液化气体汽车罐车防波板失效原因分析*

包文红

(甘肃省特种设备检验检测研究院，甘肃 兰州 730000)

0 引 言

由于我国自然资源分布不均匀、工业发展水平不平衡及炼厂的布局相对固定等原因，导致大量的液化气体需长距离运输。目前，液化气体的运输方式主要有：铁路罐车、汽车罐车及管道输送，而汽车罐车具有运输灵活、成本低及适应性强等特点，使其在诸多运输方式中占有重要的地位。

为减小罐内液体的晃动，保障罐车的运行安全，液化气体汽车罐车运输时不能满载运输，需保留至少5%的气相空间。在罐车运输过程中，由于罐车罐内液体未完全充满，以致罐车运动状态改变时，包括制动、转弯等，罐内液体会在惯性力作用下发生涌动，对罐体产生冲击，使罐车重心偏移，易引发交通事故[1-2]。为减小罐内液体晃动，增加罐车的行驶稳定性，按照《液化气体汽车罐车》的规定，液化气体汽车罐车在罐内必须设置一定数量的防波板来抑制晃动。

防波板对于汽车罐车的作用，学者已经从多方面进行了研究。陈志伟[3]通过数值模拟的方法研究了有无防波板罐车罐内液体的晃动过程，发现罐内的刚性防波板对降低罐体纵向应力峰值方面发挥的作用有限，但可减少较大作用力的作用时间。高炳军等[4]研究了罐车制动时防波板位置对防晃效果的影响，得出充装系数大于0.7时，靠近顶部安装防波板好，充装系数很小时，靠近底端安装好。李鑫等[5-6]研究了防波板的面积、数量、几何形状等对罐车晃动的影响。乐增等[7]通过模拟罐体内部的液体晃动，研究了不同型式防波板的防波效果。周斌等[8]通过流固耦合的方法分析了防波板在罐车制动时的受力分布，同时研究了防波板上设置的阻尼孔对防波效果的影响。此外一些学者也分析了防波板失效原因，并对其选材、制造、结构设计、连接接头型式等方面进行了优化[9-10]。

虽然对于液化气体汽车罐车的防波板已经做了很多研究，每年定期检验时仍发现部分服役罐车防波板出现了开裂、脱落问题。现基于检验过程中发现的防波板问题，分别从设计、制造、检验及使用方面分析防波板失效的原因，得出在同样使用工况下哪种防波板布置最为合理，从而为液化气体汽车罐车合理布置防波板提供参考。

1 防波板失效的危害

防波板不属于承压部件，在罐车制造、检验、检修中往往容易忽视检查，若在检验中不能及时发现并处理失效的防波板，则可能带来以下危害：①防波板连接处的缺陷继续扩展，造成防波板的脱落；②防波板脱落后，液体晃动幅度增大，冲击力增加，加速了其它防波板的损坏，同时罐车行驶的稳定性变差，易发生交通事故；③脱落的防波板随着液体的晃动而运动，冲击罐内其它部件，造成气相管的断裂、液位计失灵等；④防波板松动之后，在液体晃动时产生很大的响声，引起驾驶员心理恐惧，影响罐车的安全运行；⑤螺栓连接固定的防波板，由于液体的冲击、振动使螺栓松动脱落，脱落的螺母、垫片进入液相紧急切断阀，导致其不能自如地开启或关闭，造成罐车装卸困难。

2 罐车防波板失效原因分析

2.1 设计及失效问题分析

国内外对于移动式压力容器的防波板设计都是仅给出一些原则性的规定[11]。依据《液化气体汽车罐车》对防波板设置的规定，相邻防波板、防波板与相邻封头之间的容积应不大于7.5 m3；每个防波板的有效面积应不小于其所在位置处罐体横截面积的70%。现行标准没有对防波板安装的具体位置、数量及安装方式等做出明确规定，这就导致各个液化气体汽车罐车设计单位、制造单位各自为营，不同单位设计、制造的罐车防波板型式、安装方式等各不相同。

