天然氣汽車氣瓶現狀及其安全可靠性

壓縮天然氣汽車氣瓶的開發(fā)現狀及其安全可靠性作者：凱克咨訊一、概述

隨著世界經濟的發(fā)展，全世界的汽車產量和汽車保有量都在不斷增加；目前全世界的汽車產量已超過5000萬輛，汽車保有量已達7億輛，汽車運行消耗石油量占全世界石油產量的一半以上；依據國外1994年的研究報告及世界上石油的蘊藏資源和消耗量的預測，全世界的石油資源僅能夠供人類使用約50年；即到21世紀中葉，汽車以石油作燃料的時代將會結束。

隨著我國經濟的快速發(fā)展，我國的汽車產量和保有量也在迅速增加；1995年我國汽車保有量為1100萬輛，1998年達到1300萬輛，到2000年我國汽車保有量將達2000萬輛；屆時我國的石油消耗量的1/4—1/3需國外進口；到2010年，當我國的汽車保有量達到4400—5000萬輛時，我國的石油資源短缺會更加嚴重。我國現已探明的石油資源僅能夠開采30年，因此石油資源的短缺會制約我國汽車工業(yè)和經濟的發(fā)展。

可以看出：尋找替代能源，開發(fā)和發(fā)展替代石油的氣體燃料汽車對全世界尤其是對我國都是關系到社會經濟，尤其是支柱產業(yè)—汽車工業(yè)發(fā)展的重大戰(zhàn)略問題。

我國的天然氣資源十分豐富，四川、重慶、新疆、陜北、大港及近海油囚都有豐富的天然氣資源。僅以重慶為例，2000年規(guī)劃和累計探明儲量為4787億m2，現年開采能力為50億m2，豐富的天然氣資源為研制推廣天然氣汽車提供了極好的前提條件。

汽車保有量增多的另一嚴重問題是排放帶來的大氣環(huán)境污染。以石油為燃料的汽車排放的污染物達140多種，占大氣環(huán)境污染的60%一70%；燃油汽車排出的一氧化碳可使人缺氧中毒，乃至窒息死亡；碳氫化合物對人體有麻醉作用，同時與氮氧化物發(fā)生化學反應，導致化學煙霧污染；氮氧化物對人體呼吸系統(tǒng)具有強烈的刺激作用，侵害肺部，使生命陷入危險狀態(tài)；同時汽車排出的碳氫化合物、一氧化碳還危及人類生存的地球上空的臭氧層；燃油汽車的排放污染已成為世界上的主要公害之一；是造成酸雨，光化學反應，臭氧層破壞，溫室效應以及使人類致癌、心血管、神經性等疾病的嚴重污染源。

1998年世界衛(wèi)生組織公布的全世界污染最嚴重的10個城市中，中國的北京、蘭州、重慶等都在其中，并且蘭州處污染之冠。其中北京市的汽車排放對大氣污染物CO、HC、NOx的分擔率分別為80．3%、79．1%、54．8%，重慶市汽車排放對大氣的污染物CO、HC、Nox的分擔率為79．5%、34%、44%，廣州、天津、南京等城市的大氣污染情況也基本相同。全國640座大中城市大氣質量符合國家一級標準的不到1%，所以發(fā)展低污染的燃氣汽車，是保護生態(tài)環(huán)境，改善我國城市大氣質量和人們生活條件的迫切需要。也是實現可持續(xù)發(fā)展的必然。

天然氣、液化氣等氣體燃料，不僅資源豐富，價格僅為汽柴油的50%一60%；更主要是天然氣是一種清潔燃料，其排放污染物比汽油、柴油等石油燃料低得多；與燃油車相比，其排放污染物中CO2可降低24．0%，CO可降低90%一97%，NOx可降低30%一40%，HC可降低70%一80%，SO可降低70%一80%，SO2可降低99．9%，微粒排放可減少40%；無Pb及鉛化物的微粒污染。

此外，采用天然氣作燃料的汽車，還可以減少發(fā)動機積碳和磨損，延長發(fā)動機使用壽命，減少發(fā)動機的機油消耗，降低發(fā)動機的維修費用；天然氣的密度是空氣的0．58—0．62，一旦發(fā)生泄漏，在空氣中擴散較快；天然氣的燃點和爆炸極限比燃油高，點火能量亦高于汽油，這些因素使燃氣汽車比燃油汽車更加安全。

人類對能源的選擇主要取決于成本、儲量和環(huán)境保護三個方面；天然氣儲量豐富，燃氣汽車具有安全、經濟、減少污染等一系列優(yōu)點；所以發(fā)展燃氣汽車是提高我國公路運輸效率，促進國民經濟可持續(xù)發(fā)展，促進形成一系列新的產業(yè)的一項綜合工業(yè)；這正是世界各國競相發(fā)展天然氣汽車(NGV)的原因所在。

