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(jìn)行了失效分析。文章給出了用戶在使用CNG儲氣瓶時(shí)避免出現(xiàn)失效情況的一些建議。另外，對CNG儲氣瓶厚度進(jìn)行的超聲波測試和水壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以用于以后的CNG儲氣瓶失效數(shù)值分析。【方法】用試驗(yàn)調(diào)查的方法來確定裂紋產(chǎn)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(nèi)表面的狀況，采用光學(xué)顯微鏡檢查裂紋，電子顯微鏡在適當(dāng)?shù)姆糯蟊稊?shù)下，能夠檢查并描述裂紋表面的精細(xì)微觀結(jié)構(gòu)，裂紋表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)顯示了斷裂起始點(diǎn)的缺陷。最后用光譜分析儀確定了材料的化學(xué)成分。另外，還進(jìn)行了力學(xué)性能測試?！窘Y(jié)果】CNG儲氣瓶在水壓試驗(yàn)期間發(fā)生故障，在低于試驗(yàn)壓力的情況下，CNG儲氣瓶殼體上顯示有兩條裂紋，并出現(xiàn)了試驗(yàn)液體泄漏的現(xiàn)象?！窘Y(jié)論】根據(jù)所進(jìn)行的測試結(jié)果，得到結(jié)論：壓力容器底部的過度腐蝕導(dǎo)致凹坑的形成，成為泄漏裂紋的起始點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：CNG儲氣瓶；水壓試驗(yàn)；泄露；失效；裂紋

中圖分類號：TE88" " "文獻(xiàn)標(biāo)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(huán)保、經(jīng)濟(jì)和可靠等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于加氣站儲氣系統(tǒng)。但是近年來，社會上出現(xiàn)了一些CNG儲氣瓶爆炸的危險(xiǎn)事故，CNG儲氣瓶的安全性越來越受到大家的廣泛關(guān)注。由于CNG儲氣瓶的工作狀態(tài)為高壓且儲存介質(zhì)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(guān)于CNG儲氣瓶開裂失效的研究越來越多，不管是關(guān)于裂紋開裂的基礎(chǔ)理論還是檢測方法方面的研究都取得了一定的進(jìn)展。Aleksi等［3-4］將有限元分析法應(yīng)用于CNG儲氣瓶準(zhǔn)靜態(tài)壓力下的裂紋擴(kuò)展數(shù)值模擬。Benamara等［5-6］采用節(jié)點(diǎn)釋放法進(jìn)行管道的裂紋擴(kuò)展數(shù)值模擬。

對于CNG儲氣瓶檢測方法的研究也一直在進(jìn)步，國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了針對鋼管的在線超聲波檢測，如大管徑的環(huán)焊縫超聲檢測［7-8］。唐銳等［9-11］開發(fā)的基于計(jì)算機(jī)多通道的超聲波檢測系統(tǒng)，能夠通過PC機(jī)實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置與數(shù)據(jù)采集。LI等［12-13］研發(fā)了鋼管檢測導(dǎo)波技術(shù)，已經(jīng)應(yīng)用于在役管線的普查檢測。張志魁等［14］利用聲發(fā)射特性對金屬材料拉伸斷裂過程進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)主要的研究內(nèi)容是CNG儲氣瓶的失效分析。圖1為試驗(yàn)用CNG儲氣瓶，該儲氣瓶為某CNG加氣站儲氣系統(tǒng)正在使用的儲氣瓶。儲氣瓶的機(jī)械參數(shù)為：容積60 L，凈重21.3 kg，工作壓力8 Bar，試驗(yàn)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(yàn)過程中發(fā)生了故障，在儲氣瓶殼體上發(fā)現(xiàn)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(yàn)過程中逐步升壓并保持試驗(yàn)壓力 13 Bar。壓力傳感器用以監(jiān)測壓力下降情況，并將信號上傳至計(jì)算機(jī)，并在顯示屏上顯示壓力損失。