2.1.1 防波板的型式与布置方式

罐车内设置的防波板主要作用是抑制罐车运动状态改变时引起的液体晃动，按照罐车罐体的结构，罐内的液体晃动包括纵向晃动和横向晃动。由于罐车运行时纵向加速度的改变远大于横向加速度的改变，所以液体的纵向冲击远大于横向冲击。为保持罐车运行稳定性，罐内防波板必须能有效抑制这种沿着罐体长度方向液体的纵向冲击。相比防波板的纵向布置，横向布置对纵向液体晃动的抑制效果好，所以得到了广泛应用。

液化气体汽车罐车罐体是一个III类压力容器，其结构示意图，如图1所示，其A向截面图，如图2所示。从图2看出，防波板的设计型式主要有以下4种，整板中间开孔横向布置图2(a)，两层横向布置图2(b)，三层横向布置图2(c)，四层横向布置图2(d)。四种防波板的型式从设计的角度都满足标准的要求，但防波板的面积及防晃效果各有不同。防波板面积越大，防波板的防晃效果及保持罐车制动平稳性越好，所以在保持罐车的稳定性方面图2(a)>图2(d)>图2(c)>图2(b)。但在检验中发现，在防波板的失效方面，图2(a)>图2(b)>图2(c)>图2(d)。对于图2(a)型式的防波板，多数罐车在首次检验时就发生大面积的开裂、变形；图2(b)型式的防波板，随着罐车的使用也会逐渐的开裂；图2(c)型式的防波板在失效方面与图2(b)类似，但开裂、脱落的防波板位置不同；图2(d)型式的防波板很少发现失效。从上述分析看出，图2(d)型式的防波板最有利。

图1 罐体结构示意图

图2 罐体A向截面图

检验发现的防波板的布置方式除上述的横向布置外，还有极少数的罐车采用了竖向布置，仅见四层防波板的情况，如图3所示，检验中也未发现此类防波板失效。

图3 四层竖向布置

2.1.2 防波板的连接方式

防波板作为罐体的重要部件，其与罐体的连接方式，如图4所示，两端焊接连接图4(a)，一端焊接连接一端螺栓连接图4(b)，两端螺栓连接图4(c)。检验中发现，从防波板的失效方面，图4(a)>图4(b)>图4(c)。这主要有以下几方面引起：①液化气体汽车罐车一般是长距离运输，运行过程中环境温度变化大，当环境温度升高时，罐内液化气体会随着温度升高而汽化，汽化后罐内压力升高，导致罐体会发生微量的弹性变形，对防波板产生拉伸应力；罐车行驶过程中运动状态改变时，包括制动、转弯、颠簸等，罐内液体会对防波板产生冲击；②焊接结构的刚性大、拘束度大，对变形产生的应力不能松弛；③焊接连接时，防波板与加强圈的焊接接头为搭接接头，易产生焊接缺陷，且结构本身是裂纹源，在上述动载荷的共同作用下易开裂；④螺栓连接时，螺栓孔与螺栓间有间隙，对罐体弹性变形的拘束度小，承受的结构应力小。综上分析，罐车运行时，在同样的工况下，焊接连接比螺栓连接方式承受的结构应力大，容易失效，所以图4(c)的连接方式优于图4(a)与图4(b)。

图4 防波板的连接方式1.罐体 2.螺栓 3.防波板 4.加强圈 5.焊缝

2.2 制造及失效问题分析

虽然《液化气体运输车》等标准规定了防波板的有效面积、大小等，但对其具体的形式、数量、固定方式等没有具体规定，以致制造单位都按照企业内部的标准生产罐车的防波板，其材料、结构、大小、数量、形状都不尽相同。

目前，防波板制造中使用的材料有碳钢、低合金钢及铝合金。在防波板的失效方面，仅从材料因素考虑，铝合金不易腐蚀，使用寿命较碳钢、低合金钢长。

防波板的连接方式主要有焊接连接与螺栓连接，这两种连接方式在制造中都易产生缺陷。不同制造厂的制造、质量管理水平有很大的差异，特别是质量管理水平。对于防波板这样的非承压部件，若制造厂对其质量疏于管理，会产生以下缺陷：①防波板与加强圈连接的焊接接头存在裂纹、未熔合、气孔、未焊满等焊接缺陷；②对于螺栓连接的接头，防波板的螺栓孔周围有毛刺、尖角、划伤等机械加工缺陷；③对防波板的机械加工、焊接过程的无损检测重视程度不够，以致部分罐车的防波板出厂时存在缺陷。使用过程中，在流体冲击力作用下，在以上连接接头中的缺陷位置会产生应力集中，使缺陷不断扩展，最终导致防波板的开裂、甚至脱落。

