تکنیک های بازرسی غیر مخرب در مخازن CNG خودرو

تخریب مخازن ذخیره CNG خودرو و به وجود آمدن صدمات ناشی از آن همواره یکی از دغدغه های مصرف کنندگان بوده است. امروزه در راستای کاهش آلودگی شهرها تمایل به استفاده از گاز طبیعی افزایش یافته است.

بررسی تکنیک های بازرسی غیر مخرب در مخازن CNG خودرو و بیان عیوب ایجاد شده در فرایند تولید و حین مصرف به استناد استانداردهای ملی ایران

چکیده
تخریب مخازن ذخیره CNG خودرو و به وجود آمدن صدمات ناشی از آن همواره یکی از دغدغه های مصرف کنندگان بوده است. امروزه در راستای کاهش آلودگی شهرها تمایل به استفاده از گاز طبیعی افزایش یافته است.
توجه به امر طراحی، تولید و بازرسی های مربوط به آن از اهمیت ویژه ای برخوردار است. بخش مهمی از این بازرسی ها را آزمایشات غیر مخرب در بر می گیرند. در سالهای اخیر پیشرفت این تکنیک ها باعث شده تا اهمیت آنها در صنایع دو چندان گشته و استفاده از آنها موجب افزایش سطح اطمینان و کاهش حوادث احتمالی گردد تا جایی که امروزه در جهان به صورت یک علم کلاسیک مطرح شده است.
در این مقاله به بررسی تولید و عیوب ناشی از آن، آسیب های در معرض وقوع و بازرسی های غیر مخربی که باید در مسیر تولید و مصرف اینگونه مخازن صورت گیرد پرداخته شده است.

مقدمه
در سال های اخیر جهت بهینه سازی و پیشگیری از مصرف بی رویه و جلوگیری از ایجاد آلودگی های زیست محیطی بنزین سوخت های گاز مایع (LPG) و بعد از آن گاز طبیعی فشرده (CNG) جایگزین گردید. گازهای گلخانه ای حاصل از احتراق این سوخت ها به میزان قابل توجهی از بنزین کمتر می باشد. بدیهی است برای ذخیره این سوخت در خودرو از مخازنی استفاده می گردد. در سالهای اخیر شاهد اتفاقات ناگوار انفجار مخزن گاز در خودروها و از دست دادن جان صدها تن از هموطنان عزیزمان بوده ایم. اکثر این اتفاقات به دلیل وجود عیوبی است که در فرآیند تولید در مخزن به وجود می آید.

هدف
در این مقاله به بیان انواع مخازن ذخیره CNG، روش های تولید، استانداردهای ملی ایران در راستای افزایش ضریب اطمینان مخازن تولیدی و پیشگیری از بروز خسارات و بالا بردن سطح کیفیت بازرسی ها با استفاده از تکنیک های مدرن بازرسی در زمینه مخازن CNG پرداخته می شود.

انواع مخازن CNG
در استاندارد ملی ایران 7598 قطعات گاز سوز CNG به پنج دسته (صفر تا چهار) تقسیم شده اند. طبق تعریف طبقه صفر شامل قطعات فشار بالا حاوی CNG در فشار های بین 3 تا 26 مگاپاسکال می باشد.
سیستم CNG را مجموعه ای از قطعات اصلی و اتصالی در بر می گیرد. مخزن یکی از قطعات اصلی این سیستم بوده و جزء قطعات خاص محسوب می شود. لذا در دسته صفر قرار می گیرد.
مخازن مورد نظردر این مقاله مخازنی هستند که فشار کاری از 20 مگاپاسکال در دمای 15 درجه سانتیگراد تا حداکثر 26 مگاپاسکال را تحمل می کنند. این مخازن طبق استاندارد ملی ایران به چهار دسته زیر تقسیم می گردند(شکل 1) :
1- مخزن CNG-1: مخازن تمام فلزی
2- مخزن CNG-2: پوسته داخلی فلزی با الیاف پیوسته که به طور محیطی روی بخش استوانه ای مخزن تابیده شده است.
3- مخزن CNG-3: پوسته داخلی فلزی با الیاف پیوسته که به طور محیطی و محوری به طور کامل دور لایه تابیده شده اند.
4- مخزن CNG-4: مخزن بدون لایه فلزی با الیاف پیوسته آغشته به رزین

