车载LNG气瓶在振动和冲击载荷作用下的失效研究及风险应对措施

杨树斌，马志鹏，李 蔚，夏 莉

(广东省特种设备检测研究院，广东 佛山 528251)

随着我国社会经济和科学技术的不断发展，国家对环境保护日益重视，液化天然气(Liquefied Natural Gas，简称LNG)作为一种安全、清洁、经济、高效的燃料，具有热值高、燃烧充分、价格低，运输经济性和安全性好等优点而得到了广泛应用[1-2]。与燃油汽车相比较LNG汽车的有害气体排放量可减少85%，综合碳排放量可降低95%，噪声可减少40%，特别是在PM2.5被纳入空气质量检测标准的情况下，LNG汽车的优势更加突出，其PM2.5的排放量比柴油汽车降低了90%以上。除此之外，LNG汽车不但适用于城市公交车，同时也适用于出租车，以及长途运输的大型货车和大巴。因此，大力发展LNG汽车具有重要的现实意义。

近年来我国LNG汽车以年均20%以上的速度在增长，目前已经成为世界上最大的气瓶制造、使用及出口国。车载LNG气瓶是为LNG汽车提供燃料贮存及自动连续稳定供给的主要设备，其研制开发为推广和发展LNG汽车奠定了基础，对节约能源、改善城市大气质量具有重要意义。车载LNG气瓶的安全性能直接影响着LNG汽车的安全运行，在车载LNG气瓶实际使用过程中，它会随着LNG汽车的颠簸、加速、减速及转弯而发生振动，特别是在山区、矿场等路面环境比较差的路况下，汽车在经历急刹车、路面凹坑等极端状态时，由于瓶体自重以及内部贮存液体的急剧晃动而产生较大的振动和冲击。该振动和冲击载荷在某种工况下有可能对车载LNG气瓶的结构造成严重的影响，有时导致其结构破坏，发生LNG泄漏，引发火灾爆炸事故。因此针对车载LNG气瓶在振动和冲击工况下的失效模式研究并提出相应的风险应对措施具有十分重要的意义。

1 车载LNG气瓶

1.1 车载LNG气瓶发展

上世纪八十年代车载LNG气瓶在美国、加拿大、德国、法国等世界发达国家开始研制，到上世纪九十年代车载LNG气瓶技术在这些国家已趋成熟，并开始小规模推广。目前国外车载LNG气瓶的生产厂家主要有美国泰莱华顿公司和查特深冷工程系统有限公司，俄罗斯的JSC Cryo.genmash等。进入21世纪，随着LNG技术的推广，国内低温设备研究者和制造企业也加快了车载LNG气瓶的研发步伐。2002年8月国内首个55L车载LNG气瓶试制成功，同样在8月份，配备该规格型号的车载LNG气瓶样车顺利通过国家重型汽车质量监督检验中心检验。并且随着车载LNG气瓶技术的不断发展和完善，国内先后颁布实施了《中华人民共和国特种设备安全法》、TSG08-2017《特种设备使用管理规则》、TSGR0006-2014《气瓶安全技术监察规程》、TSGR0009-2009《车用气瓶安全技术监察规程》、GB/T 34510-2017《汽车用液化天然气气瓶》、GB14193-2009《液化气体气瓶充装规定》、TSGR7002-2009《气瓶型式试验规则》、TSGRF0009-2009《气瓶附件安全技术监察规程》等多部车载LNG气瓶相关标准。到目前为止，国内已有多家车载LNG气瓶生产厂家，并且能够生产各类规格型号的车载LNG气瓶。

