《安全管理论文》之车用天然气缠绕气瓶安全分析.doc

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车用天然气缠绕气瓶安全分析摘要：发展天然气汽车符合国家节能与新能源汽车发展战略的要求，车用天然气缠绕气瓶是天然气汽车的重要专用装置。做好车用天然气缠绕气瓶的安全性分析，消除其安全隐患可为减少或杜绝车用气瓶发生重、特大安全事故提供保障。根据《车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶》企业标准的有关规定，介绍了钢瓶的材料、设计、制造、力学性能试验和各种检测方法等，对车用天然气缠绕气瓶在设计、制造和使用中容易发生的安全隐患及原因进行了分析，并提出了相应的解决措施。关键词：CNG汽车；缠绕气瓶；安全；分析0前言车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶(以下简称缠绕气瓶，即CNG-2型瓶)是一种经济、安全、环保型机动车用燃气储存设备。随着国际油价的不断变化、机动车数量的急剧增加、人们环保意识的逐渐增强，作为清洁能源的天然气在城市公交、汽车运输等领域得以广泛应用。缠绕气瓶主要由两部分组成：钢质内胆和纤维缠绕层。目前国内多数厂家采用的设计、制造、验收标准是参照ISO11439—2000《天然气汽车车载高压气瓶》国际标准制订、经全国气瓶标准化技术委员会审查备案的企业标准。缠绕气瓶的安全性与该两部分质量的好坏和相互关联度密切相关。为此，探讨了影响缠绕气瓶安全性的因素和解决缠绕气瓶安全性所采取的主要措施。1影响缠绕气瓶安全性的因素影响缠绕气瓶安全性的因素主要有3个方面：缠绕气瓶所用材料、制造技术和安全泄放装置。1.1缠绕气瓶所用材料1.1.1内胆材料缠绕气瓶内胆材料选用钢材，所充装的介质为天然气。尽管天然气在充装前经过脱硫、脱水、脱轻油处理，其硫化氢含量较低(不高于20mg/m3)，但当钢瓶中残存有水时，水中溶入大量的硫化氢，会对钢材产生腐蚀作用(在温度低于250℃，干燥的硫化氢不对钢材起腐蚀作用)。硫化氢遇水产生电离，生成的氢向钢中扩散，在局部区域聚积达到极限浓度时导致钢的脆性破坏。金属中残留的氢或氢与金属生成氢化物所造成的金属脆化现象，称为氢脆。氢脆的断裂性质为脆性断裂。关于氢脆的机理，通常认为是容器内部存在初始缺陷或由于化学反应生成了缺口[1]，滑移时，由于晶界和夹杂物的存在，在缺口的前沿塑变区内继续产生一些细微的裂纹或空穴。对于缠绕气瓶而言，随着内胆材料强度的增加，产生脆性的可能性加大[2]。影响氢脆产生的主要因素：1)材料因素：氢脆易发生在高强度材料中，钢的抗拉强度和屈服强度越高，氢脆敏感性越大。钢的氢脆还与化学成分和组织密切相关，未回火的马氏体组织最易产生氢脆，钢中的夹杂物，尤其是硫化物极易诱发氢脆。2)应力因素：拉应力引起氢脆。3)环境因素：钢中氢含量在0.45mg/m3以上时，随着氢含量增加，钢的脆性增大，而断裂应力、断面收缩率和延伸率降低。1.1.2缠绕层材料缠绕层材料由纤维和树脂两部分组成。用于缠绕气瓶的结构增强性纤维材料有玻璃纤维、芳纶纤维或碳纤维。所用树脂则分为热固性和热塑性树脂。由于缠绕气瓶循环地充、放天然气，因此要求缠绕层在持续载荷和循环加载下应有高可靠性，其材料的好坏、纤维与树脂体系的有机匹配都直接影响着缠绕气瓶的质量。1.2缠绕气瓶制造技术在IS011439—2000国际标准中，对缠绕气瓶内胆用钢坯或无缝钢管制作未作明确要求，而我国多数企业采用钢管旋制。