车用LNG气瓶夹层增压管失效分析

孟新军

(西安德森新能源装备有限公司，陕西 西安 710043)

0 引言

车用液化天然气气瓶作为一种低温绝热压力容器，设计有双层真空结构。在真空划分的四个区中，车用液化天然气气瓶充装液氮后，夹层真空度≤2.0×10-2Pa，夹层空间属于高真空状态。自增压车用LNG气瓶最关键的部位为连接内外胆作为增压出液用的夹层增压管。目前市场上常出现自增压气瓶夹层增压管本体或焊接接头热影响区产生裂纹失效，导致气瓶真空丧失，寿命终止而无法使用。文章以某厂家LNG气瓶结构为载体，通过失效产品数据分析、失效断口检测分析、理论分析，系统全面地查找根本原因，提出解决方案。经过市场验证，新结构气瓶可以解决夹层增压管失效问题。希望能对自增压结构液化天然气气瓶使用寿命延长、降低生产企业三包更换费用提供重要的指导意义。

1 失效数据分析

1.1 失效模式简介

某厂家2017～2018年车用LNG气瓶夹层增压管失效模式主要为夹层增压管与内部套管焊缝根部热影响区断裂(即位置一)。经过不断的工艺优化、设计改进，位置一失效得到了明显改善，但又出现了新的失效模式：夹层增压管与90°转换接头焊缝热影响区断裂(即位置二)，断裂失效位置对比照片如图1和图2所示。

图1 原失效位置(位置一)

图2 新失效位置(位置二)

1.2 失效数据分析

统计某厂家不同结构车用LNG气瓶夹层增压管失效数据，可知外前封头补强板是否塞焊不能解决夹层增压管失效，见序号1与序号3；外前封头壁厚、外前封头补强板、前端支撑结构直接影响气瓶支撑刚性，改变夹层增压管受力状态；前端刚性协调时，可以解决夹层增压管失效，见序号2与序号4结构。

1.3 断口扫描分析

夹层增压管断口扫描照片分别如图3所示。

图3 断口扫描照片

从图3可以明显看出，根据气瓶夹层增压管断口形貌特征判定，该断裂形式为疲劳断裂，裂纹源位于管路外表面，疲劳裂纹扩展区可见明暗交替、有规则、相互平行的条纹，即疲劳辉纹，一般每一条纹代表依次循环载荷。

1.4 金相组织分析

鉴于本次夹层增压管失效断裂位置均为焊缝热影响区，因此通过金相组织查看热影响区组织是否过热粗大。断口截面热影响区、母材金相组织如图4和图5所示。

图4 热影响区金相

图5 母材金相

从图4、图5中可以看出母材、热影响区晶粒各向异性明显，但热影响区晶粒并未发生明显的粗化现象，可判定夹层增压管与90°转换接头位置焊接参数合适，没有产生过热。

1.5 母材成分检测分析

由于热影响区金相中出现了长条状非正常组织，因此对已断裂夹层增压管、90°转换接头成分进行检测，检测结果如表1所示。

表1 母材化学成分检测结果(质量分数%)

从表1可以看出，管路、接头化学成分均符合国家标准要求。

1.6 小结

通过失效数据分析、断口扫描、金相组织、化学成分检测分析，可知夹层增压管断裂失效模式主要是由疲劳载荷作用下的结构设计不合理而导致。气瓶夹层增压管快速疲劳失效的原因推断为：运输过程中疲劳载荷的某个频率成分与夹层增压管与90°焊接接头的固有频率成分相近，即力学上所谓的“落进某个频率禁区”，该结构局部应力变化范围被放大，应变幅增大而产生的快速低周疲劳失效。

2 焊接结构抗疲劳强度理论分析

影响焊接结构疲劳性能的因素只有两个：一个是焊接结构内部自身抵抗疲劳的能力，即内因；另一个是焊接结构所承受的疲劳载荷，即外因。由于车用LNG气瓶使用工况各不相同，因此其承受的外载荷是无法控制的。因此，为了解决焊接结构疲劳失效只能通过提高焊接结构自身抵抗疲劳的能力来实现。

焊接接头的疲劳破坏模式有两种：一种是焊缝附近沿板的厚度方向的破坏模式，即模式A，它的破坏始于焊趾；第二种是焊缝破坏，即模式B，它的破坏始于焊根，穿过焊缝金属[1]。

模式B的破坏可以通过设计适当的焊缝尺寸和使用适当的焊接工艺予以避免。模式A的破坏难以解决是由于焊接接头的整体和局部不连续性造成的，即使焊接缺陷为零、焊接质量很好的焊缝，在焊趾上也客观存在着局部微观裂纹，因此要解决模式A的破坏必须通过结构和接头形式的合理设计，杜绝焊接过程中产生各种缺陷，从而使解决焊接结构应力集中问题彻底解决。英国焊接研究所的试验数据证明了母材本身的屈服强度对于焊接接头疲劳特性的影响不明显[2]。因此通过提高母材屈服强度提高焊接接头抗疲劳能力并不现实。

世界著名焊接结构疲劳问题评估专家董平沙教授曾解释：“外载荷引起的疲劳应力和焊接引起的残余应力不是简单的叠加关系，因为前者由力控制，后者由位移或应变控制。随着裂纹的扩展，由位移控制的残余应力迅速下降，由外力引起的疲劳应力迅速增加。但与应力集中相比，残余应力对焊接结构疲劳寿命的影响很小”[3]。可知焊接残余应力在疲劳裂纹起裂时起到一定的作用，但对焊接结构疲劳寿命影响很小。

应力由应变控制，应变由变形控制，变形则是由刚度控制。因此在焊接结构抗疲劳设计时，需要明确应力与刚度之间的内在关系，刚度的协调才能缓解局部的应力集中。实际发生过案例：某机车焊接牵引座的端部焊缝疲劳开裂以后，有人建议将牵引座的补强板加厚以增加其强度，然而补强板加厚以后，端焊缝的疲劳寿命反而更短了。后来有人建议将牵引座向后移动一段距离，结果问题依旧。其实原因很简单，端焊缝因补强后连接刚度变得更不协调了，从而导致应力集中反而加剧了。后一个措施则是“应力集中的移动”而不是“应力集中的缓解”。不同结构气瓶夹层增压管失效已经验证了气瓶前端刚性的不匹配性才会导致不同位置失效，因此在刚性匹配上可借鉴学习国内《焊接结构》[4]、国外《焊接结构疲劳强度》[5]。

综上分析可知：要解决夹层增压管组件模式A破坏，首先保证前端刚性相对协调，再明确不同结构更改后整个气瓶上关键位置应力分布状态，从而优化设计夹层增压管组件焊接结构，提高焊接结构承载能力，减小焊接结构应力集中，以彻底解决夹层增压管组件疲劳断裂失效。

3 结语

通过数据分析、失效断口检测分析、理论分析得出以下结论：是否塞焊不能解决夹层增压管失效，但塞焊能保证补强板与外前封头良好的贴合度，保证补强效果。外前封头壁厚、外前封头补强板、前端支撑结构直接影响气瓶支撑刚性，改变夹层增压管受力状态；前端刚性协调是解决夹层增压管失效的关键因素，明确气瓶整体结构下前端应力分布、夹层增压管焊接结构应力分布和应力集中位置峰值，可彻底解决夹层增压管失效。