汽车用压缩天然气(CNG)气瓶安全技术基本要求
2022-09-24
来源:乌哈旅游
维普资讯 http://www.cqvip.com 第22卷第3期 中国特种设备安全 ·29· 安全技术 摘关键。 要中国的汽车用压缩天然气(CNG)燃料气瓶的发展曾经历2次暂时的困难。准确的服役条件是 车用CNG瓶设计和正确使用的基础,而新设计、新材料和新结构的充分试验是当前中国车用CNG瓶发展的 关键词汽车用CNG燃料气瓶 复合气瓶 Abstract The development of on-board CNG containers ever experienced temporary difficuhy twice in China.Accurate service condition are the grounds of its design and proper usage;while the sufficient testing and inspection of new design,new material and new strueture are critical to its current progress. Keywords CNG vehicle(NGV)fuel containers Composite cylinders 中国自1999年开始实施清洁汽车行动。截至 2003年12月我国l6个重点推广应用城市共发展燃气 汽车l9.3万辆,其中压缩天然气(CNG)汽车7.9万辆; 1 车用CNG瓶及其标准的发展E2] 20世纪50年代和60年代.在意大利和前苏联开 始大量使用CNG作为汽车燃料,由于经济方面和减 少污染2个原因。CNG汽车在世界上得到迅速发展。 共建成加气站549座,其中CNG加气站295座。我国燃 气汽车、燃气加气站历年统计数据见表l,表2 E”。 寰l我国燃气汽车历年数据统计 项目 典型的车用CNG瓶压力是20MPa。最初的车用 CNG瓶是钢制的。意大利生产的是相当于美国标准 万辆 1999正 2000正 2001仨 2002仨 2003年 DOT3AA的厚壁钢瓶,一直用到1970年代初期。 1970年代意大利发展了轻量化的按意大利新规 范制造的车用CNG钢瓶。在世界各地得到使用。 在北美,大量汽车改用CNG作燃料开始于1980 年代。1977年,用金属作内胆、玻璃纤维缠绕的航天 用气瓶技术。首先在呼吸气瓶市场使用。1982年,用 铝作内胆、玻璃纤维环向缠绕的CNG瓶开始服役。 燃气汽车总教 其中:Ⅱ,GV 其中:CNGV 4.3 3.9 O.4 7.6 6.1 1.5 l1.O 8.5 2.5 l5.3 9.6 5.7 19.3 l1.4 7.9 CNGV/燃气汽车总教 9.3% l9.7% 22.7% 37_3% 40.9% 表2我国燃气加气站历年数据统计 项座 目 1999年 2000年 2o01年 2002年 2003年 加气站总数 其中:I 站 其中:CNG站 13O 85 45 225 140 85 326 206 120 486 253 233 594 299 295 1985年,用钢作内胆、玻璃纤维环向缠绕的CNG瓶出 现。其时。环向缠绕复合材料气瓶被认为是保守的 设计.因为当缠绕的复合材料损坏时,金属内胆自己 CNG站/加气站总数 34.6% 37.8% 36.8% 47.9% 49.7% 就能承受20MPa的工作压力。 1992年,美国颁布了ANSI/AGA NGV2--1992标 改善能源结构.减少汽车排放和节约能源成本 是发展CNG汽车的原动力。确保安全是CNG汽车持 准。它主要以工业标准为基础,吸收美国DOT3AA钢 瓶标准、DOT3AL铝瓶标准、全缠绕设计的FRP一1标 准草案和环向缠绕设计的FRP一2标准草案。NGV一2 续发展的保障。 