車用CNG鋼瓶產生裂紋的原因及預防措施

作者：劉云霞　來源：華中科技大學環境科學與工程學院　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力腐蝕裂紋、氫致裂紋、疲勞裂紋的影響。闡述了3種裂紋產生的機理，提出了車用CNG鋼瓶產生裂紋的預防措施。

關鍵詞：車用壓縮天然氣鋼瓶；裂紋；預防措施

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、環境和經濟效益優越，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’清潔汽車關鍵技術研究開發及示范應用項目”重點推廣應用城市(地區)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加氣網絡的擴大，CNG汽車的數量以平均每年30%的速度增加，但車用CNG鋼瓶爆炸等事故時有發生，嚴重威脅著人們的生命財產安全。因此，CNG鋼瓶的安全得到了廣泛關注。本文對車用CNG鋼瓶產生裂紋的原因及預防措施進行探討。

1 CNG鋼瓶產生的裂紋類型及機理

① 應力腐蝕裂紋

鋼瓶在受高壓又接觸腐蝕介質(硫化氫溶液)時，由于局部腐蝕產生凹痕或裂隙，并受拉應力作用，這些凹痕或裂隙的根部就會產生裂紋。應力又使裂紋頂端的脆性氧化膜破壞，暴露出新的陽極，裂紋側面仍被鈍化，形成陰極，從而使電化學腐蝕過程繼續，促進了進一步開裂。當裂紋擴大到一定程度時，裂紋就會在應力作用下以極快的速度擴展造成脆斷^[1]。由此可見，CNG鋼瓶產生應力腐蝕裂紋主要由CNG的質量問題引起，即CNG含有的H₂S與游離水結合形成的H₂S溶液對鋼瓶的腐蝕。在國內發生的多起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發生反應生成FeS和氫原子，氫原子聚集導致氫鼓泡(Hydrogen Bubbling，HB)成核，且當氫壓升高時，小的氫鼓泡擴展成氫致裂紋(Hydrogen Induced Cracking，HIC)。裂紋隨氫壓的升高而擴展，導致鋼瓶發生氫脆斷裂。氫原子向鋼中滲透、擴散進入鋼材內部，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。隨著氫分子數量增加，壓力不斷增高，最后導致夾雜物尖端產生鼓泡。當金屬中的氫濃度達到某一臨界濃度時，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，相鄰夾雜物破裂，形成有階梯狀特征的氫致開裂，并隨氫壓的繼續升高而擴展。這些裂紋多數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生條件為：一是氫原子滲入鋼材，CNG鋼瓶處于臨氫環境；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生并不需外加應力(載荷應力、殘余應力)，其形成與發生的關鍵在于金屬中氫濃度達到或超過臨界濃度。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^[3]。

③ 疲勞裂紋

由于CNG鋼瓶需重復充氣，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，即使強度和韌性滿足要求，經過一定的循環周期后也可能發生疲勞破壞。即在比較低的應力狀態下(可低于材料的抗拉強度)，即使沒有明顯的塑性變形，也會突然發生損壞。鋼瓶受應力腐蝕或氫壓作用產生的應力腐蝕裂紋和氫致裂紋兩端，也會在交變應力產生的疲勞作用下加速擴展，疲勞裂紋與應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發展到有序的主裂紋控制狀態，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展到局域主裂紋控制階段的時間為試樣疲勞總壽命的80%。