تولید مخازن CNG
مخازن می توانند از هر نوع فولاد، آلومینیوم یا مواد غیر فلزی ساخته شوند. اما با توجه به اینکه استحکام آلومینیوم پایین می باشد در صورت ساخت مخزن از این جنس ناچارضخامت پوسته مخزن افزایش می یابد لذا استفاده از فولاد برای ساخت مخازن ترجیح داده می شود. طبق استاندارد ملی ایران 7909 مخازن فولادی به سه دسته زیر تقسیم می گردند:
الف) سیلندرهای فولادی آبدیده و برگشت داده شده با استحکام کششی کمتر از 1100 مگاپاسکال
ب) سیلندرهای فولادی آبدیده و برگشت داده شده با استحکام کششی بزرگتر یا مساوی 1100 مگاپاسکال
ج) سیلندرهای فولادی نرمالیزه شده
و مواد مورد استفاده برای ساخت این سیلندرها در یکی از سه دسته زیر قرار می گیرند:
الف) فولادهای تایید شده بین المللی برای ساخت سیلندر
ب) فولادهای تایید شده ملی برای ساخت سیلندر
ج) فولادهای جدید حاصل از پیشرفت فناوری برای ساخت سیلندر
همچنین مطابق همین استاندارد روش ساخت مخزن به روش های زیر می باشد:
1- آهنگری یا آهنگری ضربه ای از یک شمش یا شمشال پیوسته
2- استفاده از لوله بدون درز
3- پرس کاری یک صفحه صاف

عمر مفید مخازن
عمر مخازن بر اساس نرخ رشد ترک خستگی تعین می گردد. طراحی مخزن باید به گونه ای باشد که واماندگی احتمالی مخزن در طول استفاده عادی آن تنها به صورتی اتفاق بیفتد که مخزن قبل از شکسته شدن دچار نشتی و افت تدریجی فشار شود و در دمای 15 درجه سانتیگراد و با فشار 20 مگاپاسکال تحمل 1000 مرتبه پر شدن در سال و تا حداقل 15000 مرتبه پر کردن تا حداکثر 20 سال را داشته باشد.

عیوب حین تولید
در فرایند تولید مخازن، قبل از شکل دهی دو انتهای آنها، بایستی به لحاظ ضخامت و پرداخت سطح مورد آزمون قرار گیرند. همواره فرایند تولید با ایجاد عیوبی در قطعات همراه بوده است. تولید مخازن CNG نیز از این قاعده مستثنی نیست. باتوجه به اهمیت این محصول و حساسیت بسیار بالای آن فرایند بازرسی از اهمیت ویژه ای برخوردار است. بنابراین هم در حین تولید و هم در حین استفاده بایستی مخازن را مورد بازبینی و بازرسی قرار داد.
عیوب حین تولید می تواند مربوط به مواد مورد مصرف، نوع فرآیند ساخت، شکل دهی گلویی سیلندر، عملیات حرارتی، ماشین کاری وغیره باشند.
چند نمونه از عیوبی که در حین فرایند ساخت ممکن است به وجود آیند در زیر آورده شده است:
– برآمدگی: کلیه سیلندرهایی که دارای این عیب باشند مردود هستند.
– فرو رفتگی شامل بریدگی یا خراش: کلیه سیلندرهایی که این عیب را دارند مردود هستند.(شکل 2)

– شیار برجسته: در صورت امکان تعمیر، در غیر این صورت مردود است.
– تورق: در صورت امکان تعمیر، در غیر این صورت مردود است.(شکل 3)

– ترک های گلویی: کلیه سیلندرهایی که این عیب را دارند مردودند.(شکل 4)

– حفره دار شدن بر اثر خوردگی: کلیه سیلندرهایی که بعد از عملیات ساچمه زنی دارای این عیب باشند
مردود اعلام می شوند.
در حین تعمیرات به منظور اجتناب از ایجاد عیوب جدید، باید مراقبت بیشتری را لحاظ نمود و بعد از تعمیرات سیلندرها را بایستی دوباره مورد آزمون قرار داد.

