车用LNG气瓶跌落试验典型失效模式

古海波

(大连市锅炉压力容器检验研究院，辽宁 大连 西岗 新河街20号 116013)

·气瓶检验·

车用LNG气瓶跌落试验典型失效模式

古海波

(大连市锅炉压力容器检验研究院，辽宁 大连 西岗 新河街20号 116013)

对车用LNG气瓶跌落试验中的一些典型失效模式进行汇总分析，并提出了预防措施。

车用LNG气瓶；跌落试验；失效模式

车用LNG(液化天然气)气瓶是一种可以重复充装的，专门用来盛装LNG作为汽车燃料的特种焊接绝热气瓶。由于LNG为清洁能源，因此，LNG气瓶越来越多的被用于城市公交车、重型卡车等作为车辆的燃料箱。

由于车用LNG气瓶长期安装在车上使用，因此通常会承受振动载荷，在紧急制动或者车辆发生撞击事故时，还要承受可能的冲击载荷。相应的，标准也对其安全性能检测提出了特别的要求，同时也要求其通过相应的型式试验。

其中，跌落试验就是为检测气瓶的耐冲击载荷性能而设置的型式试验项目。根据《汽车用液化天然气气瓶》国标报批稿的规定，跌落试验包括：对气瓶的最关键部位(自行指定，管路系统端除外)进行10 m高的跌落试验和对管路系统端3 m高的跌落试验。其试验条件设置为：跌落试验前，气瓶应充装与额定LNG充装量等重量的液氮，气瓶处于放空且完全冷却状态，试验前关闭放空阀，使气瓶自由落体跌落到坚固、平整的水平水泥地面。合格要求为：跌落后1 h内，气瓶任何部位不得出现泄漏，气瓶外壳不得有大面积结霜或结露现象[1]。

大连市锅炉压力容器检验研究院作为国家质检总局核准的气瓶型式试验机构，从2006年至今，参与实施了国内外数十家企业百余套车用LNG气瓶的型式试验。文中对气瓶跌落试验过程中发现了一些典型的失效模式进行了汇总、分析并提出了相应的预防措施，为气瓶的设计制作提供参考。

1 车用LNG气瓶结构简介

车用LNG气瓶的结构型式为卧式，见图1。

1. 阀门等组合部件；2. 外壳；3. 绝热层；4. 内胆

1. valve and pipe; 2.shell; 3. insulating interlayer; 4. liner

图1 气瓶结构示意图

Fig.1 Cylinder structure

车用LNG气瓶主要由奥氏体不锈钢内胆、外壳、绝热层及管路阀门等组成。内胆用来储存低温液态的液化天然气，在其外壁缠有多层绝热材料，具有超强的隔热性能，同时夹层被抽成高真空，共同形成良好的绝热系统；内胆和外壳在前后端有支撑结构，能够承受车辆在行驶时所产生的相关外力；管路由内胆引出至气瓶外部并连至发动机供气系统及安全附件等；管路外部设置有保护圈，用以保护管路及阀门免受撞击。

2 车用LNG气瓶典型失效模式

2.1 夹层内漏、整体结霜

这一类失效模式的一般现象为，跌落后1 h内发现气瓶出现大面积结霜，初步判定为不合格。经过更长的时间间隔后，部分气瓶的真空塞可能由于夹层气体聚集压力升高而喷出。

经过解剖分析，失效原因通常为内部管路或内部支撑结构焊缝开裂(见图2所示)，导致有气体泄漏至夹层，造成夹层真空丧失，绝热性能破坏，继而造成外壳大面积结霜或结露。同时，随着夹层泄漏气体的集聚，夹层压力增高，从而将真空塞喷出。

