车用CNG钢瓶产生裂纹的原因及预防措施

1、编号：SM-ZD-18937本文档下载后可任意修改车用CNG钢瓶产生裂纹的原因及预防措施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.编号：SM-ZD-18937本文档下载后可任意修改编制： _审核： _批准： _精编解决方案 | SOLUTION TEMPLATE第3页/总12页车用CNG钢瓶产生裂纹的原因及预

2、防措施简介：该方案资料适用于公司或组织通过合理化地制定计划，达成上下级或不同的人员 之间形成统一的行动方针，明确执行目标，工作内容，执行方式，执行进度，从而使整 体计划目标统一，行动协调，过程有条不紊。文档可直接下载或修改，使用时请详细阅 读内容。摘要：压缩天然气(CNG)钢瓶安全主要受到应力腐蚀裂纹、氢致裂纹、疲劳裂纹的影响。阐述了3种裂纹产生的机理，提出了车用 CNG钢瓶产生裂纹的预防措施。关键词：车用压缩天然气钢瓶；裂纹；预防措施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.精编解决方案 | SOLUTION TEMPLAT

4、E第4页/总12页Key words : vehicle CNG cylinder ; crack ; preventive measures随着西气东输、川气东送工程以及广东LNG工程的建成通气，天然气已成为我国重要的城市能源之一。压缩天然 气（CNG）汽车因其低排放、环境和经济效益优越，由国家科 技部等13个部委、局作为清洁汽车推广。截至20 xx年底，全国16个十五清洁汽车关键技术研究开发及示范应用 项目”重点推广应用城市（地区）已建成CNG加气站325座， 全国共有10.1 X10的4次方（原多次方位置应该标在右上位 置，但word格式不支持）辆CNG汽车，主要为 CNG公共 汽车、出

5、租车，其中四川省拥有 CNG汽车5.25 X10的4次 方（原多次方位置应该标在右上位置，但word格式不支持）辆。随着CNG加气网络的扩大，CNG汽车的数量以平均每 年30%的速度增加，但车用CNG钢瓶爆炸等事故时有发生， 严重威胁着人们的生命财产安全。因此，CNG钢瓶的安全得到了广泛关注。本文对车用CNG钢瓶产生裂纹的原因及预防措施进行探讨。精编解决方案 | SOLUTION TEMPLATE第5页/总12页1 CNG钢瓶产生的裂纹类型及机理 应力腐蚀裂纹钢瓶在受高压又接触腐蚀介质（硫化氢溶液）时，由于局部腐蚀产生凹痕或裂隙，并受拉应力作用，这些凹痕或裂隙 的根部就会产生裂纹。应力又使裂纹

6、顶端的脆性氧化膜破坏， 暴露出新的阳极，裂纹侧面仍被钝化，形成阴极，从而使电 化学腐蚀过程继续，促进了进一步开裂。当裂纹扩大到一定 程度时，裂纹就会在应力作用下以极快的速度扩展造成脆断1。由此可见，CNG钢瓶产生应力腐蚀裂纹主要由CNG的质量问题引起，即 CNG含有的H?S与游离水结合形成的 H?S溶液对钢瓶的腐蚀。在国内发生的多起CNG钢瓶爆炸事故中，从被炸裂钢瓶的检查情况看，瓶内都积存伴有刺鼻 气味的黑色溶液（H?S溶液）。 氢致裂纹2H?S溶液与Fe发生反应生成FeS和氢原子，氢原子聚 精编解决方案 | SOLUTION TEMPLATE第6页/总12页集导致氢鼓泡（Hydrogen B

7、ubbling , HB）成核，且当氢压升 高时，小的氢鼓泡扩展成氢致裂纹（Hydrogen InducedCracking , HIC）。裂纹随氢压的升高而扩展，导致钢瓶发生 氢脆断裂。氢原子向钢中渗透、扩散进入钢材内部，在非金 属夹杂物处（如MnS）或空穴等缺陷处集聚并形成氢分子。随着氢分子数量增加，压力不断增高，最后导致夹杂物尖端产 生鼓泡。当金属中的氢浓度达到某一临界浓度时，即氢的压 力增高到某个临界压力时，小的氢鼓泡裂纹趋向于相互连接， 相邻夹杂物破裂，形成有阶梯状特征的氢致开裂，并随氢压 的继续升高而扩展。这些裂纹多数与钢材轧制方向平行，且 穿过铁素晶粒。由此可见，氢鼓泡与氢致裂纹