為了確定可能的故障原因，進(jìn)行了調(diào)查，獲取包括設(shè)計(jì)制造圖紙和維修檢查記錄在內(nèi)的技術(shù)資料；進(jìn)行無損檢測（NDT），采用超聲檢測獲取CNG儲氣瓶當(dāng)前的壁厚數(shù)據(jù)；用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察，獲取裂紋的微觀數(shù)據(jù)；最后在儲氣瓶上取樣，進(jìn)行材料光譜分析和硬度檢測，驗(yàn)證儲氣瓶的化學(xué)成分和力學(xué)性能。

2 試驗(yàn)性失效分析

對外表面的目視檢查顯示后，發(fā)現(xiàn)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(diǎn)蝕，如圖1所示。對于儲氣瓶內(nèi)部，則使用檢查孔鏡，發(fā)現(xiàn)內(nèi)表面有嚴(yán)重的均勻腐蝕，且伴有點(diǎn)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(gòu)成了嚴(yán)重威脅，特別是當(dāng)腐蝕與機(jī)械載荷結(jié)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(fā)現(xiàn)CNG儲氣瓶內(nèi)表面存在嚴(yán)重的腐蝕，盡管進(jìn)行了20倍的放大，但是在點(diǎn)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(shí)際狀況。圖5的圖像顯示了裂紋的實(shí)際特征。掃描電子顯微鏡也可以測量裂紋的開口直徑，并進(jìn)行記錄，以便在以后的數(shù)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(jìn)行切割之前，利用超聲波對CNG儲氣瓶的厚度進(jìn)行了測量。測量的位置如圖6所示，測量結(jié)果見表1。

檢測結(jié)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(xué)成分用光譜分析儀測定見表2。

測試結(jié)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(guī)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(shè)備（鍋爐、換熱器、蒸汽管路和壓力容器），在化工、發(fā)電、化肥和食品等領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用。

此外，對試樣還進(jìn)行了硬度測試，平均硬度值為590 HV。根據(jù)硬度值得出最大拉伸強(qiáng)度為 σTS = 3.2 HV = 410.88 MPa。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，對于鋼板厚度小于6 mm的最大抗拉強(qiáng)度為σTS=360～480 MPa，屈服強(qiáng)度為σYS=235 MPa。光譜分析和硬度測試試驗(yàn)結(jié)果表明CNG儲氣瓶的化學(xué)成分和力學(xué)性能并沒有發(fā)生變化。因此，化學(xué)成分變化和力學(xué)性能改變并不是引起CNG儲氣瓶開裂失效的原因。

3 結(jié)論

對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(jìn)行很好的維護(hù)（如定期排水、清洗、無損檢測），導(dǎo)致出現(xiàn)過多的點(diǎn)狀腐蝕，與機(jī)械載荷結(jié)合在一起，隨著周期性地充放氣，此時(shí)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(xiàn)多處損壞，以致在水壓試驗(yàn)的試驗(yàn)壓力遠(yuǎn)沒有達(dá)到設(shè)定值的時(shí)候就出現(xiàn)了先漏后破的情況。最后對CNG儲氣瓶進(jìn)行了簡單的工程評估，確定了CNG儲氣瓶的失效狀態(tài)。

為避免這種情況的發(fā)生，建議對剩余未損壞的容器進(jìn)行充分維護(hù)，并采用適當(dāng)?shù)臋z測技術(shù)進(jìn)行檢測。另外，對于已經(jīng)損壞的CNG儲氣瓶，建議用復(fù)合材料進(jìn)行修補(bǔ)，因?yàn)槎鄬釉O(shè)計(jì)可以降低腐蝕發(fā)生率，而且復(fù)合材料已被證明是一種可靠的受壓部件材料。復(fù)合材料貼片需要在其長度、厚度和方向等方面進(jìn)行優(yōu)化。此外，還需要進(jìn)行長期測試，以確保修復(fù)技術(shù)的可持續(xù)性。

另外，對CNG儲氣瓶厚度進(jìn)行的超聲波測試和水壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以用于以后的CNG儲氣瓶失效數(shù)值分析。

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