公交车载LNG焊接绝热气瓶定期检验中的振动研究

庞慕妮 杨宁祥 谢小娟 丛成龙

摘要：介绍了公交车载LNG焊接绝热气瓶定期检验法规和标准的现状，阐述了焊接绝热气瓶的检验检测研究进展，从三个方面分析了公交车载LNG焊接绝热气瓶振动研究对定期检验的质量提升作用，并对公交车载LNG焊接绝热气瓶行业发展提出了建议。

关键词：公交 LNG 焊接绝热气瓶 定期检验 振动

Abstract： This paper introduces the status quo of regulations and standards for periodic inspection of welded insulated gas cylinders carried by LNG on buses， and expounds the research progress in inspection and inspection of welded insulated gas cylinders. This paper analyzes the effect of vibration study of LNG welded insulated gas cylinders on bus on improving the quality of periodic inspection， and puts forward some suggestions on the development of LNG welded insulated gas cylinders on bus.

Key words： bus， liquified natural gas， welded insulated cylinders， periodic inspection， vibration

液化天然氣（liquified natural gas，LNG）具有热值高、燃烧充分、排放环保、国内储存丰富、价格低、运输经济等众多优点，是我国大力推广的一种新型能源。近年来，全国多地开始推广使用LNG公交、LNG出租车。作为存储LNG的压力容器，车载LNG焊接绝热气瓶的安全性能受到了社会各界的广泛关注。车载LNG焊接绝热气瓶作为一种特殊的移动式压力容器，其结构特殊，工作环境复杂，长期受到运行振动的影响，其定期检验尤为关键。

1 车载LNG焊接绝热气瓶定期检验法规和标准现状

TSG R0009—2009《车用气瓶安全技术监察规程》规定，车用气瓶的定期检验周期、检验项目和评定要求等，应符合有关安全技术规范及其相关标准或者地方标准的规定。暂时没有标准时，检验机构可以参照相应气瓶的地方标准或者经过技术评审的企业标准制定检验方案。TSG R0006—2014《气瓶安全技术监察规程》规定，车用焊接绝热气瓶每3年检验一次。检验或者使用中发现存在影响绝热性能等问题时，应当送到具有相应资质的制造单位或者原制造单位委托的单位进行维护或者修理。GB 24159—2009《焊接绝热气瓶》规定了焊接绝热气瓶的定义、符号、型式、基本参数、材料、设计、制造、试验方法、检验规则、标志、包装、运输、存放等要求，但未对定期检验做出规定。按照地方标准的备案日期先后排序，云南省、湖北省、天津市、福建省、上海市、陕西省、四川省、吉林省、河北省、北京市、陕西省、新疆维吾尔自治区先后发布实施了焊接绝热气瓶或车用LNG焊接绝热气瓶定期检验的地方标准，用于开展定期检验。但由于检验实施困难，仅有部分省份推动了车用LNG焊接绝热气瓶的定期检验。GB/T 18443.1～18443.10—2010《真空绝热深冷设备性能试验方法》规定了低温绝热压力容器性能测试方法的基本要求、真空度测量、漏率测量、漏放气速率测量、静态蒸发率测量、漏热量测量、维持时间测量、容积测量。由此可以看出，车用焊接绝热气瓶在设计、制造、出厂检验等环节的法规规程、国家标准相对完善，具有较强的可实施性。但是在定期检验环节，车用焊接绝热气瓶法规规程、国家标准并不完善，检验的主要依据为各地的地方标准，全国的车用焊接绝热气瓶的定期检验尺度不统一。

