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            車用天然氣纏繞氣瓶安全分析

            新浪微博 開心網 人人網 摘要:發展天然氣汽車符合國家節能與新能源汽車發展戰略的要求,車用天然氣纏繞氣瓶是天然氣汽車的重要專用裝置。做好車用天然氣纏繞氣瓶的安全性分析,消除其安全隱患可為減少或杜絕車用氣瓶發生重、特大安全事故提供保障。根據《車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶》企業標準的有關規定,介紹了鋼瓶的材料、設計、制造、力學性能試驗和各種檢測方法等,對車用天然氣纏繞氣瓶在設計、制造和使用中容易發生的安全隱患及原因進行了分析,并提出了相應的解決措施。
            關鍵詞:CNG汽車;纏繞氣瓶;安全;分析
                車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶(以下簡稱纏繞氣瓶,即CNG-2型瓶)是一種經濟、安全、環保型機動車用燃氣儲存設備。隨著國際油價的不斷變化、機動車數量的急劇增加、人們環保意識的逐漸增強,作為清潔能源的天然氣在城市公交、汽車運輸等領域得以廣泛應用。
                纏繞氣瓶主要由兩部分組成:鋼質內膽和纖維纏繞層。目前國內多數廠家采用的設計、制造、驗收標準是參照ISO11439—2000《天然氣汽車車載高壓氣瓶》國際標準制訂、經全國氣瓶標準化技術委員會審查備案的企業標準。纏繞氣瓶的安全性與該兩部分質量的好壞和相互關聯度密切相關。為此,探討了影響纏繞氣瓶安全性的因素和解決纏繞氣瓶安全性所采取的主要措施。
            1 影響纏繞氣瓶安全性的因素
                影響纏繞氣瓶安全性的因素主要有3個方面:纏繞氣瓶所用材料、制造技術和安全泄放裝置。
            1.1 纏繞氣瓶所用材料
            1.1.1 內膽材料
                纏繞氣瓶內膽材料選用鋼材,所充裝的介質為天然氣。盡管天然氣在充裝前經過脫硫、脫水、脫輕油處理,其硫化氫含量較低(不高于20mg/m3),但當鋼瓶中殘存有水時,水中溶入大量的硫化氫,會對鋼材產生腐蝕作用(在溫度低于250℃,干燥的硫化氫不對鋼材起腐蝕作用)。硫化氫遇水產生電離,生成的氫向鋼中擴散,在局部區域聚積達到極限濃度時導致鋼的脆性破壞。
                金屬中殘留的氫或氫與金屬生成氫化物所造成的金屬脆化現象,稱為氫脆。氫脆的斷裂性質為脆性斷裂。關于氫脆的機理,通常認為是容器內部存在初始缺陷或由于化學反應生成了缺口[1],滑移時,由于晶界和夾雜物的存在,在缺口的前沿塑變區內繼續產生一些細微的裂紋或空穴。對于纏繞氣瓶而言,隨著內膽材料強度的增加,產生脆性的可能性加大[2]。
                影響氫脆產生的主要因素:
                1) 材料因素:氫脆易發生在高強度材料中,鋼的抗拉強度和屈服強度越高,氫脆敏感性越大。鋼的氫脆還與化學成分和組織密切相關,未回火的馬氏體組織最易產生氫脆,鋼中的夾雜物,尤其是硫化物極易誘發氫脆。
                2) 應力因素:拉應力引起氫脆。
                3) 環境因素:鋼中氫含量在0.45mg/m3以上時,隨著氫含量增加,鋼的脆性增大,而斷裂應力、斷面收縮率和延伸率降低。
            1.1.2 纏繞層材料
                纏繞層材料由纖維和樹脂兩部分組成。用于纏繞氣瓶的結構增強性纖維材料有玻璃纖維、芳綸纖維或碳纖維。所用樹脂則分為熱固性和熱塑性樹脂。
                由于纏繞氣瓶循環地充、放天然氣,因此要求纏繞層在持續載荷和循環加載下應有高可靠性,其材料的好壞、纖維與樹脂體系的有機匹配都直接影響著纏繞氣瓶的質量。
            1.2 纏繞氣瓶制造技術
                在IS011439—2000國際標準中,對纏繞氣瓶內膽用鋼坯或無縫鋼管制作未作明確要求,而我國多數企業采用鋼管旋制。采用此方法,在制造纏繞氣瓶時,主要在以下幾方面易產生缺陷:
