车用CNG钢瓶产生裂纹的原因及预防措施

作者：刘云霞　来源：华中科技大学环境科学与工程学院　评论：　更新日期：2013年01月11日

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 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

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2004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10.1×10⁴辆CNG汽车，主要为CNG公共汽车、出租车，其中四川省拥有CNG汽车5.25×10⁴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。

1 CNG钢瓶产生的裂纹类型及机理

① 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H₂S与游离水结合形成的H₂S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(H₂S溶液)。

② 氢致裂纹^[2]

H₂S溶液与Fe发生反应生成FeS和氢原子，氢原子聚集导致氢鼓泡(Hydrogen Bubbling，HB)成核，且当氢压升高时，小的氢鼓泡扩展成氢致裂纹(Hydrogen Induced Cracking，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^[3]。

③ 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%。