二、燃氣汽車的國內外發(fā)展簡況

目前，世界各國都十分重視壓縮天然氣(CNG)作為汽車新能源的研究、開發(fā)和應用。美國UPS(聯合物資運輸服務公司)于1987年開始研制CNG作代用燃料的汽車，初步實驗結果表明：天然氣作為汽車燃料是一種燃燒干凈、價格便宜而又使用安全的氣體。同時UPS公司認為，CNG用作汽車燃料可產生重大經濟效益，目前該公司已改裝CNG汽車將近1萬輛。美國現已有500多個加氣站，有近500萬輛汽車使用CNG作燃料，1994年在美國的運輸系統(tǒng)中，CNG的消耗量占總能源的消耗量的0．2%，但預期到2000年其CNG的使用量將比現在增加71倍；1994年，其CNG氣瓶的市場銷售額為：鋼質氣瓶為5千萬美元，復合材料氣瓶為7千萬美元；1997年復合材料氣瓶銷售額已上升到2億美元。美國為了鼓勵天然氣汽車的發(fā)展，從1990年開始各州相繼制定了一系列政策法規(guī)，并出臺一些優(yōu)惠政策，促進燃氣汽車的發(fā)展，目前美國已有加氣站近600座，正在運行的CNG汽車超過15萬輛。

為解決城市環(huán)境污染和石油替代能源問題，日本正大力發(fā)展天然氣汽車；從60年代初，日本豐田等公司就開始研究燃氣汽車。90年代初，其技術日漸成熟，迄今己生產CNG和LPG汽車近萬輛。近5年來，以日本燃氣協(xié)會為中心全力推進天然氣汽車的研究和開發(fā)；1992年日本通產省資源能源廳又制定了作為環(huán)境對策的普通天然氣汽車的基礎建設計劃(生態(tài)站2000計劃)，計劃到2000年，建立加氣站2000個，普及天然氣汽車2萬輛。

俄羅斯是研究和應用天然氣汽車的較早的國家之一，不論是供氣裝置的研究成果，還是鋼內襯環(huán)向復合材料增強的氣瓶開發(fā)，都有獨到之處。基礎部件的研究成果和豐富的天然氣資源極大地促進了俄羅斯燃氣汽車的發(fā)展，目前在俄羅斯有800多個加氣站，運行的燃氣汽車己近40萬輛

石油資源十分貧缺而天然氣十分豐富的意大利，從本世紀30年代就開始研究發(fā)展燃氣汽車；目前不僅形成了生產出口燃氣供給系統(tǒng)的著名的Lavato公司；同時有280個加氣站，25萬多輛燃氣汽車在運行。和意大利情況類似即貧油富氣的新西蘭、阿限廷等國的燃氣汽車發(fā)展也較快，目前新西蘭已建成380多個加氣站，15萬輛燃氣汽車在運行；阿根廷已建成260個加氣站，1．5萬輛燃氣汽車在運行；加拿大已建成180個加氣站，3萬多輛燃氣汽車在運行。

中國同樣是貧油富氣，因此我國政府十分重視燃氣汽車的發(fā)展，國家科技部已召開過兩次清潔燃料汽車研討會和展覽會；1999年4月又召開了清潔燃料汽車行動會，會上進一步強調：無論是從改善空氣質量的需要，還是從能源的合理利用上，大力推廣燃氣汽車都具有十分重要的意義。并強調苔先在占城市汽車保有量約10%，卻占城市汽車總運行里程40%一50%的公共汽車和出租汽車行業(yè)，大力推廣燃氣汽車，以期取得一定的環(huán)保效果。并進一步開發(fā)新標準的燃氣汽車產品，充實公交和出租汽車行業(yè)，充分發(fā)揮其環(huán)保效益。目前已確定全國12個燃氣汽車的試點城市，現已有近100個加氣站，6000多輛燃氣汽車在運行。到2000年，燃氣汽車會有長足的進步和發(fā)展。

發(fā)展燃氣汽車的重要和關鍵零部件之一是加氣站的高壓氣瓶和燃氣汽車用的壓縮天然氣(CNG)氣瓶，氣瓶的性能和質量高低不僅會影響到燃氣汽車的發(fā)展，而且直接影響到燃氣汽車的使用安全，必須做到萬無一失。