维普资讯 http://www.cqvip.com 30· 中国特种设备安全 第22卷第3期 标准第一次确定了当前通用的CNG瓶按材料和结构 划分为4型E ,即: NGV2—1金属(铝或钢)气瓶; NGV2—2金属内胆环向缠绕气瓶; NGV2—3金属内胆全缠绕气瓶; NGV2-4塑料内胆全缠绕气瓶。 NGV2--1992规定了各种纤维(包括碳纤维)的 各型CNG瓶的应力系数。值得注意的是NGV2—1992 标准允许塑料内胆气瓶的使用。 1994年,美国因CNG复合材料气瓶的几次失效, 把CNG瓶设计的工业标准和汽车严峻的使用环境结 合起来。随后加拿大修改NGV2--1992,作为CSA B51--95511拿大标准发布。同时,加拿大作为组长的 国际标准编制小组从1989年开始起草车用CNG瓶标 准.于2000年正式通过ISO 1 l439—2000,而NGV2经 过1992年初版。1998年第二版后,形成NGV2— 20oo。这样:EN/ISO 1 1439、NGV2和CSA B51 part2 形成国际上普遍认可的几个车用CNG瓶标准。 以下。列出世界一些国家CNG汽车及加气站数 量.见表3 E 。 表3世界主要国家CNG汽车殛加气站数量 国别 车,万辆 站,座 国别 车,万辆 站,座 阿根廷 103.O5 1105 德国 1.44 322 巴西 56.93 6o0 马来群岛 O.77 34 巴基斯坦 41.00 423 法国 O.65 105 意大利 40.O8 463 自俄罗斯 0.55 24 印度 15.92 166 印度尼西亚 0.47 28 美国 13.0o 13oo 智利 0.45 23 埃及 4.73 78 瑞典 0.43 44 委内瑞拉 4.41 149 特立尼达和多巴哥 0.40 12 乌克兰 4.2O 13O 韩国 0.26 33 俄国 3.6O 218 澳大利亚 O.2l 127 盂加拉 2.2O 25 墨西哥 O-2O 4 加拿大 2.05 222 新西兰 O+l6 30 哥伦比亚 1.94 56 泰国 O.12 5 日本 1.85 226 伊朗 O.1O 3 玻利维亚 1.55 37 英国 O.O9 34 资料来源:欧洲(The GVR)2003年1l Jq刊。 2‘中国车用CNG瓶的发展 我国从1980年代末开始在四川I市场上出现 NGV2—1型钢瓶。安装在卡车或公交车下部,类似 1970年代意大利的轻量化CNG钢瓶。富气贫油的四 川(包括现在的重庆)成了我国CNG汽车的先行者。 由于轻型CNG钢瓶设计应力过高以及CNG中含 硫含水过多脱除不彻底,以致于发生了CNG钢瓶的 应力腐蚀失效[钔。值得注意的是站用CNG储气钢瓶 的失效次数远大于车用CNG钢瓶,而站用CNG钢瓶 的设计原理竞同车用CNG钢瓶完全一样。 1998年.GB17258车用天然气钢瓶国家标准发 布。将过高的设计应力降到适合我国的钢材和CNG 气质水平,车用CNG气瓶继续发展。 由于钢瓶较重。市场需求轻型CNG缠绕瓶。1998 年市场开始供应NGV2—4型全复合材料气瓶,安装在 北京1000多辆公交车顶部。使用的是航天复合材料 技术,HDPE内胆,外加玻璃纤维全缠绕,标准基本是 ISO/CD 1 1439。由于少数NGV2—4型CNG瓶的泄漏问 题(比例150/10000),市场上发展放缓,并引起业内一 场技术讨论。之后,NGV2—4继续服务于市场。 2003年和2004年发生了4型CNG瓶的失效事故 3起。引发4型CNG瓶在市场认可度的跌落。 2001年NGV2—2型钢内胆环向缠绕玻璃纤维 CNG瓶开始投放市场。标准基本是ISO 11439,成为 几年中车用CNG缠绕瓶的后起之秀 但由于钢管为 内胆原材料,品种规格对市场需求显得少了些。 综合性能较好的铝合金内胆碳纤维全缠绕 NGV2—3型瓶在我国已有小量问世。 目前。中国除了GB17258车用钢瓶标准外。还没 有对应于NGV2的车用缠绕气瓶国家标准。市场上 的复合材料CNG瓶是按企业标准生产的。企标基本 参考ISO 1 1439制订的。 各型CNG瓶的重量和成本比较。见表4 c引。 