制造缺陷对车用气瓶安全性能的影响
2015-03-21张红星
张红星
(嘉兴市特种设备检测院)
制造缺陷对车用气瓶安全性能的影响
张红星*
(嘉兴市特种设备检测院)
讨论了车用气瓶制造过程中常见的缺陷、产生原因和对气瓶质量安全的影响,并对各种缺陷给出了相应的解决方法。
车用气瓶 缺陷 质量保证体系 监督检验
随着我国汽车保有量的不断增加,推广燃气汽车不仅符合天然气资源的经济发展战略,还可有效应对能源短缺和大气污染[1]。近年来,车用压缩天然气瓶的生产厂家和制造数量增加非常迅速。此类气瓶具有承受高压(20MPa)、车载移动、工况复杂、承受疲劳载荷(1 5000次)以及事故危害大等特点,因此GB 24160《车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶》和GB 17258《车用压缩天然气钢瓶》中规定了设计和制造的基本程序和检验要求。其中,一些环节和要求在制造过程中易被忽视,导致企业生产和管理不符合质量保证体系运行的要求,影响试验数据可靠性,废品率高,甚至会造成不合格气瓶流向社会。
1 制度执行不严格
气瓶的设计和制造许可采用设计文件鉴定制度和型式试验制度,即每一种型式的气瓶其设计文件均要经过鉴定单位审批,然后按要求通过相应的型式试验后方可生产,这一点已经为制造单位普遍了解。但当原有设计出现部分变更时,有的应当视为新设计,需要重新申请办理设计文件更改鉴定,如容积和长度变动、瓶阀变更、制造工艺变更及端部形状变化等。设计鉴定完成后,其中有的变更还需通过型式试验验证,合格之后方可生产。以上几个因素容易被制造单位疏忽,导致文件型式覆盖不全面,也常见设计文件鉴定和型式试验不及时及顺序颠倒等,违反了《气瓶设计文件鉴定规则》和《气瓶型式试验规则》的相关规定。
2 组批混乱
气瓶产品的生产和试验采用组批管理,即同一材料炉罐号、直径、同一制造工艺、同一热处理规范的连续炉可视为一批。车用气瓶的组批数量为不超过200只(含破坏试验用气瓶)。但在生产车间中较常见到组批混乱情况,表现为:材料管理不清、内胆和气瓶编号不及时、炉罐号不同混为一批、热处理中断混为一批等情况。每批气瓶的产品完全不具同一性,即使抽样检验也不能代表该批所有产品的性能,无法进行有效追溯,造成批量管理失控。
3 材料隐患
车用气瓶的主要加工制造方法是管制气瓶。无缝管的质量在一定程度上决定了气瓶的安全性能,其中影响较大的有内壁划痕、壁厚不均、组织偏析及裂纹等因素,需要在材料验收环节加强检验质量。内壁划痕对气瓶的疲劳性能影响较大,试验表明,划痕严重的气瓶在疲劳试验6 000~8 000次即出现破裂,远不能满足试验要求。而材料组织偏析对产品的影响体现在力学性能方面,试验表明部分原材料组织偏析在热处理后不能完全消除,对低温冲击试验结果带来较大影响,实际当中曾有试验-50℃冲击值仅为17J/cm2,经重复热处理后冲击试验仍不能达到合格要求,最终导致数批气瓶全部报废,给企业带来严重损失。
气瓶的力学性能作为一个重要的指标,对产品质量具有决定性影响。为了追求气瓶轻量化,很多厂家近年来均提高材料强度至950MPa。随着材料抗拉强度的提高,对气瓶性能带来一定影响:一是高强度钢在湿H2S应力腐蚀环境下更易受损伤,故需要按S、P含量通过抗硫化物应力腐蚀试验;二是材料塑性下降,热处理难度有所提高[4],如不能及时调整热处理工艺往往难以同时获得理想的抗拉强度和屈强比,实际当中试验数据不合格情况也较常见,对此制造厂应引起重视,做好相应的工艺技术准备。
4 热加工工艺缺陷
