天然气汽车压力容器成套焊接技术的探讨

王元良

摘要四川是天然气资源丰富的地域之一，储量占全国1/4，四川目前天然气汽车已占全国3/4，可节油40%，大大减少环境污染，因而发展天然气汽车就显得十分重要。而发展天然气汽车的关键问题首先是要有固定气站和随汽车储存天然气的高焊接质量高可靠性的高压容器，现根据我们科学研究的实践，对此问题提出一些探讨性的意见。

1压力容器结构
(1)压力容器焊接结构及应力
目前通用的最合理的结构形式如图1。结构由两条环焊缝和一条直焊缝(或无缝管组成)，其应力计算方法如下

环向应力σ₁ ＝pR／S（1）
纵向应力σ₂ ＝pR／2S（2）

图1小型压力容器结构

由此看出
在同等应力σ条件下，流体压力p越大，同样半径R的容器壁厚S就越大，在一个容器中环向应力σ₁ 比纵向应力σ₂ 大一倍。
(2)焊接结构的应力集中
目前有一种压力容器焊接结构是板厚相等，环向焊缝采用不焊透对接，环向焊缝采用搭接，这样一来会引起接头部位应力集中，应力集中以搭接最严重，对接最小，因此应尽量采用对接，我们曾对内径250mm、壁厚4.5mm的压力容器进行有限元计算，结果如表1。

表1压力容器焊接接头应力集中有限元计算结果

应力集中因素	传力方向垂直面上的高	应力集中位置	应力集中系数
对接焊缝余高(mm)	H＝2．0	正面埋弧焊焊趾处	1.693
	H＝2．0	反面气保护焊焊趾处	2.650
	H＝3.5	正面埋弧焊焊趾处	1.762
	H＝3.5	反面气保护焊焊趾处	2.683
双面焊中部未焊透	h＝1．8	双面焊中部未焊透处	1.835
单面焊底部未焊透	h＝1．8	单面焊底部未透(咬边)	3.087

由表1看出在有对接未焊透时双面焊应力集中系数明显优于单面焊，如全焊透应力集中系数就为1，由于纵向焊缝应力比环向焊缝应力大一倍，因而以双面全焊透或单面焊双面成型为好。由气保护焊与埋弧焊相比，后者焊趾处的应力集中系数明显低于前者，另外，如果采用无缝管不用卷管对接可克服焊缝应力集中，还可减少直边现象和焊接变形，免蒸压加气块。有利于提高环向焊缝组装精度。对环向焊缝不可能采用双面全焊透或单面焊双面成型，最好采用搭对接，特别是铝合金罐体一定要采用搭对接，对钢罐体也可采用钝边对接，如果希望焊透，最好采用小钝边串列双丝焊，即前丝为小电流打底后丝为大电流盖面，特别是高强铝合金和高强钢罐体，这样会大大减少裂纹倾向和提高焊接接头的机械性能。

2合理选择天然气汽车压力容器材料
(1)随车天然气汽车压力容器。对随车天然气汽车压力容器一般要求体积小、重量轻，可首选高强铝合金管作罐体，也可采用高强钢管作罐体，这两种材料我们都曾作过全面的焊接接头性能试验，焊接性能好。推荐为随车天然气汽车压力容器的罐体材料。
(2)气站大型气罐。气站大型气罐可选的材料就更多了，成都淘宝创业园。因为大型气罐多由钢板卷制焊接而成，现在焊接用钢已向低合金高强度高韧性而焊接性又好的方向发展，现就一些钢种作比较，如表2。