采用此方法，在制造缠绕气瓶时，主要在以下几方面易产生缺陷：1)钢管旋压成型工序，在瓶底、瓶肩内表面易产生皱折、裂纹，造成应力集中。2)内胆热处理工序，其力学性能均匀性、一致性不易得到保证。3)缠绕、固化工序，易出现固化不彻底、缠绕层黏合不好的现象。1.3缠绕气瓶安全泄放装置缠绕气瓶安全泄放装置的选取，应能满足缠绕气瓶在各种复杂工况下的安全泄放要求。2解决缠绕气瓶安全性缺陷所采取的主要措施2.1材料2.1.1内胆材料根据以上分析，内胆材料宜选用符合GB 18248《气瓶用无缝钢管》标准的30CrMo气瓶用无缝钢管，并控制其硫、磷含量。铬钼钢具有优良的综合性能，经过热处理后，在较高的强度水平上仍能保持良好的塑性和足够的韧性；同时，对内胆材料化学成分也作了严格的规定(见表1)。经热处理后，其抗拉强度应不低于保证值，且不高于880MPa；屈强比不大于0.85；断后伸长率不小于14%；3个试样冲击功平均值不低于30J。表1内胆材料化学组成表化学成分CSiMnCrMoSPS+P质量分数(%)≤0.40.15～0.370.40～0.900.80～1.200.15～0.35≤0.02≤0.02≤0.03 2.1.2缠绕层材料纤维材料选用符合标准的结构增强性玻璃纤维、芳纶纤维或碳纤维。采用碳纤维时，应采取措施，防止缠绕气瓶金属部件产生电化学腐蚀(在内胆外表面与碳纤维之间缠绕部分玻璃纤维；或对内胆外表面进行防腐处理等)。树脂选用热固性环氧树脂，按一定的比例配料，经过缠绕、固化工序后，验证其缠绕层抗拉强度和层间剪切强度是否达到保证值的要求，并据此制订合格、成熟的工艺路线和工艺手册。2.2设计根据标准规定，缠绕气瓶在正常使用期间，其承压部件由于可能的质量退化会出现“未爆先漏”的失效模式[3]。参照GB 5099—1994《钢质无缝气瓶》实际爆破压力计算公式S=pb·D0/(2.1Rm+pb)[4]，计算出内胆筒体满足最小爆破压力时的最小厚度；由缠绕气瓶最小爆破压力确定缠绕层数(金属内胆封头承担轴向拉应力，缠绕层只承受周向应力)；确定缠绕气瓶自紧压力极限范围(根据载荷、位移的边界条件及其有限元网格图，用应力分析的方法，计算自紧后缠绕气瓶在零压力、公称工作压力、水压试验压力和设计爆破压力下，缠绕层和内胆中的应力)；根据应力分析，确定最优化的结构；同时，计算缠绕气瓶在水压试验压力下的安全泄放量，据此选择安全泄放装置。该安全泄放装置应为易熔合金塞和爆破片复合式。2.3制造与验收1)钢管进厂复验其化学成分，并采用超声检测方法检测其质量。经过中频加热旋压后，分别成型瓶肩和瓶底；瓶肩、瓶底形状应圆滑过渡，无突变；收底后，去除瓶肩、瓶底附近内壁皱折和其他缺陷，并保持圆滑过渡；同时用专用工具检查其内部。对气瓶内外表面进行抛丸处理，不允许有裂纹存在，表面应光滑平整，尽量减少应力集中。2)为了得到满足性能和要求的金相组织，对金属内胆进行调质热处理，热处理后的力学性能控制在设定的范围之内，同时对内胆的金相组织进行检测，其纤维组织应为回火索氏体；晶粒度不低于6级；内外壁脱碳层深度不超过0.3mm，确保内胆组织不存在马氏体，避免发生氢脆。然后用磁粉和射线检测方法，检查其质量。3)气瓶内胆缺陷易加剧气瓶氢脆、发生应力腐蚀。因而，必须控制其缺陷的产生。在热处理后，对内胆进行磁粉和射线探伤检查，不允许有任何裂纹存在，并对内胆的直线度、椭圆度等加以严格控制。4)气瓶内壁的拉应力易导致氢脆。因此，对气瓶内壁进行喷丸处理，内表面形成局部压应力，使钢瓶内壁处于预压应力状态，改善其抗疲劳性能和抗氢脆能力。