3车用CNG瓶的基本要求 车用CNG气瓶基本要求是保证安全。使用方便 和减轻重量,主要为[63: 1)准确规定其服役条件,并将服役条件作为设 计和使用的基础: 2)要求进行断裂的性能分析,并以此评定其疲 劳性能和规定合理的缺陷尺寸: 3)要求对设计进行验证和型式试验; 维普资讯 http://www.cqvip.com 第22卷第3期 中国特种设备安全 ·31 · 表4各型CNG瓶的成本和重量比较 型式 材料 成本 重量/kg l 钢 40 1o0 2 钢.玻纤 80 65 2 销.玻纤 95 55 3 铝.玻纤 90 45 3 铝.碳纤 10o 25 4 碳/玻混纤 9O 30 注:成本和重量最高值定为100。 4)要求对所有气瓶进行非破坏性试验和检验; 5)要求对每批气瓶的材料进行破坏性试验; 6)要求制造商有严格的质保体系; 7)要求对车用CNG瓶进行定期检验; 8)要求制造商规定所生产气瓶的安全服役期限。 4车用CNG气瓶的设计 众所周知,一般复合材料气瓶标准,美国DOT FRP一1,FRP一2,CFFC和英国HSE—AL—FW1,一HW1。一 FW2是属于设计导向 ̄(Design—Oriented)。和它们不 同,ISO 11439.ANS1/CSA NGV一2属于性能导向型 (Performance Oriented),性能导向型标准控制试验, 允许多种材料和制造工艺,其原则是如果产品通过 试验,产品是安全的。其优点是易于创新;缺点是决 定新技术和新材料所需要试验的每个内容是困难 的。而设计导向型标准的优点是有非常好的安全纪 录l8】。 其实,性能导向型标准正是建立在充分的材料 和设计要求基础之上的。 1)最低试验压力应为30MPa(3/2xT.作压力)或 33.4MPa(5/3x ̄作压力)。 2)应力系数(Stress Ratio)是车用CNG瓶在规定 最小爆破压力状态下的纤维应力与工作压力状态 下纤维应力之比,反映车用CNG瓶的安全水平。 应力系数与纤维本身的性质有关,并结合复合 材料气瓶的类型,合理的应力系数解决了抗应力断 裂性能和疲劳寿命的问题。 按表5所列各类气瓶的应力系数值_6_,可以预计, 玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维的结构疲劳寿命分别 为100万次、1000万次和10000万次。考虑到内胆材 料的基本寿命.只会少于纤维的疲劳寿命[ 。 表5应力系数和爆破应力 项目 CNG一2环向缠绕 CNG一3全缠绕 CNG一4全复合材料 应力 爆破压 应力 爆破压 爆破压 纤维 应力系数 系数 力,MPa 系数 力|MPa 丸|MPa 玻璃纤维 2.75 50 3.65 70 3.35 73 芳纶纤维 2.35 47 3.1O 60 3.1O 62 碳纤维 2_35 47 235 47 2.35 47 注:金属车用天然气瓶的爆破压力应不小于45MPa。 应力系数的验证可以用应变仪来进行,笔者建 议对2型、3型、4型气瓶型式认可时,对企业所测定应 力系数进行审核,应符合表5的规定。 3)实际爆破压力应不小于表5所要求的数值,但 破裂允许发生于圆筒部位或端部[6]。 4)应力分析。应采用有限元分析程序和非线性 材料分析方法,计算在自紧后,在OMPa、20MPa、试 验压力和设计爆破压力下,复合材料层和内胆中的 计算应力。 5)断裂性能和无损检测(NDT)缺陷尺寸。气瓶 制造商应规定无损检测的最大缺陷尺寸,以保证 LBB(未破先漏)性能,并防止气瓶在使用寿命期内疲 劳失效,或气瓶破裂失效。 最大缺陷尺寸应用合适的设计方法来确定。用 预制裂纹气瓶进行疲劳试验来确定最大NDT尺寸是 推荐的方法。 6)其他 。自紧压力;o安全泄压装置;o隔绝层;o复 盖层;o安装要求;o使用说明;o最低限度的定检 要求等。 7)设计文件(包括上述设计信息和材料信息)应 由制造商在申请设计认可时,同时向安全监察部门 及其指定的检验机构上报以备审核。 