图2接头示意

表2钢材成分及性能

钢牌号	化学成份Wt(%)						机械性能
钢牌号	C	Si	Mn	P	S	Add	Ceq	pcm	σ_b (MPa)	σ_s (MPa)	δ(%)	vE-40℃(J)
16Mnq	0.15	0.35	1.34	0.023	0.018	……	0.39	0.17	522	352	25	65
14MnNb	0.15	0.38	1.34	0.023	0.025	0.025Nb	0.39	0.17	550	416	28	146
SM490C	0.14	0.29	1.47	0.018	0.006	0.029Nb	0.40	0.16	444	550	26	158
SM490C	0.12	0.28	1.41	0.011	0.002	0.029Nb	0.37	0.16	569	502	23	200
15MnVNq	0.13	0.42	1.52	0.016	0.014	0.14V，0.01N	0.44	0.26	610	434	30	87
62CF	0.08	0.38	1.32	0.020	0.006	0.24Cr0.23MO	0.44	0.21	690	600	19	150
D6AC	0.44	0.20	0.80	0.025	0.015	0.9Cr1.0Mo	0.55Ni	0.70	1350	1284	9.6	室温44J

过去压力容器常用16MnR钢制造，由表2看出16Mnq钢性能虽然是目前通用16Mn钢系列中的性能较好的；但14MnNb和SM490C只加了少量的Nb，代表焊接性能优劣的Ceq和Pcm仍然较低，而机械性能却大为提高；62CF钢从性能上优于15MnVNqC(优于过去用作容器的15MnVN钢)，但代表焊接性能优劣的Pcm值却较低，我们的试验证明这些钢都有良好的焊接性能和焊接接头性能，D6AC超高强钢焊接性能很差，我们采用双丝弧不预热焊也取得了成功，因此根据不同的承载要求选用焊接性好的高强钢，可以大大节省材料、减轻重量和提高安全度。 3焊接工艺及设备
3.1焊接方法
除少数工厂外大多数工厂均采用自动焊，可采用埋弧焊、气保护焊(包括药心焊丝或实心焊丝，也包括CO₂ 、Ar或混合气体保护焊)、手工焊或气保护焊打底埋弧焊盖面的焊接工艺，单一的单面焊是不可取的，为了提高生产率和保证质量，建议采用单面焊双面一次成型埋弧自动焊焊纵向焊缝，采用搭对接或小钝边对接串列双丝焊，即前丝为小电流打底后丝为大电流盖面，可以用埋弧焊、气保护焊或气保护焊打底埋弧焊盖面的焊接工艺，但这需要有一定大的直径的容器才可行。对小直径的容器只有采用气保护焊，除少数工厂外大多数工厂均采用自动焊，可采用埋弧焊、气保护焊(包括药心焊丝或实心焊丝、也包括CO₂ 、Ar或混合气体保护焊)、手工焊或气保护焊打底埋弧焊盖面的焊接工艺，单一的单面焊是不可取的，为了提高生产率和保证质量，建议采用单面焊双面一次成型埋弧自动焊焊纵向焊缝，采用搭对接或小钝边对接串列双丝焊，即前丝为小电流打底，后丝为大电流盖面，可以用埋弧焊、气保护焊或气保护焊打底、埋弧焊盖面的焊接工艺，但这需要有一定大的直径的容器才可行，对小直径的容器只有采用气保护焊。
3.2焊接设备
最近我们为一工厂研制一台小型容器专用自动焊设备，已在工厂试用。该机为一机电液一体化的自动焊专用设备，学会适合小本创业的项目。上料、夹紧、焊接卸料全部自动进行。其过程由抗干扰能力强的可编程控制器。控制系统和焊接系统按编程软件进行，可存储焊接规程和焊缝自动跟踪。用此设备可确保焊接质量和高生产率。
该机可进行实心焊丝或药心焊丝的埋弧及气保护两用自动焊，可进行单电源单丝或双丝自动焊，改变这些功能只需换极少配件即可。 4小型容器的应变应力分析
4.1焊接残余应力
在焊接过程中必然会产生焊接残余应力，一般低强钢的平板对接沿焊缝方向主作用区的纵向焊接残余应力可达到材料的拉伸屈服极限，两侧为压应力，宽板垂直焊缝方向主作用区的横向焊接残余应力在中部为拉应力，两端侧为压应力，但压力容器的焊接残余应力与此有很大不同。对图1容器焊接残余应力测试结果如表3。

表3图1容器焊接残余应力测试结果(MPa)