8、的发生条件为： 一是氢原子渗入钢材，CNG钢瓶处于临氢环境；二是 CNG钢瓶所用的钢材存在夹杂物或空穴。氢鼓泡与氢致裂纹的发 生并不需外加应力（载荷应力、残余应力），其形成与发生的 关键在于金属中氢浓度达到或超过临界浓度。氢浓度会随H :S溶液浓度的升高而升高，临界浓度与钢材的纯度及显微组 织有关3FS 精编解决方案 | SOLUTION TEMPLATE第7页/总12页。疲劳裂纹由于CNG钢瓶需重复充气，工作周期短，受低周期疲劳载荷作用。钢瓶在长期承受交变载荷的情况下，即使强度 和韧性满足要求，经过一定的循环周期后也可能发生疲劳破 坏。即在比较低的应力状态下（可低于材料的抗拉强度），即 使没

9、有明显的塑性变形，也会突然发生损坏。钢瓶受应力腐 蚀或氢压作用产生的应力腐蚀裂纹和氢致裂纹两端，也会在 交变应力产生的疲劳作用下加速扩展，疲劳裂纹与应力腐蚀 裂纹或氢致裂纹破坏相互作用，将加速CNG钢瓶的破坏。疲劳裂纹的演化分为多裂纹相互作用阶段和局域主裂纹控制阶段4。裂纹由分散的多裂纹无序状态发展到有序的主裂纹控 制状态，最后由若干条主裂纹形成破坏。多裂纹相互作用阶 段是短裂纹期，局域主裂纹控制阶段是长裂纹期。多裂纹相 互作用阶段发展到局域主裂纹控制阶段的时间为试样疲劳 总寿命的80%。2 CNG钢瓶产生裂纹的预防措施FS 精编解决方案 | SOLUTION TEMPLATE第8页/总12页

10、2.1预防措施的确定从3种裂纹的产生机理来看，影响CNG钢瓶安全的主要因素为钢瓶内 CNG的成分、钢瓶的材质、钢瓶热处理工 艺、钢瓶内的压力波动等。CNG中H?S与水的存在为应力 腐蚀裂纹和氢致裂纹的产生提供了条件，压力波动加速了钢 瓶的疲劳，钢瓶的材质及其热处理工艺决定着钢瓶的机械性 能。国内CNG钢瓶的使用寿命远低于国外，国内CNG钢瓶常按10年报废处理，而国外 CNG钢瓶的使用寿命按国 际标准规定为15年5。主要原因有：国内 CNG质量达不到国外的高标准， CNG腐蚀性较强，国产CNG钢瓶的质量达不到国际标准要 求。因此，可由这些主要原因，采取相应措施提高钢瓶的安 全性，延长钢瓶的使用寿

11、命。2.2定期对钢瓶进行检验与CNG钢瓶的安全性密切相关的钢瓶使用寿命和检验 周期的确定广受业内人士重视。国际标准ISO 11439:2000用作机动车燃料的天然气汽车上存储用高压气瓶中规定FS 精编解决方案 | SOLUTION TEMPLATE第9页/总12页5，钢质气瓶的使用寿命为 15年，钢瓶检验周期为3年； 采用复合材料缠绕的气瓶的使用寿命为15年，检验周期为3年。目前，国内常用 CNG钢瓶采用优质铬钼钢（30CrMo） 制造。国家标准GB 17258 1998汽车用压缩天然气钢瓶 未对钢瓶使用寿命进行规定，实践中常按 10年报废处理， 每2年检验一次6。定期对钢瓶的腐蚀情况进行检测

12、，可以了解钢瓶的状况，保障钢瓶处于安全使用期，且便于对裂纹腐蚀采取相应防范 措施。通过检查可发现腐蚀常发生在钢瓶底部，由积聚在钢 瓶底部的H?S溶液引起。据此，可采取经常转动钢瓶的措施， 避免局部腐蚀造成严重破坏。2.3控制CNG中H?S、水分的质量浓度控制H ?S的质量浓度国内汽车用 CNG行业标准 SY/T 7546 1996汽车用压缩天然气中规定7精编解决方案 | SOLUTION TEMPLATE第10页/总12页,H?S的质量浓度（101.325kPa、20 C条件下）不高于 20mg/m 3。该值与管道天然气标准规定的 H?S质量浓度相 同。但由于 CNG 钢瓶的工作压力为 20M