5车用CNG瓶的材料[6] 气瓶材料应适合于本文6规定的服役条件,并 应不使用与CNG不相容的材料。且互相不相容的材 料不接触.如碳纤维和金属的电化学腐蚀。 1)金属气瓶或金属内胆 。钢或铝合金应为国内国际成熟的气瓶材料; o钢材的硫、磷含量加以严格限制;o铝合金的铅、 铋含量加以严格限制;o钢材应选用抗SSC应力腐蚀 维普资讯 http://www.cqvip.com 32· 中国特种设备安全 第22卷第3期 试验合格的铬钼钢;O铝合金应选腐蚀试验和SLC持 续载荷裂纹合格材料;可用6061一T6,而不用6351材 料:o钢或铝合金应有足够的力学性能,特别是伸 长率;O钢材应有足够的抗冲击性能。 21塑料内胆应符合本文6规定的服役条件要求, 并通过规定的设计认可和型式试验。 塑料在规定温度下应有足够的强度,伸长率和 韧性:塑料的软化温度应在120 ̄(2以上; 4型CNG瓶应成功通过渗透试验、瓶口端部螺纹 试验、天然气循环试验和泄漏试验; 4型CNG瓶还应成功通过火烧试验。 31加强纤维材料应是玻璃纤维、芳纶纤维或碳 纤维; 气瓶制造商应将复合材料技术标准、材料制造 商对储存条件和存放期的建议和每批材料的质量 合格证书存档。纤维制造商应证实纤维材料的性能 符合产品制造商的技术标准。 针对目前中国的纤维情况,笔者建议对加强纤 维做必要的性能复验。 41浸渍材料可以是热固性或热塑性树脂,适合 的基本材料有:环氧、改性环氧、聚脂和乙烯类热固 性塑料和聚乙烯、聚酰胺热塑性塑料。 树脂材料的玻璃化温度应予测定。 固化后树脂剪切强度应不小于13.5MPa。和树 脂基体有关的高温蠕变试验应合格。 51涂料层材料应使覆盖层试验合格,涂层厚度 应达到设计要求。 6车用CNG瓶的服役条件 规定服役条件的目的,是为车用CNG瓶提供设 计、选材、制造、检验、试验和批准的基础[63。 11车用CNG瓶与工业气体瓶服役要求比较见 表6 c 。 2)汽车用CNG按GB l8o47《车用压缩天然气》规 定。技术要求见表7。 31汽车用CNG瓶的压力、温度和充装次数为: f11最大工作压力 O基准温度为2O℃时,压力限制为20MPa;o充 装后立即测量,压力限制为26MPa(与温度无关); O在正常使用条件下压力限制为26MPa。 表6车用CNG瓶与工业气体瓶服役要求比较 条件 车用CNG瓶 工业气体瓶 气体成分 单一气体.但以甲烷为基 气体范围广.但一 础混合和变动 致 充装次数 1000次/a 12次/a 充装频率 可变经常在5minl ̄完成 相对地慢.温度升 高少 充装和使用间 零至几天 最多到数月 的时间间隔 安装 永久性装在车内或车下 站立地上.可移动 冲击 车的冲击或运行中跌落 运行中跌落 火 暴露在汽车着火时 建筑着火时 气体污染 大范围的小污染,包括油 气体通常是纯净和 和潮气 干的 外部环境 装载车下.受流体浸蚀 工业用通常能控制 水容积 2O~1ooOL O.5~15OL 表7中国汽车用压缩天然气技术要求 项目 技术指标 高位发热量/(MJ/m3) >31.4 总硫f以硫计)/(mg/m3) ≤20o 硫化氢/(mg/m3) ≤15 二氧化碳/% ≤3.O 氧气,% ≤O.5 在汽车驾驶的特定地理区域内。在最高操作 水露点/ ̄C 压力下,水露点不应高于一13℃;当最低气温 低于一8℃,水露点应比最低气温低5℃ 注:本标准中气体体积的标准参比条件是101.325kPa,20 ̄。 f21气体温度 。气体可能温度变化为_4O℃~+65℃:O在充装 和排放时。气体温度变化可能超过上述范围。 (31气瓶温度 。气瓶材料的温度可能在-4O℃一+82℃间变化: o气瓶材料温度可能在仅限于相当短的时间内和 极其局部的范围内超过+65℃。 (4)充装次数最高每年1000次; 41气瓶外表面会不经意地受到: o行路中水的浸蚀;o盐的浸蚀(沿海地区或化 雪盐水);o紫外线照射;O砂石的冲击;O酸、碱、化 肥、溶剂等的浸蚀;o汽车液体,包括油、脂、电池酸 等的浸蚀;O排放的废气。 