1.2 车载LNG气瓶结构

1-内胆;2-支撑;3-外胆;4-管路;5-阀门;6-附件;7-绝热层

图1 某规格型号的车载LNG气瓶结构图

车载LNG气瓶作为LNG汽车供气系统的核心部件，是为LNG汽车提供燃料贮存及自动连续稳定供给的重要设备。在无特殊要求的情况下，车载LNG气瓶的结构基本相同，均为卧式双层圆筒结构，图1为某规格型号的车载LNG气瓶结构图，主要包括内胆、外胆、多层绝热材料、支撑结构、管路、阀门、附件等。内外胆之间采用固定加滑移的连接方式，有效避免了温差应力对气瓶结构的影响。内胆材料采用耐低温的奥氏体不锈钢(S30408)，贮存LNG和承受介质的压力及低温，在内胆外壁缠有一定层数的多层绝热材料，可选用玻璃纤维、芳纶纤维或者碳纤维；外胆为内胆的保护层，与内胆之间保持一定间距，抽高真空形成绝热空间，从而起到良好的保冷效果，有效降低LNG吸热气化，并且承受内胆和介质的重力荷载以及绝热层的真空负压。外壳不接触低温，但是由于外壳体积不大，用材不是很多，因此跟内容器一样，采用奥氏体不锈钢制作。同时为防止气瓶在使用过程中因超压而出现危险，设置高低压两级安全阀，并将安全阀的排放口置于车辆顶部。

2 振动和冲击载荷作用下车载LNG气瓶失效研究存在的问题

2.1 国标对振动和冲击载荷作用下车载LNG气瓶检验规定

车载LNG气瓶在生产完成后要进行安全性能试验，GB/T 34510-2017《汽车用液化天然气气瓶》附录A中的A.1和A.2分别对汽车用液化天然气气瓶安全性能试验项目及要求、方法及评定专门做了详细规定，检验振动和冲击对车载LNG气瓶产生影响的有振动和跌落这两种试验，跌落试验又分为对管路系统端的3m高度跌落试验和对指定除管路系统端之外的最关键部位的10m高度跌落试验[3]。其中振动试验主要是模拟检验车载LNG气瓶在运行条件下内外胆支撑结构和管路等的耐久性；而跌落试验则是检验车载LNG气瓶在冲击条件下的完整性。试验采用的试验介质均为与装满LNG等质量的液氮，并且气瓶处于完全冷却状态[4-5]。试验过程中还对与振动试验有关的振动加速度、振动方向、振动频率、加振时间等参数做了具体规定，均是定值；跌落试验过程中也对跌落平面、跌落高度等条件做了具体规定。但是在实际运行过程中，LNG汽车的加速、减速、颠簸、转弯都等因素都是不确定的，且发生时情况也比较复杂，有可能是多个因素的共同作用。车载LNG气瓶固定在LNG汽车上，随着LNG汽车运行条件的变化而发生复杂的振动和冲击情况。特别是在山区、矿场等路面环境比较差的路况下，车辆在经历急刹车、路面凹坑等状态时产生较大的振动和冲击载荷，对车载LNG气瓶结构造成严重影响。

2.2 相关学者对振动和冲击载荷作用下车载LNG气瓶失效研究

车载LNG气瓶发展过程中，国内外的学者对它的研究主要集中在结构设计、绝热层保温性能、供气系统方面。由于车载LNG气瓶在使用过程中受到来自路面颠簸，车辆加速、减速及转弯，LNG晃动等而发生振动和冲击，易造成气瓶内部结构的变形甚至失效，而目前针对振动和冲击载荷作用下的车载LNG气瓶失效方面的研究相对较少。在实际研究过程中为了简化研究过程，降低研究问题的复杂程度和难度，大多数对实际问题进行理想化处理。在假设其他条件不变的情况下只考虑单一因素引起的振动和冲击载荷对车载LNG气瓶失效的影响。

