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耘穆
5 years ago
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1 汽车用压缩天然气钢瓶疲劳试验在线检验技术研究 ( 南京市锅炉压力容器检验研究院南京 1000) 摘要 : 本文通过声发射检测技术对汽车用压缩天然气钢瓶疲劳试验进行了在线检验技术研究, 研究发现, 声发射技术检测气瓶的疲劳试验, 可很好地表征裂纹扩展的各个过程 ; 裂纹深度为 0.5mm 的气瓶其疲劳寿命低于设计寿命 ; 裂纹深度为 0.3mm 的气瓶其疲劳寿命高于设计寿命关键词 : 压缩天然气钢瓶疲劳试验在线检验声发射技术 0 前言压缩天然气即 Compress Natural Gas, 简称 CNG 技术, 它是采用特制的储气钢瓶在充气站通过加压设备施加高压强行将天然气压缩至瓶内贮存, 专用于汽车替代汽油的燃料这一技术目前在国外尤其在美国英国日本德国意大利和加拿大等发达国家得到广泛的应用其主要优点如下 [1] :(1) 低污染, 作为气体燃料比固体或液体燃烧得更完全更彻底, 单位热值所产生的 CO 比石油低 30%, 废气排放总量是汽油燃料的 0% 因此能较好地减少对大气的污染和温室效应的形成 () 先进性, 可降低汽车机械摩擦的耗损, 延长使用寿命, 并且噪音小, 操作方便 (3) 效益性,1m 3 的可代替 1.1Kg 汽油, 行驶相同里程可节约燃料费近 30%, 而 CNG 汽车较普通汽车的维护成本费可下降 40% (4) 实用性, 我国天然气储藏十分丰富, 总量约为亿立方米以上, 至少可供开采 70 年以上然而, 车用压缩天然气瓶在使用过程中不断地受到反复充装的疲劳载荷, 其疲劳寿命取决于疲劳裂纹扩展速率为此, 国内外标准规定的压缩天然气瓶寿命时考虑疲劳寿命我国车用压缩天然气气瓶的设计使用寿命一般定为 15 年 ( 出租车为 5 年 ), 相当于设计充装次数每年 1000 次实际使用寿命应根据实际使用情况确定, 一般低于设计使用寿命, 而且车辆报废时, 所用气瓶应同时报废 [] 美国标准规定设计使用寿命最长为 0 年, 最小充装次数 1150 次, 最大充装次数为 750 乘使用寿命 [3] ISO EN 及 ECE R110 标准规定设计使用寿命由气瓶制造厂根据气瓶实际使用条件确定, 最长为 0 年, 相当于设计充装次数每年 1000 次 [4] 声发射技术能够检测材料中活性缺陷, 而每一次疲劳裂纹扩展都能够产生新的活性缺陷, 并同时产生有效的声发射信号, 能够被声发射仪器所检测 [5] 为此, 本研究利用声发射技术在预制缺陷的车用压缩天然气瓶疲劳试验过程中监测有效的声发射信号, 并通过分析该特征信号, 得出疲劳裂纹扩展过程 1

2 1. 试验方法 1.1 人工模拟缺陷钢瓶试验用含有人工模拟缺陷的天然气钢瓶材质为 30CrMo, 规格为 Φ3 6.0, 容积 50 升按正常生产工艺与标准钢瓶同批进行制造, 底部采用 B 型底结构, 见图 1 1# 气瓶, 模拟裂纹缺陷 : 距离瓶肩 100mm 处预制缺陷, 长度 100mm, 深度 0.5mm, 走向为横向 ; 距离瓶肩 150mm 处预制缺陷, 长度 100mm, 深度 0.5mm, 走向为纵向 ; 距离瓶底 100mm 处预制缺陷, 长度 100mm, 深度 0.5mm, 走向为纵向 ; 距离瓶底 150mm 处预制缺陷, 长度 100mm, 深度 0.5mm, 走向为横向 3 4 # 气瓶, 模拟裂纹缺陷表面涂覆污泥 : 距离瓶肩 100mm 处预制缺陷, 长度 100mm, 深度 0.3mm, 走向为横向 ; 距离瓶肩 150mm 处预制缺陷, 长度 100mm, 深度 0.3mm, 走向为纵向 ; 距离瓶底 100mm 处预制缺陷, 长度 100mm, 深度 0.3mm, 走向为纵向 ; 距离瓶底 150mm 处预制缺陷, 长度 100mm, 深度 0.3mm, 走向为横向并在表面涂敷污泥, 模拟车载天然气气瓶在实际使用过程表面的泥土和灰尘等外部污染情况 1. 试验仪器 1 图 1 钢瓶结构简图注 : 图中代表声发射传感器试验采用 SWAES35 全波形数字化声发射检测仪, 前放型号 PAI40dB, 传感器型号 SR150 采用三个传感器阵列的柱面定位法, 见图加载过程加载过程在专用的疲劳试验台上进行, 介质为润滑油, 加载高压为 0MPa, 低压为 MPa, 加载速度 7 次 /min, 加载过程见图 MPa Min 图疲劳试验加载曲线