图2 夹层内部管路焊缝开裂

2.2 夹层外漏、整体结霜

这一类失效模式的一般现象为，跌落后1 h内发现气瓶大面积结霜。多数气瓶在跌落后可见焊缝开裂、封头破口等，这些失效的共同点是夹层外侧泄漏或破口导致真空丧失，从而导致结霜，与夹层内漏的区别在于，由于不存在超压气体，最后真空塞未被喷出。一些典型的失效图片见图3。

a. 颈管外环缝开裂；b. 增压管角焊缝开裂；c. 夹层管接头顶破外封头a. Rupture of outside neck tube weld joint; b. Rupture of booster pipe weld joint; c. Rupture of outside head broken by inner pipe connection

2.3 外管路开裂

这一类失效模式的一般现象为，跌落时气瓶外管路受到撞击以致开裂，从而发生气体或液体泄漏(见图4和图5所示)。

图4 保护圈变形过大

图5 管路泄漏

此类失效的原因一般为管路端保护圈支撑刚度过小，在跌落时，变形过大，难以对管路系统形成充分的保护所致。

2.4 颈管整体脱出

这一失效模式非常罕见，试验至今只发生过一次。跌落后检查发现，气瓶颈管与外封头焊接环缝整体开裂，颈管完全脱出，真空破坏(见图6所示)。该失效的直接原因是该处环缝强度严重不足，跌落时强大的惯性力导致了焊缝完全开裂。随后经制造单位分析调查后发现，是焊接人员未严格按照焊接工艺规程的规定进行焊接导致。

图6 颈管环缝完全开裂脱出

3 主要原因及预防措施

通过对以上几种典型失效模式的分析，可以汇总得到导致失效的主要原因可分为以下两大类。

3.1 设计原因相关的失效模式及预防措施

1.阀门端保护系统刚度不足，导致跌落时变形过大，对管路保护不充分，跌落时阀门端受到严重撞击，导致外管路开裂泄漏。

对于这类失效模式，在设计时应充分计算分析跌落时可能的冲击力，从而对保护圈支撑结构进行有针对性的设计，避免刚度不足。如可以将保护圈支撑由平板形改为槽钢形，或增加保护圈支撑的厚度，另外可根据气瓶的重量考虑增加支撑垫板等。

2.夹层内管路设置不合理，导致跌落时管路变形过大造成管路撕裂或焊缝撕裂，或跌落时管接头顶破外前封头，又或导致焊缝正好处于水平跌落时大变形的部位，导致焊缝撕裂。

对于这类失效模式，在设计时应考虑跌落时气瓶的变形部位及变形特点，使管路和焊缝的设计能够避开变形部位，从而避免开裂的出现。

3.2 制造原因相关的失效模式及预防措施

1. 焊接质量不好，焊缝有未焊透、未熔合或余高不足等缺陷，在跌落时暴露出来，导致夹层泄漏；

2. 操作人员制造过程中未严格执行既定的工艺规程，造成结构缺陷。

对于这两类制造原因，建议加强人员培训，制造时要严格执行评定合格的工艺规程，并加强制造过程中各工序的检验。

4 结语

汇总了车用LNG气瓶跌落试验过程中发生的主要失效模式，并对其失效原因进行了分析归类并提出了预防措施，为车用LNG气瓶的设计、制造和试验提供很好的借鉴作用。

气瓶设计制造单位可参考这些失效模式，进行有针对性的设计并对制造过程进行重点监控。

[1] 《汽车用液化天然气气瓶》国家标准报批稿[Z].

Typical Failure Modes of LNG Cylinders for Vehicles in Drop Test

GU Haibo

(Dalian Boiler & Pressure Vessel Inspection Institute, Dalian 116013, China)

Typical failure modes of LNG cylinders for vehicles in drop test is proposed and analyzed. Based on the analysis, some preventive measures and suggestions are proposed.

LNG cylinders for vehicles; drop test; failure modes

2017-01-22

国家质检总局科技计划项目(2012QK214)

TQ117

A

1007-7804(2017)02-0052-03

10.3969/j.issn.1007-7804.2017.02.014

古海波(1982)，男，汉族，毕业于大连理工大学化工过程机械专业，研究生学历，工程师，在国家气瓶质量监督检验中心从事气瓶型式试验及气瓶设计文件鉴定工作。E-mail:13940844171@163.com