目前，对振动和冲击载荷作用下的车载LNG气瓶失效模式的研究方法，大多数采用数值模拟的方法，主要是对车载LNG气瓶作结构静力学和动力学两方面的分析。静力学分析主要是采用等效质量法和等效载荷法，将介质对瓶体的影响等效为静载荷进行分析，建立不同振动加速度作用下的等效静力学模型，分析计算气瓶各关键部位的应力分布规律以及气瓶在振动过程中易失效部位。动力学分析在模态分析确定气瓶结构的固有频率和模态振型的基础上，通过施加不同路况下的路面谱激励进行随机振动分析，为了计算和分析的方便，在建立模型时基本上都对车载LNG气瓶的实际结构做了简化处理，往往忽略了管路及阀门对气瓶的影响，但事实际证明车载LNG气瓶在使用过程中管路连接部位失效时有发生。对边界条件的处理及物理参数的设置经常采用近视值，大多数用标准路面不平度激励直接施加在气瓶上，忽略了轮胎和车架等对激励强度的衰减[6]；部分研究中考虑了车体对路面不平度激励衰减，但仅运用了经验换算的方法；往往不施加车载LNG气瓶部位实际受到的激励，也不考虑汽车自身振动对气瓶的影响。因此，最终导致研究结果可信度不是很高，和实际有一定出入，不能很好的反映实际工况。

3 失效模式及风险应对措施

根据车载LNG气瓶的结构，结合国标对车载LNG气瓶安全性能试验的规定以及国内外相关学者对振动和冲击载荷作用下的失效模式研究，可知车载LNG气瓶在振动和冲击载荷作用下的失效模式主要表现为外胆的变形失稳、内外胆之间夹层管路变形或者泄露失效、前后支撑失效、外部管路变形或者泄露失效[7-8]。

车载LNG气瓶内胆受外胆的保护，在外部载荷不足够大时，一般情况下不会引发气瓶内胆变形失稳，最有可能引发内胆变形失效的就是LNG的冲击载荷作用。内外胆之间夹层管路是指从气瓶内胆引出穿过内外胆之间夹层到外胆外部的管路，一般包括充装管、用液管、放空管和增压管。一方面，这些管路一端与低温LNG或低温蒸发气接触，另一端与环境温度接触，两端有很大的温差，于是在温差的作用下产生很强的应力，经过多次振动和冲击容易产生疲劳损坏；另一方面，这些管路固定在内胆和外胆上，如果内外胆发生相对位移，就会对这些管路产生作用力，在数次的振动和冲击作用下容易发生断裂。前支撑失效主要表现为支撑管之间连接焊缝开裂，后支撑失效主要是强度不够引起的断裂。外部管路变形或者泄露失效是指仪表管路悬臂过长，在振动和冲击过程中疲劳断裂。

针对上述车载LNG气瓶失效模式，可以通过对车载LNG气瓶零件自身和零件与零件之间连接形式的优化设计，提高气瓶固有频率；尤其是对容易失效的部位采用保守设计，增加其强度余量；对内外胆之间夹层管路固定形式进行优化设计，或者采用金属软管替代；改进焊接工艺和焊接方法，提高焊接质量等措施来降低事故风险。

4 结论

我国已经成为世界上车载LNG气瓶最大的制造、使用及出口国，在实际使用过程中，车载LNG气瓶会随着LNG汽车的颠簸、加速、减速及转弯而发生振动和冲击，有时导致结构破坏，严重影响气瓶的安全运行。目前专门针对振动和冲击载荷作用下的车载LNG气瓶失效方面的研究相对较少，而且在现有的研究中大多数也仅采用数值模拟方法，对实际问题进行理想化处理，在建立模型时对车载LNG气瓶结构做了简化处理，假设其他条件不变，只考虑单一因素引起的振动和冲击载荷对车载LNG气瓶失效的影响，导致研究结果和实际有一定出入，不能很好的反映实际情况。通过大量调研和分析研究可知车载LNG气瓶在振动和冲击载荷作用下的失效模式主要表现为外胆的变形失效、内外胆之间夹层管路变形或者泄露失效、前后支撑失效、外部管路变形或者泄露失效。针对这些失效模式，可以对车载LNG气瓶零件自身和零件与零件之间连接形式进行优化设计，提高气瓶固有频率；尤其是对容易失效的部位采用保守设计，增加强度余量；对内外胆之间夹层管路固定形式进行优化，或者采用金属软管替代；改进焊接工艺和焊接方法，提高焊接质量等措施，降低风险事故。