5)气瓶可能装在封闭的空间里,并保持一段 维普资讯 http://www.cqvip.com 第22卷第3期 中国特种设备安全 ·33· 时间,设计中应考虑气体会从连接处渗出的可能 性: 属内胆,金属阔座机械性能校核;o水压试验;o气 密试验;o复盖层试验;o表面质量检验;o成型端 部检查。 6】安装要求:气瓶阀、压力泄放装置和各种连接 应加以保护,防止撞击。如保护装置固定在气瓶上. 连结的方法应经气瓶制造商同意。所考虑的因素包 括气瓶承受冲击载荷的能力,局部加固对气瓶应力 8结束语 1)确保车用CNG瓶的安全使用是CNG汽车持续 的影响及疲劳寿命的影响。 7)服役期限和定期检验 服役期限的含义是指按标准所规定的使用条 件下,气瓶可以安全的使用年限。最高服役期限一 般为15~2O年,应由气瓶制造商做出规定。 对金属和(或)金属内胆气瓶,使用寿命应以疲 劳裂纹增长速度为基础,应用超声波或等效方法检 验,保证每个气瓶或内胆不存在超过最大允许尺寸 的裂纹 每个气瓶应按标准进行定期检验。定期检验标 准应经气瓶制造商同意。定期检验应由经批准的合 格人员进行。定期检验前,检查其标志,经过撞车后 的气瓶应重新检查,受火烧影响的气瓶应重新检 查。 以上服役条件,是各国使用经验的归纳。宜将 其作为设计和正确使用的基础。 7车用CNG瓶的检验和试验 检验和试验有生产检验和型式试验,它们是对 车用CNG瓶安全性的确认。生产检验分批量检验与 逐个检验。 1型、2型、3型、4型的上述检验和试验项目有些 区别。 1)设计认可试验(或型式试验) ] o常温疲劳试验:o环境试验:o极端温度疲 劳试验;o水压爆破试验;o复合材料预制裂纹试 验;o跌落试验;O火烧试验;o加速应力断裂试 验;o枪击试验;o渗透试验;o天然气压力循环试 验; ̄LBB(未破先漏)试验。 21批量试验 。批量材料试验;o复盖层试验;o爆破试验; o疲劳试验。 31生产检验和试验 。形状尺寸检验;o裂纹检验;o金属气瓶,金 发展的保障; 2)准确的服役条件,是车用CNG瓶设计和使用 的基础: 3)新设计、新材料、新结构的充分试验是当前中 国CNG瓶发展关键: 4)型式试验、生产检验和批量试验以及定期检 验是车用CNG瓶安全性的必要确认。 参考文献 1 北京市清洁汽车重点推广应用城市.北京市清洁汽车 协调领导小组课题总报告.2004. 2 Craig Webster:The development of ISO 1 1439 for corn- pressed natural gas vehicle cylinders,ISO Bulletin, 2001.2:15 ̄19 3 ANSUCSA NGV-2 Basic requirements for compressed natu— rla gas vehicle(NGV)fuel containers 4辛忠仁.等.压缩天然气钢瓶爆炸事故分析.中国锅炉压力 容器安全,1998。14(4);26 ̄29 5 N,L,Newhouse& D B、Tiller:Development of all-composite NGV fuel containers,1998. 6 ISO 1 1439—20oO Gas cylinders-High pressure cylinders for the on-board storage of natural gas as a fuel for automotive vehicles 7 ISO,I℃58/SC3 Gl7:High pressure cylinders for the on— board storage of natural gas fuel for automotive vehicles, 1995. 8复合气瓶中美交流会资料,2000. 9秋长錾.汽车用CNG复合材料气瓶的应力系数.中国锅炉 压力容器安全,2o02,18(5):2l一24 (收稿日期2005-12-26)