劉培啟 周天送 古海波 劉 巖 李毅超

(1. 大連理工大學(xué)化工機(jī)械學(xué)院；2. 大連市鍋爐壓力容器檢驗研究院)

自緊影響CNG-2氣瓶疲勞壽命的主因探究

劉培啟1周天送1古海波2劉 巖2李毅超2

(1. 大連理工大學(xué)化工機(jī)械學(xué)院；2. 大連市鍋爐壓力容器檢驗研究院)

利用有限元數(shù)值分析，根據(jù)歐標(biāo)EN13445-3-2009相關(guān)規(guī)定，對自緊影響氣瓶疲勞性能的原因和規(guī)律進(jìn)行研究。結(jié)果表明：隨著自緊壓力的增加，氣瓶內(nèi)膽工作壓力下拉應(yīng)力降低，但零壓下壓應(yīng)力增加，使得內(nèi)膽的應(yīng)力幅基本保持不變，而平均應(yīng)力降低。另外，依據(jù)EN13445-3-2009相關(guān)理論，得出應(yīng)力幅不是自緊改善氣瓶疲勞性能的主要原因，平均應(yīng)力降低才是影響疲勞壽命主因的結(jié)論。

CNG-2氣瓶 自緊 應(yīng)力幅值 平均應(yīng)力

壓縮天然氣汽車(CNGV)具有燃燒穩(wěn)定性好、環(huán)境污染小及燃料價格低等優(yōu)點(diǎn)，自誕生以來便獲得廣泛認(rèn)可[1]。車載壓縮天然氣鋼質(zhì)內(nèi)膽環(huán)向纏繞氣瓶(以下簡稱CNG-2氣瓶)作為一種經(jīng)濟(jì)、清潔、環(huán)保的燃?xì)鈨\(yùn)設(shè)備，是壓縮天然氣汽車最關(guān)鍵的專用裝置之一[1～3]。近年來，由于氣瓶泄漏、斷裂及爆炸等事故頻發(fā)，且事故破壞性大、輻射范圍廣，CNG-2氣瓶的安全性受到前所未有的重視。在CNG-2氣瓶所有失效形式中，疲勞失效所占的比例越來越大。疲勞失效是氣瓶在反復(fù)充、放氣的壓力循環(huán)中，筒體出現(xiàn)的疲勞裂紋萌生、生長直至斷裂的現(xiàn)象。若為橫向斷裂，危害性等同于爆炸；若在筒體中部先漏后破，則危害性相對最小[3]。

在CNG-2氣瓶加工工藝中，通常采用施加一定自緊壓力的形式改善氣瓶的抗疲勞性能[4]。但是對于自緊改善疲勞壽命的真正原因，學(xué)者們的觀點(diǎn)仍存在爭議，甚至有些是錯誤的。謝志剛等認(rèn)為在保證纖維應(yīng)力比滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的前提下，為提高CNG-2氣瓶疲勞性能，以盡可能降低工作壓力下內(nèi)膽的Von-Mises應(yīng)力幅值為判據(jù)，認(rèn)為Von-Mises應(yīng)力幅是自緊影響疲勞的原因[3]。成志剛以疲勞試驗壓力下的SINT應(yīng)力幅值為判據(jù)，根據(jù)應(yīng)力幅值-循環(huán)次數(shù)曲線研究自緊壓力對疲勞強(qiáng)度的影響[5]。郭亞芳從氣瓶環(huán)向平均應(yīng)力的角度進(jìn)行研究，對比了不同自緊壓力下的環(huán)向平均應(yīng)力，認(rèn)為環(huán)向平均應(yīng)力是影響疲勞壽命的因素[6]。

筆者利用限元數(shù)值分析方法，根據(jù)歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN13445-3-2009相關(guān)規(guī)定[7](以下簡稱EN13445)，對某公司生產(chǎn)的公稱容積為80L的鋼制內(nèi)膽CNG-2氣瓶進(jìn)行自緊分析，系統(tǒng)地研究了自緊壓力下氣瓶的疲勞性能，對自緊影響氣瓶疲勞性能的原因和規(guī)律進(jìn)行探討，對于統(tǒng)一學(xué)術(shù)觀點(diǎn)、確定最優(yōu)自緊壓力、改善氣瓶疲勞性能以及減少事故的發(fā)生等都有重要工程意義。