عیوب حین استفاده
سطوح خارجی مخازن همواره در معرض آسیب هایی است. این آسیب ها می تواند تماس با مواد مختلف نظیر آب، نمک (آب و هوای دریایی) مایعات مورد مصرف خودرو وغیره باشد، که باعث خوردگی در بدنه می گردد، یا در معرض ضربات ناشی از شن و سنگ ریزه و تشعشعات ماوراء بنفش خورشید قرار گیرد. بنابراین اهمیت دارد تا در حین استفاده نیز مخازن مورد بازبینی و بازرسی قرار گیرند.
از جمله آسیب های دیگر می توان به موارد زیر اشاره کرد:
سایش
صدمات شیمیایی
اثرات جوی
آسیب ناشی از ضربه
برآمدگی و تورفتگی
خوردگی SCC
خوردگی حفره ای
و…

آسیب های به وجود آمده در مخازن CNG
اصلی ترین روش پیدا کردن آسیب مخازن انجام بازرسی چشمی است. این آسیب ها به 3 سطح تقسیم می گردند:
آسیب های سطح 1: این آسیب ها، آسیبهای جزئی هستند که از دید بازرسی چشمی به دور می مانند.
آسیب های سطح 2: این آسیب ها قابل رد بوده و در صورت وقوع بایستی مورد آزمون قرار گیرد یا اینکه غیر قابل استفاده اعلام گردد.
آسیب های سطح 3: این آسیب ها به اندازه کافی شدید بوده و در صورت وقوع نباید آن را ترمیم کرد بلکه بایستی غیر قابل استفاده اعلام گردد.
به عنوان مثال مخازنی که دارای آثار ظاهری ناشی از آتش سوزی یا گرمای بیش از حد باشند به صورت مخازن دارای آسیب سطح 3 در نظر گرفته می شوند.

بازرسی های غیرمخرب در مخازن CNG
در صورتی که عیوب موجود در قطعات از حد پذیرش استاندارهای مرتبط بیشتر باشند آنها را مردود اعلام می نمایند. عیب یابی و تحلیل عیوب را با روش های بازرسی مخرب و غیر مخرب انجام می دهند. آزمایشات مخرب همانطور که از نامشان پیداست با تخریب قطعه همراهند حال آنکه آزمایشات غیر مخرب در سلامت قطعه تاثیری نمی گذارند. به همین دلیل و همچنین سرعت و دقت بالا و امکان استفاده پیوسته آنها در خط تولید، در صنعت کاربرد بسیار زیادی پیدا کرده اند.
لازم است تا هر مخزن در حین تولید تحت آزمونهای غیر مخرب زیر قرار گیرد:
الف) آزمون سختی سنجی که بعد از عملیات حرارتی نهایی انجام می گیرد.
ب) آزمون التراسونیک
مخازن را بایستی حداکثر هر 36 ماه یکبار و همچنین هنگام نصب مجدد آن، مورد آزمون چشمی قرار دهند. البته بسته به شرایط کشور انجام بازرسی های چشمی در بازه های زمانی کوتاه تر می تواند مورد نیاز باشد.
ضمنا مخازن دچار تصادف و آتش سوزی نیز بایستی توسط شرکت های بازرسی مورد تایید مرجع ذیصلاح مورد بازرسی فوری قرار گیرند.

لازم است تا کلیه مخازن CNG مورد بازرسی فراصوتی قرار گیرند. تجهیزات این آزمون باید قابلیت شناسایی قطعه مرجع را داشته باشند. این قطعه بایستی فاقد ناپیوستگی هایی باشد که احتمال تداخل با شکاف های مرجع را پدید آورند. این شکاف ها باید روی سطح خارجی و داخلی سیلندر، ماشین کاری گردند که شامل شکافهای طولی و عرضی می باشند.