2 焊接绝热气瓶的检验检测研究进展

焊接绝热气瓶定期检验大约从2012年开始，逐渐在全国各省开展，部分省份依据当地的地方标准，部分依据自定的企业标准。福州大学化学与化工学院、福建省特种设备检验院刘康林等[1]开展了焊接绝热气瓶定期检验，认为焊接绝热气瓶的蒸发率可根据液氮在静置期间的重量变化，利用线性预测模型予以有效预测;热成像法可以实现对焊接绝热气瓶绝热性能、泄漏和破损的综合检测;在液氮冷冲击疲劳作用下， 焊接绝热气瓶内胆焊缝处可产生微观裂纹，但对内胆的安全运行不构成危害;开发的焊接绝热气瓶绝热性能检测与信息系统，能提高检验效率。成都郫县南方燃气汽车检测公司宋茂鲜等[2]，开展了车用LNG 焊接绝热气瓶定期检验，提出了9项建议，包括气瓶应拆卸检验;可拆附件应拆卸检验;用氮气做气密性试验;不需要抽真空处理和真空度测量;不需要漏率检测;不需要做气压试验;应重点注意检查附件裂纹、气瓶和附件螺纹损伤、压力表和安全阀检验，以及气瓶分配头焊缝、附件、气瓶与附件连接处的泄漏情况;应注意气瓶日常检查维护保养;应提升气瓶本身质量与售后服务质量。成都市特种设备检验院邱元莅等[3]，定期检验发现气瓶的主要问题是连接件如弯头、阀体、连接螺帽、卡套等铜件发生裂纹，连接部位泄漏。福建省锅炉压力容器检验研究院江仰春[4]，依据其福建省锅检院的院标，开展了低温焊接绝热气瓶定期检验，重点阐述了检验项目、检验仪器、检验准备、检验过程、检验后续处理，检验过程介绍详细，有重要借鉴意义。天津市特种设备监督检验技术研究院黄小宇等[5]，开展了车载液化天然气气瓶定期检验，对开展该项工作存在的困难进行了总结，工作推进困难的主要原因包括：定期检验的法规规程和国家标准未制定;制造指标、检验指标和评定指标存在较大差异，难以用制造指标评定定期检验发现的问题。张建斌、彭浩、黄小宇等[6-12]，研究了车用焊接绝热气瓶绝热性能（静态蒸发率）检测方法和检测装置，为该重要项目的定期检验提供了多种方案。

3 公交车载LNG焊接绝热气瓶的振动研究

目前在用的公交车载低温绝热气瓶公称容积在500L～800L，正在研究设计的有公称容积为1200L～1500L的气瓶，用在重型卡车等。公交车载LNG焊接绝热气瓶具有容积大、持续使用时间长、使用工况与运行轨迹有联系等特点，其主要失效为振动引起的部件损坏等失效，因此，LNG气瓶必须具有良好的抗振性能。公交车载LNG焊接绝热气瓶的振动研究主要有： 振动分析设计与模拟，振动试验，失效分析与改进三个方面。

3.1 振动分析设计与模拟

车载气瓶的分析设计与模拟主要包括两个方面：1）车载状况下的气瓶各结构的应力分布分析;2）车载状况下的气瓶各结构振动分析。

气瓶结构的应力分布设计主要采用ANSYS等有限元软件，计算不同工况下气瓶的各结构部位的最大应力值，避免超过最大允许应力而失效，可为气瓶结构设计、气瓶管路布局、气瓶材料选择、附件连接结构选择提供参考。

气瓶振动分析设计与模拟主要采用ANSYS等有限元软件，计算不同工况气瓶固有频率、共振频率，优化设计，防止共振，让车载气瓶的使用安全性能更高。振动分析因素的主要研究方向包括：不同路况的振动影响分析（加减速、急刹车、急转弯），发动机振动影响分析，不同形状和结构气瓶的振动影响分析，容积、长度、充装量对气瓶的振动影响分析。

通过气瓶振动分析设计与模拟，可以选择最优的气瓶结构，生产用于振动试验的气瓶样品。分析设计与模拟的结构会直接影响振动试验样品的合格率。

3.2 抗振性能试验

LNG气瓶都是通过振动试验项目来验证气瓶的抗振性能。国家标准GB/T 34510—2017《汽车用液化天然气气瓶》中规定的振动试验项目是模拟检验气瓶在汽车运行条件下，内胆与外壳的支撑结构、管路系统等附件的耐久性。振动试验前气瓶中充装与装满LNG等重量的液氮，气瓶处于完全冷却状态，压力为0MPa（表压）。振动加速度3g（3倍重力加速度），振动方向为上下垂直方向。振动试验在8Hz～40Hz范围扫频，若发现在这一频率范围内有共振，应更改气瓶设计，重新进行振动试验。试验结果必须同时满足以下要求为合格：a）振动完毕后，任何部位不得出现泄漏;b）振动完毕静置30min以上，气瓶外壳不应有结露或结霜现象（内胆与外壳连接支撑部位除外）。

