车用LNG气瓶常见失真空原因分析

“真空”是指给定空间内气体分子密度低于该地区一个大气压力的气体分子密度[1]。在真空划分的四个区中，车用LNG气瓶充装液氮后，夹层真空度≤2.0×10-2Pa[2]，夹层空间属于高真空状态，车用LNG气瓶影响绝热性能的诸多因素中，气瓶真空度起着至关重要的作用。气瓶失真空后则无法继续使用，直接报废。本文以某厂家自增压结构车用LNG气瓶为载体，通过实践经验及理论分析阐述了车用LNG气瓶常见失真空原因，为自增压结构LNG气瓶寿命延长、降低生产企业三包更换费用提供一定的指导意义。

1 失真空原因分析

车用LNG气瓶作为一种低温绝热压力容器，设计有双层真空结构。内胆用来存储-162℃的LNG，设计压力1.59MPa，内胆外壁缠绕绝热材料，具有超强隔热性能，内外胆夹层之间抽成高真空，进一步降低热量传输，提高绝热性能。内胆设计有主、副两级安全阀在超压时起到保护作用，使用安全可靠。外壳对夹层真空的保护通过抽空赛来实现[3]。自增压结构车用LNG气瓶失真空主要有两种失效模式：一种为内容器泄漏导致夹层空间压力快速升高，当压力达到0.1～0.2MPa时抽空赛打开泄压，若真空塞被夹层压力弹出直接导致真空破坏；另一种为外容器泄漏，夹层空间真空度缓慢降低，压力逐渐升高，直至与大气压一致，气瓶夹层真空破坏，这种情况通常真空塞不会被弹出。

1.1 内胆泄漏失真空

内胆泄漏是指内胆焊缝及与内胆相连的支撑结构焊缝是否发生泄露，常出现内胆泄漏的结构位置有以下两点：

1.1.1 夹层增压管泄漏

夹层增压管路本体或焊缝泄漏是自增压LNG气瓶失真空原因中占比最高的一项，结合目前各厂家市场反馈，占比可达80%以上。

夹层增压管本体泄漏主要是由于不锈钢冶炼时杂质元素未清除干净，导致管路本体开裂或由于焊接时热量输入导致杂质元素析出，造成热影响区脆性断裂。管路本身材质质量问题导致，可通过控制管材材质，入厂后复检管材化学成分、力学性能、使用前渗透检测等方法控制。

焊缝泄漏分为内胆位置夹层增压管焊缝泄漏和外胆位置夹层增压管焊缝泄漏，内胆位置夹层增压管焊缝泄漏主要由于焊接质量问题导致，管路与接头壁厚差异大，容易导致管路击穿，若管路背面不能有效保护，将导致管路背面氧化凹陷，削减管路有效壁厚，引起应力集中，承载能力下降导致失效。

外胆位置夹层增压管焊缝泄漏主要原因有三点：①夹层增压管组件定位不准确，封口焊接时为了保证焊接位置，强力组装，导致原本处于自由状态的夹层增压管组件内应力较大，承载能力大幅降低，可通过增加夹层增压管组件定位解决；②焊接残余应力、车载运行剪切力叠加导致焊接接头疲劳失效加速，焊接接头冷却后使管壁受到拉应力，封口工位套管、应力释放板焊接再次使管壁受到拉应力。夹层增压管焊接接头在车辆运行过程中的受力方向，主要是车辆加速、减速或刹车时垂直于焊缝和夹层增压管的剪切力；强力组装时也受到周向剪切力。③焊接结构设计问题，焊接接头设计不合理降低接头承载能力，焊接难度加强，导致焊缝位置存在尖锐缺口，焊接接头承载时尖锐缺口作为裂纹源扩展开裂，加速焊接接头失效，降低疲劳寿命。

1.1.2 内容器环焊缝泄漏

内容器环焊缝泄漏主要是起弧、收弧搭接位置泄漏，LNG气瓶内胆环焊缝通常采用熔化极气体保护焊，由于该焊接方法焊接电流与送丝速度相匹配，因此起收弧搭接位置熔池铺展不开容易出现虚焊，气瓶服役过程中受力后失效发生泄漏。可通过角磨机清理起、收弧位置虚焊缺口，使用手工TIG焊补焊，即可杜绝该类问题发生。

1.1.3 小结

内胆泄漏还有可能发生在内胆管路与接头焊接的焊缝位置，该问题多是由于焊接时击穿薄壁管路导致壁厚减薄降低承载能力。综上所述，在内胆泄漏原因中起主导作用的是气瓶自增压焊接结构设计问题，其次是工艺控制问题。

1.2 外胆泄漏失真空

外胆泄漏是指外胆主体焊缝及与外胆相连的支撑结构焊缝是否发生泄漏，常出现外胆泄漏的位置有以下两点：

1.2.1 外胆环焊缝泄漏

外胆焊缝泄漏主要是焊接质量问题引起的。各气瓶生产厂家外胆环焊缝焊接工艺主要有钨极氩弧焊和熔化极氩弧焊两种，钨极氩弧焊常焊接两层，熔化极氩弧焊焊接一层。由于双层结构限制，外胆环焊缝无法进行无损检测，因此不能识别是否存在缺陷。钨极氩弧焊焊缝出现泄漏主要是由于焊接速度太快，打底层存在未熔合，该面层虚焊一层，焊缝强度不够，气瓶服役后发生泄漏。熔化极氩弧焊焊缝出现泄漏与内胆环焊缝泄漏原因一致，均为起、收弧搭接位置。

文章来源：《真空科学与技术学报》 网址: http://www.zkkxyjsxb.cn/qikandaodu/2020/1113/401.html