成正比的結論。而且其瓶肩與瓶口處的變形與應力較大，由于瓶口存在氣閥，監測難度較大，因此將瓶肩作為在線監測平臺的監測位置，為之后平臺搭建以及現場監測實驗做準備。