5)对缠绕气瓶内壁进行防腐处理，防止氢向钢中扩散，产生氢脆。6)纤维处理。纤维采用了增强浸润剂进行处理，存储不当会吸附大量的水分，纤维表面的这些游离水会影响树脂基体与纤维的黏合，使微裂纹等缺陷进一步扩展，从而使缠绕层强度和耐老化性能下降[5]。因此，纤维使用前需进行烘干处理(60～80℃下烘干24h)。7)浸胶及胶液含量。胶液含量的变化及分布对缠绕气瓶质量的影响较大：①会直接影响缠绕气瓶的厚度控制；②若含胶量过高，缠绕层的强度会降低，含胶量过低，则耐老化性能及剪切强度又会下降，同时也影响纤维强度的发挥。因此，需严格控制纤维缠绕的含胶量，保证整个缠绕过程中的含胶量均匀。实际操作中将含胶量控制在17%～25%之间。影响含胶量的因素较多，主要有胶液黏度、缠绕张力、浸胶时间等。同时胶液温度也与缠绕气瓶质量息息相关，因此，通常在浸胶槽下装备恒温水箱，以控制胶液温度。水温控制在20～40℃，胶液黏度控制在0.35～1.0Pa·s。8)连续、成熟的缠绕、固化技术。缠绕张力是缠绕工艺的重要参数。张力大小、各束纤维间张力的均匀性以及各缠绕层之间纤维张力的均匀性等都直接影响着缠绕气瓶的质量。因此，采用专用设备控制其缠绕张力的大小和变化，限制缠绕速度。湿法缠绕纱线速度不超过0.9m/s，同时气瓶内胆旋转速度也不能过高，否则，胶液会在离心力作用下，向外迁移和溅洒。缠绕角是纤维缠绕方向与气瓶内胆轴向之间的夹角。对于环向缠绕气瓶，其缠绕角接近于90°。缠绕角与纤维缠绕纱片宽度有直接关系。经测算，缠绕时，纱片宽度不宜大于24mm，以便纤维受力最大限度地用于环向。9)对固化后的缠绕气瓶进行自紧处理。自紧是制造缠绕气瓶时对金属内胆的加压过程，使内胆应变超过其屈服点，足以引起永久性的塑性变形。加压的结果，使缠绕气瓶内部在零压力时，内胆具有压应力，纤维具有拉应力。这样，有利于提高缠绕气瓶的承载能力、改善其抗疲劳性能和抗氢脆能力。3结论缠绕气瓶的安全性既与金属内胆化学成分、力学性能有关，又与其缠绕层质量和制作工艺密不可分。主要从以下方面来控制缠绕气瓶的安全性：1)限定金属内胆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%，硫磷总量小于0.03%。2)限制金属内胆实际抗拉强度值，要求σb不高于880MPa，屈强比不大于0.85。3)要求金属内胆材料有较高塑性，其断后伸长率不小于14%，3个试样冲击功平均值不低于30J。4)控制金属内胆初始缺陷尺寸，并采取内胆内壁喷丸和外壁抛丸的工艺保障措施。5)对缠绕气瓶内壁进行防腐处理。6)采用自紧工艺，使内胆与纤维缠绕层紧密贴合，成为连续受力体，使缠绕气瓶在零压力时，内胆具有压应力，纤维具有拉应力，以此来提高缠绕气瓶的承载能力和延长其使用寿命。综上所述，针对影响缠绕气瓶安全性的因素，从材料、设计、制造、验收等各个环节采取有效措施，尤其是限制金属内胆实际抗拉强度上限值和对内胆内壁进行防腐处理，对于降低氢脆等危害的产生，提高缠绕气瓶的安全性非常重要，并在实践中取得了良好的效果。参考文献[1]化学工业部化工机械研究院.腐蚀与防护手册——腐蚀理论、试验及监测[M].北京：化学工业出版社，1989.[2]秋长鋆.高强度钢在常温高压氢气中的氢脆[J].中国锅炉压力容器安全，1999(6).[3]IS011439—2000天然气汽车车载高压气瓶[S].[出版地不详]：[出版者不详]，2000.[4]国家技术监督局.钢质无缝气瓶[S].北京：中国标准出版社，1995.