13、Pa，因此 SY/T 7546 1996汽车用压缩天然气规定的 H ?S质量浓度仍 偏高。美国相关标准规定 CNG中H?S的质量浓度不高于5mg/m 3。因此，可在技术经济条件允许下进一步脱硫，降 低H ?S质量浓度。控制水分的质量浓度国家标准GB 17258 1998汽车用压缩天然气钢瓶 规定，单位标准体积CNG中水分的质量浓度不超过 8mg/m 3。石油天然气行业标准 SY/T 7546 1996汽车用压缩天 然气要求，汽车用 CNG水露点必须比最高操作压力下最 低环境温度低 5 C。国家标准 GB 18047 2000车用压缩 天然气规定8，在汽车驾驶的特定地理区域内，在最高操作压力下，

14、水露点不应高于-13 C；当最低气温低于-8 C时，水露点应比 最低气温低5 C。美国国家防火协会标准 NFPA52关于压 精编解决方案 | SOLUTION TEMPLATE第11页/总12页缩天然气车辆和车辆燃料系统的标准规定 9，单位标准体积 CNG中水分的质量浓度不超过 8mg/m3 ;在压力状态下天然气的水露点必须与车辆运行的地理位置 相适应，以保证容器中没有凝结水；在最高操作压力下，天 然气的水露点必须比当地 99%冬季时间的最低温度低 5.5 C以上汽车用CNG须严格按照国内标准脱水，控制水分的质 量浓度。在技术经济条件允许下，可参照美国标准，尽量干 燥CNG，提高钢瓶的安全性。

15、2.4对钢瓶制造工艺的要求目前，我国常采用优质铬钼钢（30CrMo）制造CNG钢瓶 国家标准 GB 17258 1998（汽车用压缩天然气钢瓶对钢 瓶材质的化学成分有严格要求6。通常，钢的碳含量越高，钢材越容易发生氢脆断裂。因 此，在满足强度设计的要求下应尽量降低碳含量，美国要求 钢瓶材质的碳质量分数为 0.25%0.35%。此外，钢材中硫、 FS 精编解决方案 | SOLUTION TEMPLATE第12页/总12页磷的存在会降低钢材的各种机械性能，且夹杂物MnS的带状分布会增加氢致裂纹的敏感性，因此控制钢材中硫、磷的 含量极为重要。美国生产的CNG钢瓶用钢中硫的质量分数控制在0.01%以下

16、，磷的质量分数控制在0.02%以下。在CNG钢瓶的热处理加工工艺中，采用合理的热处理 工艺和淬火介质可以获得良好的韧度，在保证强度的情况下 尽可能降低钢材的屈强比，提高断裂韧度，这都能提高CNG 钢瓶的安全性。此外，采用在CNG钢瓶内表面喷涂铝层后刷富锌涂料 的方法，将腐蚀介质与钢瓶金属表面隔开，使其失去产生应 力腐蚀的环境，也可避免应力腐蚀裂纹的产生。这也隔断了 氢原子的内渗，对氢鼓泡和氢致裂纹的产生也有较好的防护 作用。参考文献：1刘巍球罐应力腐蚀的分析与防范J.四川化工与腐蚀控制，1999，2(6) : 50-53.2王荣贵.化工装置中钢在湿硫化氢环境下的腐蚀机 FS 精编解决方案 | SOLUTION TEMPLATE第13页/总12页理与设备选材(上)J.化肥设计，2002，40(1) : 5-8.3陈学东，蒋家羚，杨铁成，等.湿H?S环境下典型压力容器用钢应力腐蚀开裂门槛值的估算J.压力容器，2004，21(3) : 1-5.4孙道恒，孙训方，刘先斌.低周疲劳表面裂纹演化进 程分析J.材料科学与工程，2000，18(4) : 61-65.5 ISO 11439:2000，High Pressure Cylinders for theOnboard Storage of Nat