車用CNG鋼瓶產(chǎn)生裂紋的原因及預(yù)防措施
作者：劉云霞
來源：華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院
評論： 更新日期：2013年01月11日
摘要：壓縮天然氣(CNG)鋼瓶安全主要受到應(yīng)力腐蝕裂紋、氫致裂紋、疲勞裂紋的影響。闡述了3種裂紋產(chǎn)生的機(jī)理，提出了車用CNG鋼瓶產(chǎn)生裂紋的預(yù)防措施。
關(guān)鍵詞：車用壓縮天然氣鋼瓶；裂紋；預(yù)防措施
Reasons and Preventive Measures of Cracks Produced in Vehicle CNG Cylinder
LIU Yun-xia
Abstract：The safety of CNG cylinder is mainly affected by stress corrosion crack，hydrogen induced crack and fatigue crack. The mechanisms producing the three kinds of cracks are expounded，and the preventive measures for cracks in vehicle CNG cylinder are put forward.
Key words：vehicle CNG cylinder；crack；preventive measures
隨著西氣東輸、川氣東送工程以及廣東LNG工程的建成通氣，天然氣已成為我國重要的城市能源之一。壓縮天然氣(CNG)汽車因其低排放、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)越，由國家科技部等13個部委、局作為清潔汽車推廣。截至2004年底，全國16個“‘十五’清潔汽車關(guān)鍵技術(shù)研究開發(fā)及示范應(yīng)用項(xiàng)目”重點(diǎn)推廣應(yīng)用城市(地區(qū))已建成CNG加氣站325座，全國共有10.1×104輛CNG汽車，主要為CNG公共汽車、出租車，其中四川省擁有CNG汽車5.25×104輛。隨著CNG加氣網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)大，CNG汽車的數(shù)量以平均每年30%的速度增加，但車用CNG鋼瓶爆炸等事故時有發(fā)生，嚴(yán)重威脅著人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，CNG鋼瓶的安全得到了廣泛關(guān)注。本文對車用CNG鋼瓶產(chǎn)生裂紋的原因及預(yù)防措施進(jìn)行探討。
1 CNG鋼瓶產(chǎn)生的裂紋類型及機(jī)理
① 應(yīng)力腐蝕裂紋
鋼瓶在受高壓又接觸腐蝕介質(zhì)(硫化氫溶液)時，由于局部腐蝕產(chǎn)生凹痕或裂隙，并受拉應(yīng)力作用，這些凹痕或裂隙的根部就會產(chǎn)生裂紋。應(yīng)力又使裂紋頂端的脆性氧化膜破壞，暴露出新的陽極，裂紋側(cè)面仍被鈍化，形成陰極，從而使電化學(xué)腐蝕過程繼續(xù)，促進(jìn)了進(jìn)一步開裂。當(dāng)裂紋擴(kuò)大到一定程度時，裂紋就會在應(yīng)力作用下以極快的速度擴(kuò)展造成脆斷[1]。由此可見，CNG鋼瓶產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋主要由CNG的質(zhì)量問題引起，即CNG含有的H2S與游離水結(jié)合形成的H2S溶液對鋼瓶的腐蝕。在國內(nèi)發(fā)生的多起CNG鋼瓶爆炸事故中，從被炸裂鋼瓶的檢查情況看，瓶內(nèi)都積存伴有刺鼻氣味的黑色溶液(H2S溶液)。
② 氫致裂紋[2]
H2S溶液與Fe發(fā)生反應(yīng)生成FeS和氫原子，氫原子聚集導(dǎo)致氫鼓泡(Hydrogen Bubbling，HB)成核，且當(dāng)氫壓升高時，小的氫鼓泡擴(kuò)展成氫致裂紋(Hydrogen Induced Cracking，HIC)。裂紋隨氫壓的升高而擴(kuò)展，導(dǎo)致鋼瓶發(fā)生氫脆斷裂。氫原子向鋼中滲透、擴(kuò)散進(jìn)入鋼材內(nèi)部，在非金屬夾雜物處(如MnS)或空穴等缺陷處集聚并形成氫分子。隨著氫分子數(shù)量增加，壓力不斷增高，最后導(dǎo)致夾雜物尖端產(chǎn)生鼓泡。當(dāng)金屬中的氫濃度達(dá)到某一臨界濃度時，即氫的壓力增高到某個臨界壓力時，小的氫鼓泡裂紋趨向于相互連接，相鄰?qiáng)A雜物破裂，形成有階梯狀特征的氫致開裂，并隨氫壓的繼續(xù)升高而擴(kuò)展。這些裂紋多數(shù)與鋼材軋制方向平行，且穿過鐵素晶粒。由此可見，氫鼓泡與氫致裂紋的發(fā)生條件為：一是氫原子滲入鋼材，CNG鋼瓶處于臨氫環(huán)境；二是CNG鋼瓶所用的鋼材存在夾雜物或空穴。氫鼓泡與氫致裂紋的發(fā)生并不需外加應(yīng)力(載荷應(yīng)力、殘余應(yīng)力)，其形成與發(fā)生的關(guān)鍵在于金屬中氫濃度達(dá)到或超過臨界濃度。氫濃度會隨H：S溶液濃度的升高而升高，臨界濃度與鋼材的純度及顯微組織有關(guān)[3]。
③ 疲勞裂紋
由于CNG鋼瓶需重復(fù)充氣，工作周期短，受低周期疲勞載荷作用。鋼瓶在長期承受交變載荷的情況下，即使強(qiáng)度和韌性滿足要求，經(jīng)過一定的循環(huán)周期后也可能發(fā)生疲勞破壞。即在比較低的應(yīng)力狀態(tài)下(可低于材料的抗拉強(qiáng)度)，即使沒有明顯的塑性變形，也會突然發(fā)生損壞。鋼瓶受應(yīng)力腐蝕或氫壓作用產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕裂紋和氫致裂紋兩端，也會在交變應(yīng)力產(chǎn)生的疲勞作用下加速擴(kuò)展，疲勞裂紋與應(yīng)力腐蝕裂紋或氫致裂紋破壞相互作用，將加速CNG鋼瓶的破壞。
疲勞裂紋的演化分為多裂紋相互作用階段和局域主裂紋控制階段[4]。裂紋由分散的多裂紋無序狀態(tài)發(fā)展到有序的主裂紋控制狀態(tài)，最后由若干條主裂紋形成破壞。多裂紋相互作用階段是短裂紋期，局域主裂紋控制階段是長裂紋期。多裂紋相互作用階段發(fā)展到局域主裂紋控制階段的時間為試樣疲勞總壽命的80%。