. 试验结果及分析表 1 为气瓶疲劳试验进行 10000 次后出现的裂纹扩展发射信号参数, 其波形图见图 3 从图表中可以看出, 裂纹扩展信号幅值高, 且该高幅值信号呈周期性变化表为 1 号气瓶疲劳试验进行 13000 次后出现的泄漏声发射信号参数, 其波形图见图 4 从图表中可以看出, 泄漏信号幅值低信号之间间隔时间短表 1 疲劳裂纹扩展的声发射信号参数表序号到达时间 (μs)

3 . 试验结果及分析表 1 为气瓶疲劳试验进行次后出现的裂纹扩展发射信号参数, 其波形图见图 3 从图表中可以看出, 裂纹扩展信号幅值高, 且该高幅值信号呈周期性变化表为 1 号气瓶疲劳试验进行次后出现的泄漏声发射信号参数, 其波形图见图 4 从图表中可以看出, 泄漏信号幅值低信号之间间隔时间短表 1 疲劳裂纹扩展的声发射信号参数表序号到达时间 (μs) (dd:mm:ss:mmm:μμμμμμ) 通道号幅度 (db) 振铃计数持续时间 (μs) 能量 (mv μs) 上升计数上升时间 (μs) 1 3:14:50:38: :14:50:38: :14:50:38: :14:50:45: :14:50:45: :14:50:45: :14:58:04: :14:58:04: :14:58:04: :15:00:8: :15:00:8: :15:00:8: 图 3 裂纹扩展的波形图随着疲劳载荷不断加载, 气瓶表面预制裂纹尖端产生应力集中, 引起裂纹尖端的塑性变形, 导致局部的疲劳损伤, 在微观层次形成表面滑移带, 开始萌生细小裂纹, 就此形成了疲劳裂纹在疲劳加载的一个周期内, 气瓶受到来自于疲劳加载应力 σ 的作用, 由于气瓶存在早期的萌生裂纹, 气瓶壁将会产生一长度为 α 的疲劳裂纹在裂纹的扩展过程中, 体系增加了表面能 [6] : U = 4αγ (1) S 其中 γ 为单位表面能, 即表面张力 ; 根据弹性力学, 此时体系释放的弹性能为 : U σ πα σ = (πα ) = () e E E 弹性能量将主要以弹性波的方式向外传播, 弹性波可分为压缩波 ( 纵波 ) 和切变波 ( 横波 ), 它们以不同的速度在气瓶壁内传播, 遇到气瓶外壁与空气的界面和气瓶内壁与润滑油界面时会产生反射和折射任何一种波在界面上反射时都 3

要发生波型转换, 同时出现纵波和横波, 并各自按反射和折射定律反射和折射这样弹性波通过不断的折射和反射在气瓶壁内进行传播, 并被与气瓶表面耦合良好的传感器所捕获, 经过声发射仪的波形转换, 最终显示于仪器屏幕, 波形图见图 3, 特征参数见表 1 气瓶表面耦合有 4 个传感器, 且 4 个传感器都能接受到同一个弹性波, 根据接受弹性波时间的不同, 采用时差法对信号源进行定位, 如图 5 表

4 要发生波型转换, 同时出现纵波和横波, 并各自按反射和折射定律反射和折射这样弹性波通过不断的折射和反射在气瓶壁内进行传播, 并被与气瓶表面耦合良好的传感器所捕获, 经过声发射仪的波形转换, 最终显示于仪器屏幕, 波形图见图 3, 特征参数见表 1 气瓶表面耦合有 4 个传感器, 且 4 个传感器都能接受到同一个弹性波, 根据接受弹性波时间的不同, 采用时差法对信号源进行定位, 如图 5 表气瓶泄漏的声发射信号参数序号到达时间 (μs) (dd:mm:ss:mmm:μμμμμμ) 通道号幅度 (db) 振铃计数持续时间 (μs) 能量 (mv μs) 上升计数上升时间 (μs) 1 1:0:33:13: :0:33:13: :0:33:13: :0:33:13: :0:33:13: :0:33:13: :0:33:13: :0:33:13: :0:33:13: :0:33:13: :0:33:13: :0:33:13: :0:33:13: :0:33:13: :0:33:13: 图 4 泄漏信号的波形图经过疲劳裂纹扩展以后, 体系的能量变化为 : πα σ U = U S + U e = 4αγ (3) E * 随着裂纹扩展的不断进行, 当 α = α 时有 U πασ = 4γ α E 0 (4) 则裂纹会自动扩展裂纹开始自动扩展以后, 气瓶壁厚迅速减薄, 当强度不足于承受疲劳载荷时, 就发生气瓶开裂, 疲劳加载介质开始泄漏, 其声发射信号 4