三、壓縮天然氣汽車（CNGV）氣瓶的研究和發(fā)展概況

國外對CNGV鋼瓶的研制工作起步較早；無縫鋼質氣瓶的生產始于1897年美國的CPI公司；這種元縫鋼質氣瓶不僅用于CNG汽車的加氣站和載貨車上，作為氣體燃料容器，鋼質容器的制造工藝和性能也日漸完善，規(guī)格尺寸也較齊備。容積從10L到400L的各種規(guī)格的氣瓶都在生產，以適合于各種用途的需要，大規(guī)格的氣瓶多用于站用瓶，使用壓力為25MPa，超大規(guī)格氣瓶多用于流動加氣站上的安裝氣瓶。最近幾年來，對鋼質無縫氣瓶的研究主要集中在熱處理工藝上，包括加熱方法、加熱爐、淬火入液方式和淬火介質的選擇，以及為增加氣瓶工作的可靠性而采用的附加強化方法等。德國、日本、意大利等均有類似的鋼瓶生產公司；這類鋼質瓶，當其工作壓力為20MPa，水容積為50L時，其瓶子的重量為58—62kg。鋼質氣瓶具有價格便宜、工作可靠、疲勞壽命高、密封性好等特點，目前仍得到了廣泛應用；而重量大、耐蝕性不足是鋼質瓶的缺點；這一不足影響了鋼質氣瓶在橋主和輕型客車上的應用。

為了提高氣瓶的容重比，減輕同樣容積下氣瓶的重量，國內外進行了不同內襯的復合材料氣瓶的研究。這類氣瓶綜合了復合材料的高比強度、可設計性以及內襯的良好氣密性、優(yōu)良的耐蝕性等諸多優(yōu)點，使其達到高承壓能力、高疲勞壽命、質輕、耐腐等優(yōu)良性能的完美結合，這也使得對復合材料CNG氣瓶的研制開發(fā)成為國內外的一大熱點。

在同樣容積和壓力下，依其內襯的種類和外層復合材料的選材不同，復合材料CNG氣瓶比鋼質氣瓶的重量可減輕1/3—2/3；二者相比較，顯然復合材料CNG氣瓶在汽車運行節(jié)能上更具有優(yōu)勢；同時復合材料在受到撞擊或高速沖擊發(fā)生破壞時，不會產生具有危險性的碎片，從而降低或避免了對人員和車輛的損害。近年來，隨著復合材料正材料成本的降低，成型工藝的不斷改進，使得復合材料CNG氣瓶在國內外倍受青睞，尤其在轎車和輕型車上的應用極具競爭力。

在復合材料CNG氣瓶的研制和開發(fā)方面，美國的SCI公司、I*incoln公司和HydrosPin公司走在世界的前列，他們已開發(fā)出10余種不同規(guī)格的復合材料氣瓶。Lincoln公司的全塑復合材料氣瓶(內襯采用高密度聚乙烯)是世界一流的；在這類氣瓶上Linclon公司采用了名為TUFFSHELL系統(tǒng)的專利技術，這一系統(tǒng)能吸收氣瓶拱部(或稱弧形肩部位)的震動與沖擊，該系統(tǒng)是采用了能抗損傷的玻纖和可吸收沖擊能的聚氨酯塑料組合制成，使氣瓶有可能適用于各種更惡劣的使用條件。但是由于性能和價格等方面的原因，國外金屬內襯復合材料CNGV氣瓶的生產和銷售量遠大于全塑復合材料CNGV氣汽。

中國汽車工業(yè)總公司重慶汽車研究所對CNGV鋼瓶的熱處理工藝、力學性能、斷裂韌性、內外表面的強化方法及其它影響鋼質氣瓶的因素進行了系統(tǒng)研究，取得了一些有意義的、有應用價值的成果。同時對鋼質內襯環(huán)向復合材料增強的氣瓶進行了系統(tǒng)的研究，對氣瓶設計、結構和受力情況進行了有限元分析；對氣瓶進行優(yōu)化設計，對氣瓶的制造工藝進行了全面分析，提出了優(yōu)化制造工藝；對鋼內襯和復合材料層在疲勞試驗中的模量匹配問題進行了深入研究，綜合考慮了表面的壓應力、疲勞應力、鋼和玻纖的彈性模量及其在疲勞中的應變量和變形匹配，提出和完善復合材料層的張力纏繞工藝。