                1) 鋼管旋壓成型工序,在瓶底、瓶肩內表面易產生皺折、裂紋,造成應力集中。
                2) 內膽熱處理工序,其力學性能均勻性、一致性不易得到保證。
                3) 纏繞、固化工序,易出現固化不徹底、纏繞層黏合不好的現象。
            1.3 纏繞氣瓶安全泄放裝置
                纏繞氣瓶安全泄放裝置的選取,應能滿足纏繞氣瓶在各種復雜工況下的安全泄放要求。
            2 解決纏繞氣瓶安全性缺陷所采取的主要措施
            2.1 材料
            2.1.1 內膽材料
            根據以上分析,內膽材料宜選用符合GB 18248《氣瓶用無縫鋼管》標準的30CrMo氣瓶用無縫鋼管,并控制其硫、磷含量。鉻鉬鋼具有優良的綜合性能,經過熱處理后,在較高的強度水平上仍能保持良好的塑性和足夠的韌性;同時,對內膽材料化學成分也作了嚴格的規定(見表1)。經熱處理后,其抗拉強度應不低于保證值,且不高于880MPa;屈強比不大于0.85;斷后伸長率不小于14%;3個試樣沖擊功平均值不低于30J。
            表1 內膽材料化學組成表

            化學成分
            C
            Si
            Mn
            Cr
            Mo
            S
            P
            S+P
            質量分數(%)
            ≤0.4
            0.15~0.37
            0.40~0.90
            0.80~1.20
            0.15~0.35
            ≤0.02
            ≤0.02
            ≤0.03

            2.1.2 纏繞層材料
            纖維材料選用符合標準的結構增強性玻璃纖維、芳綸纖維或碳纖維。采用碳纖維時,應采取措施,防止纏繞氣瓶金屬部件產生電化學腐蝕(在內膽外表面與碳纖維之間纏繞部分玻璃纖維;或對內膽外表面進行防腐處理等)。
            樹脂選用熱固性環氧樹脂,按一定的比例配料,經過纏繞、固化工序后,驗證其纏繞層抗拉強度和層間剪切強度是否達到保證值的要求,并據此制訂合格、成熟的工藝路線和工藝手冊。
            2.2 設計
            根據標準規定,纏繞氣瓶在正常使用期間,其承壓部件由于可能的質量退化會出現“未爆先漏”的失效模式[3]。參照GB 5099—1994《鋼質無縫氣瓶》實際爆破壓力計算公式S=pb·D0/(2.1Rm+pb)[4],計算出內膽筒體滿足最小爆破壓力時的最小厚度;由纏繞氣瓶最小爆破壓力確定纏繞層數(金屬內膽封頭承擔軸向拉應力,纏繞層只承受周向應力);確定纏繞氣瓶自緊壓力極限范圍(根據載荷、位移的邊界條件及其有限元網格圖,用應力分析的方法,計算自緊后纏繞氣瓶在零壓力、公稱工作壓力、水壓試驗壓力和設計爆破壓力下,纏繞層和內膽中的應力);根據應力分析,確定最優化的結構;同時,計算纏繞氣瓶在水壓試驗壓力下的安全泄放量,據此選擇安全泄放裝置。該安全泄放裝置應為易熔合金塞和爆破片復合式。
            2.3 制造與驗收
            1) 鋼管進廠復驗其化學成分,并采用超聲檢測方法檢測其質量。經過中頻加熱旋壓后,分別成型瓶肩和瓶底;瓶肩、瓶底形狀應圓滑過渡,無突變;收底后,去除瓶肩、瓶底附近內壁皺折和其他缺陷,并保持圓滑過渡;同時用專用工具檢查其內部。對氣瓶內外表面進行拋丸處理,不允許有裂紋存在,表面應光滑平整,盡量減少應力集中。
            2) 為了得到滿足性能和要求的金相組織,對金屬內膽進行調質熱處理,熱處理后的力學性能控制在設定的范圍之內,同時對內膽的金相組織進行檢測,其纖維組織應為回火索氏體;晶粒度不低于6級;內外壁脫碳層深度不超過0.3mm,確保內膽組織不存在馬氏體,避免發生氫脆。然后用磁粉和射線檢測方法,檢查其質量。