波形如图 4 所示, 信号参数见表从以上分析可知, 利用声发射技术检测气瓶的疲劳试验, 可很好地表征裂纹扩展的各个过程预制裂纹深度为 0.5mm 的气瓶在疲劳循环 13000 次后, 生产泄露现象表明在制造和使用过程中, 气瓶一旦出现深度大于或等于 0.

5 波形如图 4 所示, 信号参数见表从以上分析可知, 利用声发射技术检测气瓶的疲劳试验, 可很好地表征裂纹扩展的各个过程预制裂纹深度为 0.5mm 的气瓶在疲劳循环次后, 生产泄露现象表明在制造和使用过程中, 气瓶一旦出现深度大于或等于 0.5mm 的裂纹后, 其疲劳寿命仅为次, 根据我国压缩天然气瓶标准, 推断可得使用年限只有 13 年, 低于设计寿命所以仅从疲劳寿命的角度而言, 在制造过程中, 出现大于或等于 0.5mm 深度的裂纹是不安全的, 也是不合格的 ; 在使用过程中, 出现大于或等于 0.5mm 深度的裂纹, 需根据已经使用的实际年限, 综合判定安全状况预制裂纹深度为 0.3mm 的气瓶在疲劳循环此后, 未见泄露现象表明气瓶一旦出现深度小于或等于 0.3mm 的裂纹, 其疲劳寿命大于次, 符合气瓶的设计寿命图 5 声发射信号定位图 3 结论 (1) 气瓶的疲劳裂纹扩展声发射信号具有信号幅值高且呈周期性变化特点, 泄漏声发射信号信号幅值低信号之间间隔时间短特点利用声发射技术检测气瓶的疲劳试验, 可很好地表征裂纹扩展的各个过程 () 裂纹深度为 0.5mm 的气瓶其疲劳寿命低于设计寿命, 在制造过程中出现是不允许的 ; 在使用过程出现需根据实际情况, 综合判定安全状况 (3) 裂纹深度为 0.3mm 的气瓶其疲劳寿命高于设计寿命参考文献 [1] 杨云伦. CNG 技术的发展前景及消防安全措施探讨 [J]. 消费科技,1998,(1): [] GB , 汽车用压缩天然气钢瓶定期检验与评定 [s]. [3] ANSI/CSA NGV-000, 车用压缩天然气气瓶基本要求 [s]. [4] EN ISO , 车用压缩天然气气瓶 [s]. [5] 沈功田. 压力容器无损检测声发射检测技术 [J]. 无损检测, 004, 6(9): [6] 吴望周. 化工设备断裂失效分析基础 [M]. 南京 : 东南大学出版社,1991:

6 RESEARCH ON ON-LINE INSPECTION OF STEEL GAS CYLINDERS FOR THE ON BOARD STORAGE OF COMPRESSED NATURAL GAS DURING THE FATIGUE TEST ZHANG Yaofeng YI Rong JIANG Jun LIANG Hua ( Nanjing Boiler & Pressure Vessel Supervision and Inspection Institute, Nanjing 1000 ) Abstract:The on-line inspection technology of steel gas cylinders for the on board storage of compressed natural gas during the fatigue test using the method of acoustic emission was studied. The results showed that the acoustic emission technology has the ability to characterize the process of crack propagation during the fatigue test of gas cylinders. Fatigue Failure Life of gas cylinders which existed crack of 0.5mm depth is below designed life. Fatigue Failure Life of gas cylinders which existed crack of 0.3mm depth is above designed life. Key words:gas cylinders of compressed natural gas, Fatigue test, On-line inspection, Acoustic emission 6

关卫和等我国压力容器行业检测技术的应用和进展中国工业检验检测网

关卫和等我国压力容器行业检测技术的应用和进展中国工业检验检测网中国工业检验检测网 http://www.industryinspection.com 合肥通用机械研究院国家压力容器与管道安全工程技术研究中心合肥兰州兰石机械制造有限责任公司兰州技术是世纪年代末期发展起来的一项无损检测技术在国外压力容器等行业已得到了广泛的应用自年以来随着国家质检总局特种设备安全监察局号文的发布技术在我国压力容器行业的应用有了突飞猛进的发展年月日固定式压