目前车用气瓶制造以无缝钢管收口收底方法较常见,热旋压成形时受中频炉加热温度控制、工装夹具跳动及加工精度等因素影响,易在瓶底、瓶口形成皱折、裂纹、熔合不良、沟槽以及瓶底与筒身结构不连续等各种缺陷[2],尤其以刮板加工方法对产品质量影响更为严重。以上几个常见缺陷均会对气瓶质量产生较大危害,造成应力集中[3]影响气瓶疲劳寿命。试验证明此类缺陷气瓶在压力循环下不到10 000次即见破裂,且不符合“未爆先漏”(LBB)要求。
5 瓶阀错配
车用气瓶阀门的型号、泄放面积作为气瓶设计文件的一个重要部分已经过详细计算,其易熔塞-爆破片组合的泄放通径面积必须大于计算所需面积,以保证在火灾温升环节下能够迅速泄压,保证气瓶安全。而在GB 17296《车用压缩天然气瓶阀》规定的表示方法中并不反应瓶阀通径,因此造成制造厂常会按型号办理入库手续而忽略通径尺寸,往往导致出厂时瓶阀错配,尤其在大容积气瓶中较为常见,为气瓶安全埋下严重隐患。
6 缠绕层返修
复合气瓶缠绕层会出现纤维裸露、分层、固化不良、机械损伤及气泡等缺陷,此种情况只能通过缠绕层返修进行修复。缠绕层固化以后难于剥离,故返修较为费时费力,且容易损伤内胆。因此制造单位需要制定专门的返修工艺,严格限定返修工装、方法、修磨和检验工序。为达到“内胆加压引起塑性变形,使气瓶内部零压力时纤维产生拉应力”的效果,气瓶经过返修、重新缠绕以后还需再次进行自紧和耐压试验,这里产生一个新的问题:返修之前已经经过自紧、耐压试验的气瓶,为达到设计要求再次自紧,这样内胆需要经过两次塑性变形,在GB 24160和ISO 11439中均未提及缠绕返修工序和相关要求,此种情况下残余变形率应该如何计算,对气瓶的综合性能影响也并不清楚,需要进一步开展研究和试验。
7 疲劳试验不准确
车用气瓶的疲劳试验为按批抽取样瓶,如一型号的试验数据连续10批以上达到一定要求,之后可适当降低试验频率,改为每10批抽一次,或每5批抽一次,制造单位如不能妥善对试验进行控制,在型号多、试验多的情况下常见疲劳试验漏做、错做。此外,国家标准规定疲劳试验时气瓶升降压循环速率为每分钟不超过10次,有的操作人员为节省时间,私自加快试验速率,导致试验结果失真,其结果并不能证明该批气瓶的真实疲劳性能。
8 结束语
列举了车用气瓶制造时常见的一些问题及其对气瓶安全质量带来的影响,涉及环节较多,如设计、工艺、材料、热处理、检验与试验以及不合格品控制等。一般来说,车用气瓶制造量大,工序多,加工难度较大,连续性强,每一个环节出现偏差均会对下道工序乃至气瓶最终质量产生较大影响,因此要两个方面引起重视:对制造单位而言,应充分认识到制造质量保证体系的重要性,不断提高质量体系运转水平,加强人员能力,更新设备,改进方法;对于车用气瓶监督检验机构及监检人员而言,需仔细研读相关规范、标准的具体要求,深入现场,及时获取第一手信息,才能准确把握车用气瓶制造过程质量保证体系运行存在的问题并采取相应措施,充分发挥第三方检验机构的作用,保证监检质量。
[1] 张红星,江华生.车用压缩天然气气瓶的研究概况[J].石油和化工设备, 2011,14(10):5~8.
[2] 许久胜.车用压缩天然气钢瓶内胆纵向沟槽产生原因及对策[J].石油和化工设备, 2013,16(5):66~67.
[3] 张应禄.车用天然气缠绕气瓶安全分析[J].天然气工业, 2009,29(4):102~104.
[4] 孙咏梅,黄贞益.35CrMo钢质无缝气瓶的热处理工艺研究[J].机械工程师, 2009,(8):37~38.
*张红星,男,1975年8月生,工程师。浙江省嘉兴市,314050。
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