國家建材局北京玻璃鋼研究設計院曾開展了無焊縫鋁合金內襯復合材料CNG氣瓶的研制工作。對鋁合金內襯的選材、成型方法及復合材料的選材、性能及成型工藝等做了大量的試驗工作，取得了初步的進展，并獲得了勞動部職業(yè)安全衛(wèi)生與鍋爐壓力容器監(jiān)察局頒發(fā)的壓力容器試制許可證。鋁合金內襯復合材料CNG氣瓶采用旋壓力工藝成形的鋁合金內襯，外部纏繞復合材料增強層；鋁合金內襯采用變壁厚設計、結構更加合理；并可有效減少應力腐蝕和氫損傷，提高氣瓶的疲勞壽命。鋁內襯與外層輕質高強的復合材料層相結合的輕質氣瓶和同種規(guī)格的鋼瓶相比重量減少40%一50%，生產這類氣瓶的技術關鍵包括：鋁合金內襯的成形工藝、熱處理工藝及強化工藝方法與參量；鋁合金內襯結構的優(yōu)化設計，張力纏繞工藝及其與內襯的變形匹配等。

西安向陽氣瓶公司正在從事全塑復合材料CNG氣瓶的研制與開發(fā)，其內襯材料選用高密度聚乙烯(HDPE)。該公司已進行了較多的前期工作，目前試制的全塑復合材料氣瓶的壽命已達7500次，但氣密性尚需改進；對全塑復合材料氣瓶的研制中的下列問題尚需進一步探討。首先是金屬瓶口的材料和設計形狀，；其次是瓶口與非金屬內襯的結合及氣密可靠性；第三是低溫下內襯與復合材料的剝離、老化等；第四是非金屬內襯要求所選用的樹脂體系只能是中、低溫固化體系，而這類樹脂體系將不利于材料性能的發(fā)揮，導致水爆壓力和疲勞壽命的穩(wěn)定性較差。雖然上述問題已由美國Lincoln公司解決，但這類氣瓶價格偏高仍然是制約其大量應用的重要因素。

從上述可看出，金屬內襯復合材料CNGV氣瓶和塑料內襯復合材料CNGV氣瓶相比，雖然各有千秋，但由于前者金屬的內襯具有承載能力和良好密封性，故其外部增強材料有較大的選擇余地，因此金屬內襯復合材料CNGV氣瓶與全塑復合材料氣瓶相比無論從成型工藝還是從價格上部具有非常明顯的優(yōu)勢。結合我國現有技術水平，研制、開發(fā)、生產金屬內襯復合材料CNGV氣瓶是更可靠、更現實的一個技術路線，也是中汽總公司重慶汽車研究所有關技術人員致力于開發(fā)這一產品的原因所在。

四、CNGV氣瓶的重要標準體系

標準是規(guī)范一個產品的性能、檢測、生產和推廣應用的重要依據，也是該產品成熟的表現。關于CNGV氣瓶的重要標準有：ANSI/AGA，NGV2—1，NGV2—2，NGV2—3，NGV2—45這些標準是美國國家標準局認定和批準的標準。1997年年底進行了進一步修訂和完善。

FMVSS304是美國運輸部、國家高速公路運輸管理局制定的法規(guī)(DOTNHTSA)，這一法規(guī)與NGV2基本一致，但檢驗項次遠少于NGV2。在1997年NGV2重新修訂后，FMVSS304也進行了修正和擴展，使其與NGV2相一致。

CSAB51-95于1995年元月批準實施，該標準原系加拿大國家標準，后由加拿大的地方當局用于認證NGV燃料容器。

由日本氣體協(xié)會于1998年公布的“汽車用壓縮天然氣容器公告(JGA)”是一個關于汽車用壓縮天然氣容器設計、制造檢驗、認證和使用的十分全面而詳細的標準。

ISO/DIS11439國際標準“儲存汽車天然氣燃料的高壓氣瓶”于1997年6月通過并向世界公布，該標準是國際天然氣汽車協(xié)會在ISO/SC3/WGl7的標準基礎上發(fā)展完善的。

ISO/DIS11439、NGV2、B51等標準起草委員會已經協(xié)調了各標準之間的關系，尤其是試驗方法和材料要求，以便各標準之間的要求和檢驗結果能夠相互通用。

韓國所執(zhí)行的標準與NGV2一致。此外，俄羅斯、德國(DIN571304)、新西蘭(NIS5454—1989)也制定了汽車用壓縮天然氣儲藏容器的標準。

在上述有關標準中，所規(guī)定的CNGV的氣瓶使用條件、質量保證條件、材料、材料試驗、批量生產試驗、產品設計認證試驗是保證氣瓶安全使用的必要的條件。

五、對CNGV氣瓶的主要性能要求

5．1CNGV氣瓶的設計要求(略)

5．2氣瓶的開口(略)

5．3對氣瓶材料的要求(略)

5．4CNGV氣瓶的種類、工藝和比較(略)