2.3 失效检验及问题

防波板作为汽车罐车的重要安全附件，虽不属于承压部件，但对汽车罐车的安全运行有重要的作用，每年定期检验时必须详细检查，也是必检项目。依据《移动式压力容器安全技术监察规程》《压力容器定期检验规则》等标准，防波板的检验主要是宏观检验，发现问题或有怀疑时进行无损检测。由于检验人员的技术水平、经验的差异，及对防波板这样的结构件的认识不同，可能疏于对其仔细检查，未及时发现焊缝开裂，螺栓松动、磨损、腐蚀，以及部分薄板无折边、分段容积不合理等问题。此外，不同检验单位对检验现场管理水平不同，可能导致部分液化气体汽车罐车防波板漏检。

在每年定期检验时，若对防波板的检验不够重视，对其开裂、脱落等缺陷未及时发现、维修及更换，可能会导致罐内其它防波板的开裂、脱落，甚至整个罐体内部防波板全部脱落。罐车防波板的失效图，如图5所示。

图5 防波板的失效

2.4 运维与防波板失效关系

按照《移动式压力容器安全技术监察规程》，使用单位必须按照国家的法律、规范等做好移动式压力容器的使用管理，但在罐车的实际运行过程中，很多使用单位都不够重视，一些规定、要求未落到实处，特别是像防波板这样的结构件，表面上似乎对罐车的运行影响不大，往往疏于检查、维修。

液化气体汽车罐车的运行情况直接决定了防波板的使用年限，主要表现在以下几方面：①驾驶员对罐车的驾驶情况。未遵守限速规定高速行驶，遇到紧急情况后迅速制动，此时液体要保持原来的运动状态而对防波板产生很大的冲击载荷，所以速度越快、紧急制动的次数越多，防波板寿命就越短；②罐车运行的道路状况。路面状况越差，越颠簸，则液体晃动就越大，防波板受冲击越大，寿命越短；③充装介质的影响。罐车充装介质的腐蚀性越大，防波板的使用周期则越短；④充装率的影响。罐车的充装率很小时，液体对防波板的冲击也很小；随着充装率的增加，防波板受液体的冲击增加，但增加到一定值之后，液体对防波板的冲击力随充装率的增加而减小，所以罐车罐体的充装率与防波板的的失效不成正比；⑤使用单位管理重视程度不够。罐车投入运行后，管理单位未按照国家规程的要求进行定期检验和修理，甚至部分罐车长期未检验。此外，在发现罐车内部有异常响声，或怀疑防波板脱落时仍然坚持运行，也会导致防波板的开裂、脱落。

3 结 语

防波板虽然是结构件，但对于液化气体汽车罐车的安全运行非常重要。文中基于检验中发现的防波板问题，重点分析总结了设计、制造、检验及使用环节对防波板失效的影响。总结重点如下：①国内防波板的设计、制造没有统一的标准，设计、生产单位都使用企业的内部标准，以致液化气罐车的防波板型式多样，安装方式、安装位置、面积及布置方式等各不相同。从防波板的失效角度看，四层横向布置的铝合金防波板最好，整板中间开孔横向布置的防波板最差；②防波板属于非承压结构件，制造、检验单位对其重视程度不够，使部分服役罐车防波板的连接接头处存在缺陷，缺陷在使用过程中不断扩展，导致防波板的开裂、脱落；③液化气体汽车罐车正常运输时的道路情况、充装介质的腐蚀性、充装率等客观条件也加速了防波板的开裂、脱落。

鉴于以上分析，为了保证液化气体汽车罐车在使用周期内防波板不失效，做到防患于未然，应该从设计、制造、检验及使用几方面共同完善，以此增加罐车的行驶稳定性，为罐车运行的安全性提供保障。