نام کامل مقاله:

بررسی تکنیک های بازرسی غیر مخرب در مخازن CNG خودرو و بیان عیوب ایجاد شده در فرایند تولید و حین مصرف به استناد استانداردهای ملی ایران

آزمون التراسونیک در مخازن CNG
لازم است تا کلیه مخازن CNG مورد بازرسی فراصوتی قرار گیرند. تجهیزات این آزمون باید قابلیت شناسایی قطعه مرجع را داشته باشند. این قطعه بایستی فاقد ناپیوستگی هایی باشد که احتمال تداخل با شکاف های مرجع را پدید آورند. این شکاف ها باید روی سطح خارجی و داخلی سیلندر، ماشین کاری گردند که شامل شکافهای طولی و عرضی می باشند.
این آزمون باید با سیستم پالس اکو و با یکی ازروش های تماسی یا غوطه وری انجام گردد. همچنین کار با تجهیزات آزمون باید توسطافراد آموزش دیده و تحت نظارت افراد واجد صلاحیت و با تجربه که طبق استاندارد ISO 9712 گواهی سطح 2 دارند انجام شود.
سیلندرهای مورد بازرسی و واحد جستجوگر (Search unit) باید نسبت به یکدیگر دارای دو حرکت چرخشی و انتقالی (پیمایش مارپیچ استوانه) با حداقل همپوشانی 10% را داشته باشند و در سرعت چرخشی و انتقالی به کار رفته در هنگام کالیبراسیون پوشش 100% را تضمین کنند.
مطابق استاندارد ISO 11014-1 منطقه گذار بین قسمت استوانه ای و کلگی سیلندر(شکل 5) باید برای عیوب عرضی در جهت کلگی نیز مورد آزمون قرار گیرد. لازم به ذکر است این فرایند به صورت دستی نیز قابل اجراست.
سیلندرهایی که نتایج بازرسی آنها برابر یا بیشتر از شکاف های استاندارد است باید مردود اعلام گردند. پس از برطرف سازی عیوب سطحی، سیلندرها باید مجددا تحت آزمون التراسونیک و اندازه گیری ضخامت قرار گیرند. در انتها هر کدام از سیلندرها که در این آزمون مورد تائید واقع شده اند باید توسط مهر UT که بر روی آن زده میشود مشخص گردد.

آزمون التراسونیک پیشرفته (Phased array)
در این تکنیک از امواج فراصوتی با استفاده از پراب های چند کریستالی جهت اسکن کردن قطعه استفاده می گردد که قدرت تقویت امواج را دارا می باشند و می توانند از مقاطع مختلف و به صورت سه بعدی تصویر عیوب را آشکار سازند.
از مزایای این روش می توان به قابلیت تنظیم زاویه، فاصله کانونی، فاصله نقطه کانون به صورت نرم افزاری و دقت و سرعت بسیار بالای آن اشاره نمود.

اندازه عیوب، معیار پذیرش و رد مخازن
در مخازن CNG بایستی اندازه بحرانی نقص مشخص گردد این اندازه به اندازه حدی نقص موجود در داخل ضخامت دیواره مخزن یا پوسته داخلی آن اطلاق می گردد، که با وجود آن گاز ذخیره شده می تواند بدون ایجاد شکست در مخزن تخلیه گردد طبق این تعریف معیار رد مخزن با این الزام مشخص می گردد که اندازه نقص مشخص شده با روش التراسونیک یا روشهای پیشرفته تر آن، باید کوچکتر از حداکثر مجاز باشد.

نتیجه گیری

با توجه به سیاست های بهینه سازی مصرف سوخت و تغییر سوخت خودروها از بنزین به گاز طبیعی و با در نظر گرفتن تجربه کم کشورمان در زمینه  بازرسی مخازن CNG، امید است تا با کاربردی شدن این استانداردها و با استفاده از بازرسی های الزام شده در استانداردهای مرتبط، تدوین استانداردهای جدید بر اساس روش های نوین،  بازرسی های روی خط تولید و بازرسی های دوره ای با تکیه بر علم روز دنیا صورت گیرد تا بدین وسیله در راستای کاهش صدمات اقتصادی و تلفات جانی ناشی از تخریب مخازن CNG گام برداریم.