5．5CNGV氣瓶的使用條件

CNGV氣瓶的使用條件在CNGV容器的標準中都有明確規(guī)定。作為容器設計、試驗和容器安全使用的基礎，在標準中規(guī)定CNGV的氣瓶使用壽命不超過20年；CNGV氣瓶的工作壓力：作為車用氣瓶為20MPa，站用瓶為25MPa。設計安全系數為2．25—3．0。其設計的使用溫度為15℃。由于環(huán)境溫度的變化，當溫度升高時，允許其工作壓力達到125%；氣體壓力循環(huán)的最大數目為750—1000次/年。汽車運行時的外部環(huán)境溫度可在一40℃～十82℃之間變化，容器內所包含的氣體溫度不超過57℃。

按NGV2的要求，壓縮天然氣的雜質和其它有害氣體含量的規(guī)定為：

H2S和硫化物的分壓最大為344．5Pa，或者H2S的含量小于20Ppm，不合有甲醇；水蒸氣含量為：在車輛工作的特定的地理位置，壓縮天然氣的氣體壓力下，燃料罐內元水蒸氣冷凝發(fā)生。水的露點隨壓力的升高而升高；例如當水含量為0．112g/m3(0℃，101．3kPa)，相當于常壓下的水露點為一42．78C；如果將其壓縮到25．0MPa時，水的露點升高到18．8℃；而在25．0MPa的壓力下，甲烷的水合物生成溫度為18．8℃。美國消防協(xié)會規(guī)定，在站用瓶的儲氣條件下，水蒸氣含量為16mg/m3(15℃，15MPa)，并規(guī)定CO2的分壓為0．048MPa。以免和水生成酸性物，導致儲氣瓶腐蝕。O!的最大含量為0．5%(體積分數)；CO2的增高會降低CNG的發(fā)熱值。同時當有水分存在時，還會使鋼瓶產生腐蝕。

硫化氫溶解于水中形成酸溶液，對金屬發(fā)生腐蝕，尤其是在水存在的條件下，即使很少量的硫化氫都可能對鋼造成硫化氫致脆裂紋(SSC)。而且在通常情況下，高壓氣體鋼瓶底部積存一定數量水是完全可能的。硫化氫致脆(SSC)實際上是氫脆反應的一種結果，腐蝕反應提供了氫原子，SSC是硫化氫引起氫脆反應的一種表現。

為避免SSC發(fā)生，美國腐蝕工程師協(xié)會規(guī)定：在24．8MPa的氣體中，硫化氫的分壓應低于0．3kPa，相當于40Ppm，我國則規(guī)定H2S含量小于20pPm，或≤20mg/cm3(20℃，101．3kPa狀態(tài)下)，而美國消防協(xié)會則規(guī)定在儲氣瓶內條件下，H2S和可溶性硫化物的分壓≤0．00035MPa。

作為燃氣汽車用的壓縮天然氣的氣質對可凝結烴、惰性氣體、水銀、氫氣等均有一定要求，以確保安全使用，并且這些氣體中的雜質含量也急待一步規(guī)范和制定標準。

CNGV氣瓶應當每3年檢測1次，如果氣瓶被重新安裝，且處在腐蝕環(huán)境，或被火燒過，則氣瓶必須經重新檢測后才可使用。

5．6CNGV氣瓶的資質認證試驗

CNGV氣瓶的資質認證試驗用于證明氣瓶的設計在其使用壽命范圍內是否是安全的。對于每個新設計的氣瓶要求進行內容廣泛的試驗過程和試驗項目；但是為了修正已有的氣瓶設計，則可采用簡化的試驗運行。資質認證試驗的具體試驗項目如下：

1)水爆試驗：該項試驗主要用于驗證各類容器的設計是否基本正確，對于鋼質氣瓶，試驗其安全系數的大小是否與設計的一致；對于纖維復合材料增強的各類氣瓶，還將驗證其增強復合材料的應力比。

2)室溫循環(huán)試驗：該項試驗主要用于證實CNGV容器或內襯滿足其使用壽命要求而不發(fā)生泄漏，同時也為了證實氣瓶是否具有安全破壞的特征，即在破裂前發(fā)生泄漏(leak—before—rupture)。

3)環(huán)境循環(huán)試驗：該項試驗主要用于檢驗CNGV容器或內襯是否可以承受在使用條件下可能遇到的各種流體如酸、堿等溶液的侵害；酸性溶液對玻璃纖維和芳綸纖維增強的復合材料性能具有明顯的影響，其它液體也會侵蝕增強纖維和樹脂基體；壓力循環(huán)將會促進基體樹脂的裂紋張開：從而有助于流體溶入復合材料層內。在環(huán)境循環(huán)試驗中，還使氣瓶承受一系列的模擬砂子沖擊的低能沖擊，以檢驗在流體中暴露之前氣瓶保護涂層的耐久性。