钢瓶应力	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
焊后状态	纵向	80.7	54.5	100.7	149.0	40.0	524.0	90.7	42.0	71.6	92.7	69.0
焊后状态	横向	231.7	203.7	222.5	174.4	199.6	359.8	208.6	138.0	215.1	251.6	159.9
亚温正火	纵向	34.1	15.9	65.4	41.3	-48.7	-46.1	80.9	8.13	-7.54	64.3	52.4
亚温正火	横向	112.9	35.4	130.6	104.3	-10.9	31.3	123.1	105.0	77.1	48.3	61.4
6MPa试水压	纵向	-65.5	-10.6	-7.6	-48.5	-6.4	-67.0	65.4	15.0	49.8	-16.2	-116.3
6MPa试水压	横向	-59.0	103.8	-9.6	-53.9	-83.7	75.2	195.0	60.5	118.4	62.5	10.3

由表3看出：压力容器的焊接残余应力全为拉应力(用盲孔法测定)，在焊缝交叉点6达最大值，为达到屈服极限的双向拉应力。但在亚温、正火或试水压后焊接残余应力大为下降，两者下降水平相近。
4.2预加载水平对焊接残余应力的影响
我们用单向堆焊宽板拉伸和平板堆焊十字形板双向拉伸磁测研究了加载程度对残余应力的影响，试验证明预加载程度越高，残余应力下降程度越大，结果(两者结果相近)为
预加载水平(σ_s )：00.20.40.60.8
纵向残余应力水平(MPa)
横向残余应力水平(MPa)-50
4.3低周疲劳对残余应力的影响
同时经过亚温正火和6MPa试水压的容器纵向残余应力峰值为159.7MPa，横向残余应力峰值为175.MPa，经过ΔP＝0－6MPa循环加载到次(要求为次)未见异常，纵向残余应力峰值降为96.8MPa(只两点正值，其余为负值)，横向残余应力全为压应力，因此在使用中是安全的。如不经过热处理而预加载水平在0.8σ_s ，纵向残余应力水平在160MPa时，容器使用是安全的。为了进一步考察其疲劳强度储备，我们采用了多级递增加载疲劳试验，多级递增加载规范为(P_s 11.6MPa)：
0～0.6P_s =7.1Mpa,次；
0～0.6P_s =7.12MPa,500次；
0～0.77P_s =8.3Mpa,500次；
0～0.8P_s =9.5MPa,500次；
0～0.9P_s =10.7MPa,500次；
0～1.0=1P_s ＝1.7MPa,500次；
0～1.1P_s =13.5MPa
钢瓶颈口环焊缝渗漏。
由上看出该容器的疲劳强度储备是相当大的。
4.4预加载水平对工作应变的影响
经过实测加载时应力峰值仍在焊缝交叉点3，其次在筒体中部，取交叉点3为例，试验结果如表4。
由表4看出水压10.6MPa预载以后，不同水压加载(MPa)时的实测应变（με）有所减少，这也证明由于预载减少了残余应力的影响，使工作情况得到了改善，工作效率提高1/3左右。

表4加载对工作应变的影响

应变με\加载		不同水压加载(MPa)时的实测应变(με）
应变με\加载		1.2	2.0	4.0	6.0	7.2	8.0	9.0	9.2	9.4	9.6	9.8
焊态	纵向应变	300	490	833	1362	1590	1728	2064	2114	2175	2483	3094
焊态	横向应变	48	113	183	358	484	568	680	701	719	740	765
预载 10.6	纵向应变	230	426	798	1247	1320	1418	1505	1621	1650	1680
预载 10.6	横向应变	58	98	189	275	321	357	381	391	404	418

4.5容器的爆破断裂试验
我们对图1的5种工艺10个容器进行了焊缝切口(长50mm深2.5mm，相当于等效裂纹尺寸12.9mm的表面裂纹)的爆破试验，启裂COD在0.25～0.068mm之间，启裂压力在5.8～8.1MPa之间，爆破压力在13.3～17.4MPa之间。爆破压力实测与断裂力学原理计算值误差在-8.5～7.0之间。这些差异确定了5种工艺的优劣。

作者单位：西南交通大学(成都)

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