車用CNG鋼瓶產(chǎn)生裂紋的原因及預(yù)防措施

1、編號：SM-ZD-18937本文檔下載后可任意修改車用CNG鋼瓶產(chǎn)生裂紋的原因及預(yù)防措施Through the process agreeme nt to achieve a uni fied action policy for differe nt people, so as tocoord in ate acti on, reduce bli ndn ess, and make the work orderly.編號：SM-ZD-18937本文檔下載后可任意修改編制： _審核： _批準(zhǔn)： _精編解決方案 | SOLUTION TEMPLATE第3頁/總12頁車用CNG鋼瓶產(chǎn)生裂紋的原因及預(yù)

2、防措施簡介：該方案資料適用于公司或組織通過合理化地制定計(jì)劃，達(dá)成上下級或不同的人員 之間形成統(tǒng)一的行動方針，明確執(zhí)行目標(biāo)，工作內(nèi)容，執(zhí)行方式，執(zhí)行進(jìn)度，從而使整 體計(jì)劃目標(biāo)統(tǒng)一，行動協(xié)調(diào)，過程有條不紊。文檔可直接下載或修改，使用時(shí)請?jiān)敿?xì)閱 讀內(nèi)容。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 CracksProduced in Vehicle CNG CylinderLIU Yun

3、-xiaAbstract : The safety of CNG cylinder is mainly affected by stress corrosion crack， hydrogen inducedcrack 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.精編解決方案 | SOLUTION TEMPLAT

4、E第4頁/總12頁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(gè)部委、局作為清潔汽車推廣。截至20 xx年底，全國16個(gè)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 X10的4次方（原多次方位置應(yīng)該標(biāo)在右上位 置，但word格式不支持）輛CNG汽車，主要為 CNG公共 汽車、出

5、租車，其中四川省擁有 CNG汽車5.25 X10的4次 方（原多次方位置應(yīng)該標(biāo)在右上位置，但word格式不支持）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(shí)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。精編解決方案 | SOLUTION TEMPLATE第5頁/總12頁1 CNG鋼瓶產(chǎn)生的裂紋類型及機(jī)理 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(shí)，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

6、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(shí)，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H?S與游離水結(jié)合形成的 H?S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（H?S溶液）。 氫致裂紋2H?S溶液與Fe發(fā)生反應(yīng)生成FeS和氫原子，氫原子聚 精編解決方案 | SOLUTION TEMPLATE第6頁/總12頁集導(dǎo)致氫鼓泡（Hydrogen B

7、ubbling , HB）成核，且當(dāng)氫壓升 高時(shí)，小的氫鼓泡擴(kuò)展成氫致裂紋（Hydrogen InducedCracking , 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(shí)，即氫的壓 力增高到某個(gè)臨界壓力時(shí)，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

8、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)3FS 精編解決方案 | SOLUTION TEMPLATE第7頁/總12頁。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

9、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(shí)間為試樣疲勞 總壽命的80%。2 CNG鋼瓶產(chǎn)生裂紋的預(yù)防措施FS 精編解決方案 | SOLUTION TEMPLATE第8頁/總12頁

10、2.1預(yù)防措施的確定從3種裂紋的產(chǎn)生機(jī)理來看，影響CNG鋼瓶安全的主要因素為鋼瓶內(nèi) CNG的成分、鋼瓶的材質(zhì)、鋼瓶熱處理工 藝、鋼瓶內(nèi)的壓力波動等。CNG中H?S與水的存在為應(yīng)力 腐蝕裂紋和氫致裂紋的產(chǎn)生提供了條件，壓力波動加速了鋼 瓶的疲勞，鋼瓶的材質(zhì)及其熱處理工藝決定著鋼瓶的機(jī)械性 能。國內(nèi)CNG鋼瓶的使用壽命遠(yuǎn)低于國外，國內(nèi)CNG鋼瓶常按10年報(bào)廢處理，而國外 CNG鋼瓶的使用壽命按國 際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為15年5。主要原因有：國內(nèi) CNG質(zhì)量達(dá)不到國外的高標(biāo)準(zhǔn)， CNG腐蝕性較強(qiáng)，國產(chǎn)CNG鋼瓶的質(zhì)量達(dá)不到國際標(biāo)準(zhǔn)要 求。因此，可由這些主要原因，采取相應(yīng)措施提高鋼瓶的安 全性，延長鋼瓶的使用壽

11、命。2.2定期對鋼瓶進(jìn)行檢驗(yàn)與CNG鋼瓶的安全性密切相關(guān)的鋼瓶使用壽命和檢驗(yàn) 周期的確定廣受業(yè)內(nèi)人士重視。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11439:2000用作機(jī)動車燃料的天然氣汽車上存儲用高壓氣瓶中規(guī)定FS 精編解決方案 | SOLUTION TEMPLATE第9頁/總12頁5，鋼質(zhì)氣瓶的使用壽命為 15年，鋼瓶檢驗(yàn)周期為3年； 采用復(fù)合材料纏繞的氣瓶的使用壽命為15年，檢驗(yàn)周期為3年。目前，國內(nèi)常用 CNG鋼瓶采用優(yōu)質(zhì)鉻鉬鋼（30CrMo） 制造。國家標(biāo)準(zhǔn)GB 17258 1998汽車用壓縮天然氣鋼瓶 未對鋼瓶使用壽命進(jìn)行規(guī)定，實(shí)踐中常按 10年報(bào)廢處理， 每2年檢驗(yàn)一次6。定期對鋼瓶的腐蝕情況進(jìn)行檢測