4)火燒試驗：該項試驗主要用于證實燃料容器系統(tǒng)包括氣瓶、壓力釋放裝置在經受火燒或極限溫度時，燃料容器內的氣體會泄放；壓力釋放裝置在壓力、溫度或壓力與溫度的綜合作用下會發(fā)生作用，也就是說不管氣瓶是在完全充氣還是部分充氣，燃料容器系統(tǒng)在火中都必須是安全的。

5)裂紋容限試驗：這一試驗主要用于模擬刀割、刨削等使用中可能出現的損傷或缺陷，證明容器不會因存在適當的損傷而發(fā)生泄漏或破裂。

6)墜落試驗：墜落試驗用于模擬燃料容器在安裝使用之前的搬運、裝卸中可能引入的損傷或缺陷。并通過試驗證實：這些損傷和缺陷，在容器的使用壽命中不會發(fā)生泄漏和破裂。墜落時容器可呈水平、垂直和45°方向落下。

7)穿透試驗：正如眾所周知的槍擊試驗那樣，本試驗在于證實，即使一個高能的沖擊物使氣瓶簡體復合材料增強體穿透，燃料容器也不會發(fā)生碎狀破裂。

8)滲透試驗：本試驗主要用于檢驗以非金屬內襯或焊接非金屬內襯所制成的全塑復合材料燃料容器不允許存在有超出標準規(guī)定所限制的天然氣滲漏損失。

9)天然氣循環(huán)試驗：本試驗主要用于證實由于天然氣氣流所產生的靜電或者由于天然氣的迅速壓縮和膨脹所引起的溫度瞬變，不會引起氣瓶的損傷。

10)加速應力破裂試驗：本試驗主要用于證實氣瓶的增強纖維和樹脂體系可以持續(xù)暴露在高溫高壓下而無衰變。

11)關于斷裂性能的要求，及非破壞檢驗方法進行確定缺陷大小的有關試驗：其目的在于尋找在金屬容器和內襯中的裂紋、缺陷，包括疲勞敏感位置的鑒別，在破裂前的泄漏性能(1eak—beforc－break：LBB)和臨界裂縫的大小(criticalflawsizes)。

Lincoln公司的經驗表明：完成上述設計認證試驗和產品實物檢驗，有650多個氣瓶承受上述各種檢驗；可見完成一個新的CNGV燃料容器的設計認證的復雜、嚴肅與認真。并以此來確保燃料容器在CNGV上使用的安全性。

5．7全塑復臺材料容器的性能試驗結果(略)

5．8CNGV復合材料高壓氣瓶的應用實踐

作為壓縮天然氣汽車的燃料容器，其鋼質氣瓶的應用始于60年代末，迄今為止已有近40年的應用歷史和150多萬只的應用量：多年的應用實踐和廣泛的應用量證明：只要鋼瓶生產符合給定標準且質量保證體系完善，鋼瓶的使用性能是可靠的。

鋼內襯環(huán)向增強復合材料氣瓶的應用始于80年代初；迄今為止，其應用量已超過10萬只；而金屬內襯全纏繞氣瓶和塑料內襯全纏繞氣瓶的應用于則始于90年代初，迄今的應用量近5萬只，其中Lincoln公司的復合材料氣瓶用量超過1．3萬只，用戶超過150個，目前已經得到15個國家完全認證或有條件認證和許可，這些國家包括加拿大、埃及、德國、日本、韓國、馬來西亞、墨西哥、荷蘭、比利時、新西蘭、南非、瑞典、英國和美國。

Linc01n公司的全塑復合材料氣瓶主要有兩個方面的應用；首先是應用于各類雙燃料汽車，其次是應用于中學生公共汽車、運輸客車、機場和市區(qū)的交通車。在美國已有1/4—1/2的公共汽車用CNG作燃料。全塑復合材料氣瓶由于重量輕、使用安全而受到青睞。這類氣瓶也應用于輕型貨車和中型運輸車。

采用Linc01n公司的復合材料容器的制造廠包括：NeWFlyer，Metrotrans，Eidofado，NorthropGrum—man，Champion和NoricanTransit。在這些公共汽車上氣瓶的安裝方式包括車頂和車底安裝的兩種形式。

應用復合材料氣瓶時，正確的安裝方法非常重要，否則可能會導致災難性的事故。例如：如果安裝方法不當，不僅會導致容器與載貨車分離，也可能使天然氣釋放到封閉區(qū)內，同時也會由于汽車上其它構件的干擾而在沖撞時發(fā)生不必要的危險。

