LNG气瓶内胆的应力强度校核及焊缝的微观组织研究

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LNG气瓶目前已经逐步的应用于汽车、火车和船舶等交通工具,前景十分明朗。车载LNG气瓶采用了内外胆的双筒体结构,由于LNG对存储的环境要求比较高,因此气瓶除了具有高强度之外,内外胆之间还存在着多层绝热材料组成的高真空绝热层,保证了气瓶具有良好的真空绝热性。用于盛装LNG的气瓶内胆作为直接与燃料接触的关键部位,必须要满足具有高强度和良好绝热性的要求,LNG气瓶多使用耐蚀性良好的奥氏体不锈钢材质,通过焊接的方式将筒身以及零部件之间连接。根据以往的研究表明,气瓶在焊接时由于焊接接头存在着缺陷或者焊缝的强度没有达到标准要求而直接影响了气瓶的使用寿命,在恶劣的路况条件下,当受到较大的载荷应力时甚至发生LNG的泄漏事故,LNG气瓶的质量是保证生产厂家产业化应用的关键,所以有必要对气瓶的内胆进行研究。本文使用ANSYS Workbench软件对气瓶的内胆进行了研究,通过对气瓶内胆加载不同类型的应力载荷,模拟了不同充装率下的气瓶内胆在三种极端的工况条件下应力的分布,并进行应力强度的校核;通过改变内胆支撑颈管开孔直径的大小,揭示了开孔直径对应力分布的影响,并且进行了应力强度校核;通过改变焊接电流的大小,针对气瓶的内胆筒体和支撑颈管部位分别进行焊接,研究了焊接电流大小对于焊缝以及热影响区微观组织的影响,除此之外,借助EBSD的表征手段,阐述了焊缝以及热影响区中晶粒织构的演化;对焊接接头进行了显微硬度实验和拉伸实验,研究了焊接电流对于力学性能的影响,结合焊缝的微观组织特点最终确定气瓶内胆焊接的最佳电流参数;对于焊接完成的气瓶进行了安全性能检测,以此判定本次气瓶的焊接是否满足使用的要求。得到主要的结论如下:(1)相同充装率下的LNG气瓶,当汽车在凹坑路面紧急启动时,LNG对内胆造成的危害是最大的,其次是汽车在凹坑路面紧急转弯这种情况,相较而言,汽车在凹坑路面紧急刹车时对内胆影响最小,但是三种情况下的校核结果均未超过许用值,因此气瓶可以满足复杂工况条件下的使用要求;此外,从校核结果来看,相同充装率下的气瓶内胆后端受LNG的载荷影响要大于前端。(2)在内胆筒体的MAG焊接实验中,焊接接头热影响区的晶粒尺寸随着电流的增大出现了下降的现象,热影响区的极值随焊接电流的增大呈现出先增大后减小的特点;焊缝中奥氏体柱状晶粒的尺寸随着焊接电流的增大而变大,极值要明显的大于热影响区,且随着焊接电流的增大而增大;从焊接接头的拉伸实验可知:五组拉伸试样的抗拉强度和屈服强度均达到了要求;焊缝位置的硬度要小于热影响区;综合分析最终认为,MAG焊接气瓶内胆的最佳电流为296 A±5 A。(3)从气瓶内胆支撑颈管的应力强度校核结果来看:随着开孔直径的增大应力强度SⅡ逐渐变大,但是SⅣ却并未随着颈管直径的增大而表现出明显的线性关系,可见支撑颈管开孔直径的变化对SⅡ的影响更明显;此外,分子筛包与内胆的焊缝应力强度要大于支撑颈管与内胆焊接位置的应力强度;根据校核结果认为在研究的范围内将支撑颈管的开孔直径设定为79 mm最为合适。(4)在支撑颈管的TIG焊接实验中,焊缝和热影响区中的晶粒均随焊接电流的增大而长大,从织构的角度来看,在140 A的焊接电流下,热影响区和焊缝的极值几乎相同,而且晶粒生长取向一致;当电流增大到190 A时,热影响区极值明显变大,晶粒取向也更加集中。此外,从焊缝的硬度分布云图可知,140 A下焊缝的硬度分布最为均匀,综合以上的结论,最终将支撑颈管TIG焊接电流的范围确定为150 A±10 A。(5)对于焊接完成的气瓶进行了安全性能试验,根据检测结果来看,气瓶的各项试验均达到GB/T34510-2017《汽车用液化天然气气瓶》的要求。
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