            3) 氣瓶內膽缺陷易加劇氣瓶氫脆、發生應力腐蝕。因而,必須控制其缺陷的產生。在熱處理后,對內膽進行磁粉和射線探傷檢查,不允許有任何裂紋存在,并對內膽的直線度、橢圓度等加以嚴格控制。
            4) 氣瓶內壁的拉應力易導致氫脆。因此,對氣瓶內壁進行噴丸處理,內表面形成局部壓應力,使鋼瓶內壁處于預壓應力狀態,改善其抗疲勞性能和抗氫脆能力。
            5) 對纏繞氣瓶內壁進行防腐處理,防止氫向鋼中擴散,產生氫脆。
            6) 纖維處理。纖維采用了增強浸潤劑進行處理,存儲不當會吸附大量的水分,纖維表面的這些游離水會影響樹脂基體與纖維的黏合,使微裂紋等缺陷進一步擴展,從而使纏繞層強度和耐老化性能下降[5]。因此,纖維使用前需進行烘干處理(60~80℃下烘干24h)。
            7) 浸膠及膠液含量。膠液含量的變化及分布對纏繞氣瓶質量的影響較大:①會直接影響纏繞氣瓶的厚度控制;②若含膠量過高,纏繞層的強度會降低,含膠量過低,則耐老化性能及剪切強度又會下降,同時也影響纖維強度的發揮。因此,需嚴格控制纖維纏繞的含膠量,保證整個纏繞過程中的含膠量均勻。實際操作中將含膠量控制在17%~25%之間。影響含膠量的因素較多,主要有膠液黏度、纏繞張力、浸膠時間等。同時膠液溫度也與纏繞氣瓶質
            量息息相關,因此,通常在浸膠槽下裝備恒溫水箱,以控制膠液溫度。水溫控制在20~40℃,膠液黏度控制在0.35~1.0Pa·s。
            8) 連續、成熟的纏繞、固化技術。纏繞張力是纏繞工藝的重要參數。張力大小、各束纖維間張力的均勻性以及各纏繞層之間纖維張力的均勻性等都直接影響著纏繞氣瓶的質量。因此,采用專用設備控制其纏繞張力的大小和變化,限制纏繞速度。濕法纏繞紗線速度不超過0.9m/s,同時氣瓶內膽旋轉速度也不能過高,否則,膠液會在離心力作用下,向外遷移和濺灑。纏繞角是纖維纏繞方向與氣瓶內膽軸向之間的夾角。對于環向纏繞氣瓶,其纏繞角接近于90°。纏繞角與纖維纏繞紗片寬度有直接關系。經測算,纏繞時,紗片寬度不宜大于24mm,以便纖維受力最大限度地用于環向。
            9) 對固化后的纏繞氣瓶進行自緊處理。自緊是制造纏繞氣瓶時對金屬內膽的加壓過程,使內膽應變超過其屈服點,足以引起永久性的塑性變形。加壓的結果,使纏繞氣瓶內部在零壓力時,內膽具有壓應力,纖維具有拉應力。這樣,有利于提高纏繞氣瓶的承載能力、改善其抗疲勞性能和抗氫脆能力。
            3 結論
            纏繞氣瓶的安全性既與金屬內膽化學成分、力學性能有關,又與其纏繞層質量和制作工藝密不可分。主要從以下方面來控制纏繞氣瓶的安全性:
            1) 限定金屬內膽材料中硫和磷的含量,要求含硫量小于0.02%,含磷量小于0.02%,硫磷總量小于0.03%。
            2) 限制金屬內膽實際抗拉強度值,要求σb不高于880MPa,屈強比不大于0.85。
            3) 要求金屬內膽材料有較高塑性,其斷后伸長率不小于14%,3個試樣沖擊功平均值不低于30J。
            4) 控制金屬內膽初始缺陷尺寸,并采取內膽內壁噴丸和外壁拋丸的工藝保障措施。
            5) 對纏繞氣瓶內壁進行防腐處理。
            6) 采用自緊工藝,使內膽與纖維纏繞層緊密貼合,成為連續受力體,使纏繞氣瓶在零壓力時,內膽具有壓應力,纖維具有拉應力,以此來提高纏繞氣瓶的承載能力和延長其使用壽命。
            綜上所述,針對影響纏繞氣瓶安全性的因素,從材料、設計、制造、驗收等各個環節采取有效措施,尤其是限制金屬內膽實際抗拉強度上限值和對內膽內壁進行防腐處理,對于降低氫脆等危害的產生,提高纏繞氣瓶的安全性非常重要,并在實踐中取得了良好的效果。



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