1 自緊原理

自緊工藝最早由美國航空航天管理局LEWIS研究中心提出[8]，該工藝能使內(nèi)壓容器發(fā)揮優(yōu)良的抗疲勞性能，因此很快在工程實踐中推廣開來。在纖維纏繞氣瓶的生產(chǎn)加工成型過程中，會對每只氣瓶施加一定的自緊壓力，氣瓶在自緊壓力作用下，內(nèi)膽所受應(yīng)力足以超過內(nèi)膽材料屈服應(yīng)力，從而產(chǎn)生永久的塑性應(yīng)變。然而，由于纖維的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系永遠(yuǎn)是彈性的，所以纖維纏繞層并不發(fā)生塑性應(yīng)變。這樣，當(dāng)自緊壓力卸載之后，由于內(nèi)膽保留了一部分塑性變形，導(dǎo)致內(nèi)膽和纖維纏繞層變形不一致，此時內(nèi)膽受到纖維纏繞層的擠壓而產(chǎn)生一個壓應(yīng)力，相應(yīng)的纖維纏繞層會產(chǎn)生一個拉應(yīng)力。當(dāng)纏繞氣瓶在工作壓力下使用時，內(nèi)膽就會經(jīng)歷一個從壓應(yīng)力到拉應(yīng)力的過程，使氣瓶內(nèi)膽在工作壓力下產(chǎn)生的應(yīng)力與內(nèi)膽卸載后的壓應(yīng)力相疊加，從而減小內(nèi)膽在工作壓力下的最大應(yīng)力值，相對應(yīng)的增加纖維纏繞層在工作壓力下的應(yīng)力值。

2 有限元分析

2.1模型的建立

市面上最常見的CNG-2氣瓶的規(guī)格，按照其內(nèi)膽公稱外徑大小可分為4個系列，即φ279、φ325、φ356、φ406mm。每種規(guī)格的氣瓶力學(xué)狀態(tài)相似，故筆者僅以某公司生產(chǎn)的公稱直徑為φ325mm、公稱水容積為80L的CNG-2氣瓶為例進(jìn)行研究，分析不同自緊壓力(30～38MPa)、不同疲勞壓力(2～26 MPa)循環(huán)試驗中的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值。該氣瓶尺寸和設(shè)計參數(shù)如下：

內(nèi)膽壁厚 4.8mm

下封頭底部厚度 14mm

筒體長度 832mm

纏繞層厚度 4.89mm

纏繞層層數(shù) 13

工作壓力 20MPa

疲勞試驗壓力 26MPa

水壓試驗壓力 30MPa

設(shè)計壽命 15a

氣瓶內(nèi)膽由氣瓶用無縫鋼管經(jīng)收底、收口加工而成，其材料為30CrMo；纖維層采用E玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。內(nèi)膽和纏繞層材料屬性見表1，纏繞層的力學(xué)性能參數(shù)見表2。

表1 內(nèi)膽和纏繞層材料屬性

表2 纏繞層力學(xué)性能參數(shù)

根據(jù)以上尺寸和材料參數(shù)建立CNG-2氣瓶的1/4軸對稱模型。內(nèi)膽模型選用solid95單元，纏繞層模型層采用shell99單元；單層纖維層厚0.212mm，共13層。在建模過程中要注意復(fù)合材料的正交各向異性和大變形的幾何非線性，纖維纏繞層單元的材料屬性要和實際情況相一致，纏繞角相同，在纏繞層末端進(jìn)行過渡。該氣瓶的三維有限元模型如圖1所示。

圖1 CNG-2氣瓶有限元模型

2.2不同自緊壓力下內(nèi)膽的應(yīng)力分析

對建立的氣瓶三維模型內(nèi)表面施加均勻的壓力載荷，在氣瓶瓶口沿軸向施加對應(yīng)的等效拉應(yīng)力。采用多載荷步方法進(jìn)行連續(xù)計算，內(nèi)壓載荷依次為自緊壓力p1、卸載后零壓p2=0MPa、疲勞循環(huán)壓力下限p3=2MPa、疲勞壓力循環(huán)上限p4=26MPa。由于在環(huán)纏繞氣瓶的生產(chǎn)工序中，水壓試驗是必不可少的，根據(jù)自緊的工藝原理，要使自緊能夠起到提高疲勞性能的作用，自緊壓力必須大于水壓試驗壓力。因此選取自緊壓力從30MPa開始、以1MPa為增量依次施加，直到不符合國標(biāo)GB 24160-2009對玻璃纖維的最小纖維應(yīng)力比下限值的規(guī)定[9]。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定CNG-2氣瓶在正常使用期間的失效模式應(yīng)該是“未爆先漏”，即失效是從內(nèi)膽開始的，因此僅需對CNG-2氣瓶內(nèi)膽進(jìn)行應(yīng)力分析。經(jīng)過有限元數(shù)值模擬得到氣瓶內(nèi)膽在不同工況下的應(yīng)力分布見表3。

表3 不同自緊壓力、疲勞載荷作用下的主應(yīng)力值 MPa

3 自緊對疲勞性能影響的主因

在眾多的疲勞評定標(biāo)準(zhǔn)中， EN13445第18章“疲勞壽命的詳細(xì)評定”提供了一種最為詳實有效的、用于計算兩載荷狀態(tài)之間等效應(yīng)力范圍和平均等效應(yīng)力的方法。筆者將采用該標(biāo)準(zhǔn)中的方法計算2～26MPa疲勞循環(huán)壓力范圍內(nèi)的等效應(yīng)力范圍、等效應(yīng)力幅值和平均等效應(yīng)力，對比分析自緊影響疲勞性能的原因和規(guī)律。