振动试验的主要失效模式包括：夹层中间管路泄漏、前后支撑失效、外部连接管路失效 [13]。夹层中间管路位于内胆与外壳之间，试验过程中内胆将会有相对于外壳的位移，气瓶在不同频率的振动后，在管路两端焊接部位很容易出现断裂。连接内胆与外壳之间的刚性支撑包括前端支撑和后端支撑。前端支撑失效大多数为支撑管之间连接焊缝及分配头与外前封头连接焊缝开裂。后端支撑结构失效主要形式为支撑轴强度不足而引起的断裂。外部管路失效最常见的是分配头周围仪表管路断裂，断裂原因主要是气瓶振动过程管路悬臂过长而导致疲劳断裂。

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;对内胆与外壳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。

3.3 失效分析与改进

车载LNG气瓶在振动和冲击载荷作用下，定期检验时发现的失效模式主要表现为气瓶固定装置损坏、外胆的变形磨损、气瓶附件裂纹或泄漏、气瓶附件连接部位螺纹损伤。LNG气瓶内胆受到外胆的保护，振动和冲击一般对内胆没有太大影响。外胆由于受到上下振动、平移、滑动等各向力，可能造成气瓶固定装置损坏，外胆与固定装置、车架部位发生摩擦造成外胆变形磨损，定期检验发现该项问题时，应对变形磨损部位进行表面无损检测。附件裂纹或泄漏主要原因是附件在气体交变载荷作用下，经过一段时间后，在局部高应力区形成细小的疲劳裂纹，再由细小疲劳裂纹扩展成为可见的疲劳裂纹。气瓶附件连接部位螺纹损伤主要是因为安装附件时预紧力过大，在振动作用下，造成螺纹损伤。

针对上述车载LNG气瓶失效模式，可以通过对安装过程监督、零部件连接优化设计、材料选用优化等方法减少使用过程振动对气瓶的影响，提升气瓶实用的安全性能。

4 结束语

汽车的主要动力能源为汽油、天然气、电。汽油的使用存在石油枯竭、汽车尾气不环保等问题;电动车暂时解决不了充电时间问题。而天然气蕴藏丰富，LNG公交汽车将在较长一段时间内普遍使用。随着时间的推移，部分车载LNG焊接绝热气瓶使用年限较长，如何排除运行过程中的隐患，解决振动造成的气瓶损伤，需要从设计、试验、安装、定期检验多方面着手，提高气瓶的安全性能。如何设计容量更大，使用时间更长的公交车载LNG焊接绝热气瓶，是重要研究课题之一;定期检验中如何开展不拆卸检验，提高气瓶安全性能、节约检验成本，是另一项重要的研究课题。

参考文献

[1] 刘康林，韦铁平，梁航.焊接绝热气瓶定期检验与评定问题[J].化工机械，2011，38（3）：280-282.

[2] 宋茂鲜，钟梅花.车用LNG焊接绝热气瓶定期检验方法与建议[J].中国特种设备安全，2016，32（2）：27-31.

[3] 邱元莅，刘献游，宋茂鲜.车用液化天然气焊接绝热气瓶定期检验中的问题及处理原则[J].石油化工与设备，2016，19（12）：78-81.

[4] 江仰春.低温焊接绝热气瓶定期检验浅谈[J].河南科技，2014（20）：96-97.

[5] 黄小宇，吴彦峰，张益铭，等. 车载液化天然气气瓶定期檢验问题论述[J].化学工程与装备，2015（2）：191-192.

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[7] 彭浩.车用焊接绝热气瓶绝热性能检测方法的试验研究[D].北京：北京化工大学，2017.

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[11] 江仰春.车载LNG焊接绝热气瓶绝热性能测试研究[J].机电技术，2015（5）：129-132.

[12] 江仰春.车用焊接绝热气瓶蒸发率测试装置的开发与实验[J].机电技术，2015（3）：124-126.

[13] 段武，李力新，惠阿玲，等.车载LNG气瓶振动试验常见失效形式分析及控制措施[J].汽车实用技术，2018（15）：42-44.