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化工装备技术
第40卷第2期2019年4月
王烈高*
*王烈高，男，1965年生，高级工程师。黄山市，245000
（黄山市特种设备监督检验中心）
摘 要 介绍了车用气瓶爆破片的现状，分析了爆破片失效的主要原因。结果表明，爆破
片失效的主要原因有材料不合格，工人安装不规范，材料疲劳损伤，温度太高以及质量不 过关等。
关键词 车用气瓶 爆破片 失效原因
中图分类号 U 463 DOI ： 10.16759/jki.issn. 1007-7251.2019.04.004
Failure Analysis of Rupture Disk for Vehicle Gas Cylinder Valve
WANG Liegao
Abstract: The present situation of rupture disks for automotive cylinders was introduced, and the main causes
of failure of rupture disks were analyzed. The results showed that the main causes of failure of blasting discs were
unqualified materials, irregular installation of workers, fatigue damage of materials, high temperature and poor
quality, etc.
Key words: Vehicle gas cylinder; Rupture disk; Failure analysis
0引言
随着新能源及清洁能源的技术不断发展，车用气 瓶得到了越来越广泛地应用。天然气及氢气能源汽车 近几年得到了大力发展，目前我国该类汽车保有量约
为数百万辆。该类汽车使用的气瓶在运行过程中可能
会产生碰撞及火灾等事故，若在充气过程中超压充装
则会导致气瓶爆炸。
为了保证其安全有效地运行，通常在车用气瓶的 瓶阀上安装爆破片装置，当气瓶超压充装或发生火灾 使得气瓶压力超过设定值时，爆破片可以使压力安全
泄放。目前，这数百万辆使用气瓶的汽车上均安装有 爆破片装置。但是近年来爆破片提前爆破及气瓶超压
时爆破片未及时爆破的现象时有发生，造成了人员伤
亡和财产损失，对汽车的安全运行产生了巨大影响。
本文就车用气瓶爆破片的失效原因进行了分析，可为 车用气瓶的安全运行提供技术保障。
1车用气瓶爆破片的结构分析
爆破片装置由爆破膜片、夹持圈和紧固件组成, 当瓶内气体压力达到预定值时，膜片破裂，瓶内3种 气体自行排出。爆破片一易熔合金组合装置的易熔
合金塞设置在爆破片泄放侧，当爆破片压力达到预定
值，并且环境温度也达到预定值时，组合装置就开始 排气泄压。3种爆破片结构形式可见图1.
主要包括
2019年4月王烈高：车用气瓶阀用爆破片失效分析13
正拱形、反拱形和平板形⑴。平板形爆破片是较为常用的爆破片，随着科技的发展，平板形爆破片逐渐被正拱形和反拱形爆破片取代。正拱形爆破片为拉伸型爆破片，其爆破压力与材料的抗拉强度有关；反拱形爆破片为压缩型爆破片，爆破压力为其失稳压力，与材料的抗压强度有关。图2所示为爆破片的阀体结构，图3所示为爆破片与易熔合金组合装置结构。
（a）正拱形（b）平板形（c）反拱形
图1爆破片结构形式
图2阀体结构图
图3爆破片与易熔合金组合装置结构图
2失效原因分析
对大量的失效爆破片进行分析后可知，目前爆破片失效的主要原因包括材料不合格，工人安装不规范，材料疲劳损伤，温度太高以及质量不过关等。2.1爆破片材料不合格
不同的材料具有不同的耐腐蚀性、抗疲劳性和最高使用温度等参数。由于生产时数万片爆破片一起冲压，一旦选用的爆破片板材质量不过关，材料均匀性或者耐腐蚀性不好，就会导致产品质量不能满足要求。表1为常用爆破片材料的最高使用温度。
表1常用爆破片材料的最咼使用温度
爆破片材料最高使用温度/%
铝100
铜200
鎳400
奥氏体不锈钢400
镰铜合金430
镰钻合金480
哈氏合金480
石墨200
2.2安装不规范
在安装时，由于爆破片很薄，安装工人会因为误操作而同时安装两片爆破片，一旦发生超压情况，两片叠加的爆破片就无法及时动作，导致气瓶在充气时发生爆炸。另外，部分爆破片安装时需要紫铜垫片进行夹持。紫铜垫片正反两面的粗糙度不同，一面粗糙，另外一面光滑，应将光滑面与爆破片接触。如果爆破片与粗糙一面进行紧固夹持，会很容易在其表面形成划痕，影响爆破片的正常工作。
2.3疲劳损伤
爆破片使用时气瓶不断放气、充气，在循环过程中会产生循环应力，而且车用压缩天然气（CNG）气瓶的储气压力达到20MPa，耐疲劳性能较差的正拱形爆破片容易产生疲劳损伤或超过破坏。正拱形爆破片通常在100-100000次循环应力作用下时，会在某处产生局部永久性累计损伤，超过一定循环次数后爆破片易产生裂纹或者突然断裂现象。由于不连续效应及应力集中的影响，疲劳破坏通常出现在爆破片的边缘。对于同一结构形式的爆破片，鎳、不锈钢、铝、铜材质的爆破片抗疲劳性依次减弱"'o
2.4环境温度过高
目前绝大部分安全泄压装置失效均发生在夏天，因此可推测其失效原因可能与夏季高温有关。在夏季时，环境气温可以达到35七，甚至高达38~40
14化工装备技术第40卷第2期
七，此时实际室外温度特别是阳光下的温度通常高于40七。那么，放置气瓶的汽车后备箱温度则可能高达80-90°C O以CNG气瓶为例，选择最高气温为35.2七的中午，将量程为-30-150°C的煤油温度计在中午12:30时放入黑汽车的后车厢，关闭后车厢并使其在太阳下暴晒0.5h后取出温度计，其读数为88r，如图5所示。
(a)后车厢(b)温度计 (c)暴晒后读数
图5汽车后车厢温度测试图
常温下车用CNG气瓶的储气压力为20MPa o根据查理定律，压强P随温度T呈线性关系为：p= Po(l+07%其中，是气体在0T时的压强，令其为20MPa;B是气体的膨胀系数。对于理想气体，/3与气体种类及温度范围无关，且0=1/273，这时p=p°(1+77273)。根据查理定律公式，在90七时，气瓶内实际气压：p=p°(1+77273)=20(1+90/273)=26.59 MPa o查理定律通常用于压力不太大的气体，当实际气体压力较大时，气体分子之间的势能急剧增大，实际压力比计算压力高。若按照压力增大10%计算，则实际压力约为27.25MPa。因此在夏日高温时，气瓶内的压力升高，接近甚至达到爆破的临界点，导致爆破片爆破。另外，气瓶充气时放热，在充气过程中，瓶体温度也会达到80紀以上，导致瓶内压力增大。2.5爆破片质量不过关
由于目前的瓶阀用爆破片均由瓶阀制造企业自身或者委托其他厂家冲压而成，爆破片的厚度、泄放口径、拱高等参数可能不满足爆破要求，产品质量及连续性无法保障。且爆破片的制造及检验不完全可控，因此其质量的稳定性很差，导致了大量爆破片事故的发生。
3结论
通过对车用气瓶爆破片进行失效分析后，得到其失效的原因有如下几方面：
(1)板材选用不合理导致失效；
(2)安装不规范导致失效；
(3)爆破片的疲劳损伤导致失效；
(4)夏天高温或充气时容易发生失效；
(5)爆破片质量不过关导致失效。
参考文献
［1］吴全龙，杭坚卫.爆破片使用更换周期问题探讨［JL特种设备安全技术,2006(1):37-3&
(收稿日期：2018-08-27)
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