EN13445明確指出，在多軸應(yīng)力狀態(tài)下，等效應(yīng)力范圍應(yīng)該用應(yīng)力分量范圍的等效應(yīng)力來表示(該處的應(yīng)力分量范圍是指兩種載荷狀態(tài)下應(yīng)力分量的差值)，而不能用兩種載荷狀態(tài)下等效應(yīng)力的差值來表示。此時基于第三強(qiáng)度理論的等效應(yīng)力范圍公式為:

Δσeq=max{|(Δσ)1-(Δσ)2|；|(Δσ)2-
(Δσ)3|;|(Δσ)3-(Δσ)1|}

(1)

基于第四強(qiáng)度理論的等效應(yīng)力范圍公式為：

(2)

等效應(yīng)力幅值定義為等效應(yīng)力范圍的一半，即：

σa=Δσeq/2

(3)

相應(yīng)的平均等效應(yīng)力等于載荷循環(huán)始、末兩個主應(yīng)力之和的最大值和最小值的平均：

(4)

現(xiàn)將在2～26MPa疲勞循環(huán)載荷范圍內(nèi)，根據(jù)以上公式計算出來的金屬內(nèi)膽在不同自緊壓力下的等效應(yīng)力范圍、等效應(yīng)力幅值和平均等效應(yīng)力列于表4。

表4 2～26MPa疲勞載荷范圍內(nèi)的各等效應(yīng)力計算值 MPa

在2～26MPa的疲勞循環(huán)載荷作用下，隨著自緊壓力的逐漸增加，等效應(yīng)力幅基本保持恒定，即等效應(yīng)力幅并不是自緊改善CNG-2氣瓶疲勞性能的因素。有些學(xué)者計算出的等效應(yīng)力幅是不斷下降的，從而認(rèn)為等效應(yīng)力幅降低是自緊改善疲勞的因素之一，這種看法是錯誤的，原因是他們并未考慮到2MPa時內(nèi)膽仍處于壓縮狀態(tài)，應(yīng)將此時有限元軟件提取的Sint/Mises等效應(yīng)力值轉(zhuǎn)換為負(fù)值后再進(jìn)行應(yīng)力幅值的計算。隨著自緊壓力的逐漸增加，氣瓶所受的平均應(yīng)力逐漸減小。根據(jù)剩余強(qiáng)度退化規(guī)律[10]，平均應(yīng)力對強(qiáng)度退化起加劇作用，在相同的應(yīng)力幅作用下，較大的平均應(yīng)力能導(dǎo)致較快的強(qiáng)度退化，即增大了疲勞的累積損傷效應(yīng)，降低了材料的疲勞壽命。

綜合以上可以得出，應(yīng)力幅值不是自緊改善疲勞的因素，平均應(yīng)力才是自緊對鋼制內(nèi)膽CNG-2氣瓶疲勞壽命影響的最主要因素。

4 結(jié)論

4.1根據(jù)EN13445相關(guān)理論，在疲勞循環(huán)載荷作用下，隨著自緊壓力的增大，CNG-2氣瓶內(nèi)膽的應(yīng)力幅值基本保持不變，而平均應(yīng)力隨之降低。應(yīng)力幅值不是自緊改善氣瓶疲勞性能的主因，平均應(yīng)力降低才是自緊影響疲勞壽命的主因。

4.2施加過一定自緊壓力的CNG-2氣瓶的受力特點(diǎn)是：在一個載荷循環(huán)開始時處于內(nèi)膽壓應(yīng)力狀態(tài)，載荷循環(huán)結(jié)束時處于拉應(yīng)力狀態(tài)，內(nèi)膽經(jīng)歷了一個從壓應(yīng)力到拉應(yīng)力的變化。相比一般的壓力容器在載荷循環(huán)始終處于拉應(yīng)力狀態(tài)，可以直接按照應(yīng)力幅值的大小進(jìn)行疲勞評定的情形不同，CNG-2氣瓶不能僅根據(jù)應(yīng)力幅值進(jìn)行疲勞評定，必須將平均應(yīng)力的變化考慮在內(nèi)。這種情況優(yōu)先推薦使用考慮平均應(yīng)力修正的EN13445進(jìn)行疲勞評定。

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MainCausesofAutofrettageEffectonFatigueLifeofCNG-2GasCylinder

LIU Pei-qi1, ZHOU Tian-song1, GU Hai-bo2, LIU Yan2, LI Yi-chao2
(1.CollegeofChemicalMachineryandSafetyEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China;2.DalianBoiler&P.V.InspectionResearchInstitute,Dalian116013,China)

Through having FEM numerical analysis adopted and EN13445-3-2009 codes based, both reason and rules of autofrettage effect on the fatigue performance of CNG-2 cylinder was investigated to show that, with the increasing of autofrettage pressure, the steel liner’s tensile stress under working pressure can become decreased while compressive stress under zero pressure increases, and this can keep the stress amplitude con-

* 劉培啟，男，1981年11月生，副教授。遼寧省大連市，116024。

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2015-08-11)

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