12、，可以了解鋼瓶的狀況，保障鋼瓶處于安全使用期，且便于對裂紋腐蝕采取相應(yīng)防范 措施。通過檢查可發(fā)現(xiàn)腐蝕常發(fā)生在鋼瓶底部，由積聚在鋼 瓶底部的H?S溶液引起。據(jù)此，可采取經(jīng)常轉(zhuǎn)動鋼瓶的措施， 避免局部腐蝕造成嚴(yán)重破壞。2.3控制CNG中H?S、水分的質(zhì)量濃度控制H ?S的質(zhì)量濃度國內(nèi)汽車用 CNG行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) SY/T 7546 1996汽車用壓縮天然氣中規(guī)定7精編解決方案 | SOLUTION TEMPLATE第10頁/總12頁,H?S的質(zhì)量濃度（101.325kPa、20 C條件下）不高于 20mg/m 3。該值與管道天然氣標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的 H?S質(zhì)量濃度相 同。但由于 CNG 鋼瓶的工作壓力為 20M

13、Pa，因此 SY/T 7546 1996汽車用壓縮天然氣規(guī)定的 H ?S質(zhì)量濃度仍 偏高。美國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 CNG中H?S的質(zhì)量濃度不高于5mg/m 3。因此，可在技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件允許下進(jìn)一步脫硫，降 低H ?S質(zhì)量濃度。控制水分的質(zhì)量濃度國家標(biāo)準(zhǔn)GB 17258 1998汽車用壓縮天然氣鋼瓶 規(guī)定，單位標(biāo)準(zhǔn)體積CNG中水分的質(zhì)量濃度不超過 8mg/m 3。石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) SY/T 7546 1996汽車用壓縮天 然氣要求，汽車用 CNG水露點(diǎn)必須比最高操作壓力下最 低環(huán)境溫度低 5 C。國家標(biāo)準(zhǔn) GB 18047 2000車用壓縮 天然氣規(guī)定8，在汽車駕駛的特定地理區(qū)域內(nèi)，在最高操作壓力下，

14、水露點(diǎn)不應(yīng)高于-13 C；當(dāng)最低氣溫低于-8 C時(shí)，水露點(diǎn)應(yīng)比 最低氣溫低5 C。美國國家防火協(xié)會標(biāo)準(zhǔn) NFPA52關(guān)于壓 精編解決方案 | SOLUTION TEMPLATE第11頁/總12頁縮天然氣車輛和車輛燃料系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 9，單位標(biāo)準(zhǔn)體積 CNG中水分的質(zhì)量濃度不超過 8mg/m3 ;在壓力狀態(tài)下天然氣的水露點(diǎn)必須與車輛運(yùn)行的地理位置 相適應(yīng)，以保證容器中沒有凝結(jié)水；在最高操作壓力下，天 然氣的水露點(diǎn)必須比當(dāng)?shù)?99%冬季時(shí)間的最低溫度低 5.5 C以上汽車用CNG須嚴(yán)格按照國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)脫水，控制水分的質(zhì) 量濃度。在技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件允許下，可參照美國標(biāo)準(zhǔn)，盡量干 燥CNG，提高鋼瓶的安全性。

15、2.4對鋼瓶制造工藝的要求目前，我國常采用優(yōu)質(zhì)鉻鉬鋼（30CrMo）制造CNG鋼瓶 國家標(biāo)準(zhǔn) GB 17258 1998（汽車用壓縮天然氣鋼瓶對鋼 瓶材質(zhì)的化學(xué)成分有嚴(yán)格要求6。通常，鋼的碳含量越高，鋼材越容易發(fā)生氫脆斷裂。因 此，在滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)的要求下應(yīng)盡量降低碳含量，美國要求 鋼瓶材質(zhì)的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.25%0.35%。此外，鋼材中硫、 FS 精編解決方案 | SOLUTION TEMPLATE第12頁/總12頁磷的存在會降低鋼材的各種機(jī)械性能，且夾雜物MnS的帶狀分布會增加氫致裂紋的敏感性，因此控制鋼材中硫、磷的 含量極為重要。美國生產(chǎn)的CNG鋼瓶用鋼中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.01%以下

16、，磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.02%以下。在CNG鋼瓶的熱處理加工工藝中，采用合理的熱處理 工藝和淬火介質(zhì)可以獲得良好的韌度，在保證強(qiáng)度的情況下 盡可能降低鋼材的屈強(qiáng)比，提高斷裂韌度，這都能提高CNG 鋼瓶的安全性。此外，采用在CNG鋼瓶內(nèi)表面噴涂鋁層后刷富鋅涂料 的方法，將腐蝕介質(zhì)與鋼瓶金屬表面隔開，使其失去產(chǎn)生應(yīng) 力腐蝕的環(huán)境，也可避免應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生。這也隔斷了 氫原子的內(nèi)滲，對氫鼓泡和氫致裂紋的產(chǎn)生也有較好的防護(hù) 作用。參考文獻(xiàn)：1劉巍球罐應(yīng)力腐蝕的分析與防范J.四川化工與腐蝕控制，1999，2(6) : 50-53.2王榮貴.化工裝置中鋼在濕硫化氫環(huán)境下的腐蝕機(jī) FS 精編解決方案 | SOLUTION TEMPLATE第13頁/總12頁理與設(shè)備選材(上)J.化肥設(shè)計(jì)，2002，40(1) : 5-8.3陳學(xué)東，蔣家羚，楊鐵成，等.濕H?S環(huán)境下典型壓力容器用鋼應(yīng)力腐蝕開裂門檻值的估算J.壓力容器，2004，21(3) : 1-5.4孫道恒，孫訓(xùn)方，劉先斌.低周疲勞表面裂紋演化進(jìn) 程分析J.材料科學(xué)與工程，2000，18(4) : 61-65.5 ISO 11439:2000，High Pressure Cylinders for theOnboard Storage of Nat