正確的安裝不僅是采用的方法正確，而且正確設計氣瓶的安裝支架和準確計算支架的承載要求亦十分重要。氣瓶的安裝支架應該依據氣瓶制造者提出的要求和提供的指南及應用標準如：NFPAS2和CGAB149．4在載貨車和公共汽車上進行安裝和裝配。

正確地選用瓶閥和PRD(壓力釋放裝置)以及O型環(huán)是保證容器安全使用的另一重要方面。PRD的泄漏線應該由容器制造者標定，并符合NFPAS2和CGAB149．4標準中的規(guī)定。水的存在可能加速容器的腐蝕。冷凍可能引起PRD失效和氣體泄漏。

氣瓶應盡可能安裝在汽車上相對安全的區(qū)域，如公共汽車頂部，汽車的本體上；也可安放在公共汽車或汽車的下層或底部；即安裝的位置應使氣瓶、支架、導管和其它有關構件，其處在載貨車、汽車發(fā)生撞擊時和道路砂石沖擊所產生的危害最小的地方。顯然公共汽車頂部較為合理。安裝在汽車底部時，道路碎石和泥沙等危害較大，就應采用屏蔽設計。顯然正確的安裝也是保證氣瓶安全使用的重要方面。

綜上所述，全塑料復合材料氣瓶已經過廣泛的設計和資質認證試驗；現場的使用試驗結果也已證實；這種容器設計可以在汽車運行的環(huán)境和條件下安全地工作。全塑料復合材料氣瓶是安全的、耐疲勞的，其重量輕和價格之間是相匹配的；目前，這類氣瓶己得到世界上廣泛的承認和接受，在許多領域內市場正在迅速增加，特別是在各類公共汽車上的應用，分外受到人們的重視和歡迎。

六、CNGV氣瓶的失效與預防

產品喪失其規(guī)定功能的現象稱為失效，通常機械產品的失效可以歸納為3種情況：完全不能工作者；性能惡化，超過規(guī)定的失效判據者；失去安全工作能力者。CNGV氣瓶是一種特殊的機械產品——高壓容器；而它又比普通高壓容器有更為惡劣的工況和條件，同時這種高壓容器安放在運動車輛(多為城市中的公共汽車、乘用車)上，因此對氣瓶的可靠性提出了更高的要求，或者說在氣瓶服役期限內，不允許發(fā)生失去安全工作能力的失效。

氣瓶的失效模式有多種；常見的為：

間斷漏氣(intermittentleak)－－與氣瓶反復充、放氣相關的壓力循環(huán)使疲勞裂紋長大通過氣瓶側壁。只有當氣瓶充到最大壓力時，裂紋受張力張開，裂紋才發(fā)生漏氣。由于疲勞裂紋長大通過鋼質氣瓶所產生的漏氣就是例子。

連續(xù)漏氣(continuousleEtk)－－一種貫穿氣瓶壁的裂紋產生了一種連續(xù)的針孔漏氣，這種失效模式造成的壓力損失速率非常緩慢。依據透入臺量的大小，在一個封閉區(qū)域內的天然氣氣量的積聚就會比較明顯。塑料內襯氣瓶的塑料內襯的熔焊漏隙或針孔就是這類失效模式的例子。

斷裂開口(fracture)—比連續(xù)泄漏縫隙張開口的裂口更大，以致于壓力降比較快，亦比較明顯。在封閉區(qū)內燃氣積聚也迅速出現，在全金屬氣瓶口一個大的疲勞裂紋穿透側壁長大就是例子。

破裂開口(rupture)——失效的氣瓶仍是一個整體，但是由于高速逸出的氣體推動外部粒子會使氣瓶等構件出現物理損傷，當粒子碎片撞擊到外部金屬零件上可能會引起著火。1994年一輛通用汽車公司載貨車土氣瓶失效就是環(huán)境誘發(fā)開裂的例子。

碎片狀破裂(fragmentationrupture)——氣瓶破裂成碎片，并且由于飛起的金屬片的撞擊發(fā)生火災。1993年在美國發(fā)生的機械損傷誘發(fā)氣瓶失效就是這種失效的例子。

從失效模式可以看出：幾乎所有的CNGV氣瓶都是由于發(fā)生漏氣(leak)或破裂(rupture)而失效的。

除了暴露在嚴重的著火條件中氣瓶發(fā)生失效外，所有在使用中失效的CNGV氣瓶幾乎全都是在充氣中或剛剛充氣完成之后出現的。此時氣瓶內的壓力處于最大值；自1976年以來，已先后有20多起氣瓶發(fā)生破裂，20多起氣瓶泄漏事件發(fā)生；全金屬氣瓶，由于引入有效完善的標準體系，在制造中采用的非破壞和質量控制，以及合理的壓力釋放裝置(PRD)的應用，其鋼瓶在國外的失效幾率已大大地下降，但在國內，由于熱處理質量、旋壓收口質量以及天然氣中的硫及硫化氫含量偏高原因，其鋼瓶的失效幾率仍遠較國外為高。近年來，國內對氣瓶性能、材料與熱處理工藝研究所取得的進展和成果，己將鋼瓶的內在質量提高到一個新的水平，鋼瓶的可靠性已經大大提高，基本滿足了使用要求。

復合材料纏繞的氣瓶破裂，主要是由于外部的機械損傷引起；這可以通過正確的選材，復合材料層的防護，合理的安裝方法，嚴格的工藝方法以改進塑料內襯的漏氣，以及目測檢驗而改進和避免。

全金屬CNGV氣瓶在使用中的失效有以下幾種情況：

1)由于著火使氣瓶壓力升高，加之PRD失效或安裝存在問題，引起氣瓶發(fā)生4片破裂。

2)由于熱處理質量差，加之疲勞、應力腐蝕、和/或氫脆而使氣瓶出現碎片狀破裂。

3)氣瓶表面預先存在有裂縫或分層，在使用中反復充、放氣產生疲勞，使裂縫疲勞擴展穿透氣瓶側壁而使氣瓶產生破裂。

上述問題通過氣瓶生產廠的嚴格的質量管理體系，對每個生產的氣瓶都進行硬度、超聲和水壓試驗，并在使用的每個氣瓶上配裝PRD等安全措施而得以避免。

金屬內襯復合材料纏繞的氣瓶在使用中的失效有以下幾種情況：

1)鋁內襯環(huán)向纏繞的復合材料氣瓶，由于預先存在玻纖復合材料層的嚴重的機械損傷，致使金屬內襯得不到復合材料層的支撐，加之氣瓶過壓而導致氣瓶碎片狀破裂。外逸的天然氣并不會著火，但破碎片之間的沖擊，可能會引起天然氣或汽油著火。

2)環(huán)向復合材料增強的鋁內襯氣瓶，其復合材料部分己嚴重破壞，且氣瓶在慢速充氣中產生過壓，使氣瓶發(fā)生破裂。

3)復合材料層由于環(huán)境因素發(fā)生損傷，使復合材料層失去承壓能力，而導致玻纖全纏繞的氣瓶發(fā)生破裂。不正確的安裝會產生玻纖層的機械誘發(fā)損傷，環(huán)境因素會引起應力腐蝕斷裂，尤其是環(huán)向增強的復合材料層，一旦發(fā)生損傷，其氣瓶承壓能力將明顯下降，而在充壓時發(fā)生破裂。正確的安裝和合理的防護涂層，可以避免或減少這類失效。

復合材料全纏繞的塑料內襯氣瓶的失效情況主要是漏氣，造成這類氣瓶漏氣的原因是：

1)塑料內襯中預先存在裂縫，這種裂縫可能產生于塑料內襯的熔焊工藝不當，也可能產生于塑料內襯和端部金屬瓶口的組合工藝不良。當在較低的環(huán)境溫度下，快速充氣之后，氣瓶產生瞬間負壓，導致塑料內襯起皺和開裂。

2)塑料內襯全纏繞碳纖的氣瓶，在運輸、安裝、使用中出現的沖擊損傷，也可能會導致氣瓶充壓時發(fā)生破裂。因此，合理地選擇氣瓶的制造材料，采用優(yōu)良的結構設計，正確地制定和執(zhí)行標準，實行嚴格的質量管理和工藝過程以及質量認證試驗，認真執(zhí)行運輸、安裝、使用要求是預防氣瓶失效的重要措施和保證。

七、氣瓶安全分類

所有各類氣瓶的設計，都考慮了在使用條件下的氣瓶的使用安全和符合NGV的最新氣瓶標準；然而，在一些例外情況下，如火燒、碰撞以及嚴重的安裝使用不當，某些氣瓶設計可能會表現出更為優(yōu)良的性能?？偨Y了各種NGV使用條件下，各類氣瓶可能出現的相對危險和失效模式，其相對危險性的評價是基于失效歷史，所觀察到的某些材料在使用中的衰減，以及在缺乏嚴格的NGV標準所規(guī)定的使用條件下可能出現的一些現象和問題等方面所作出的。例如：“中等”危險是指金屬氣瓶和金屬內襯在制造中沒有正確進行非破壞檢驗而在使用中要承受疲勞應力、發(fā)生開裂，這種情況：對于類型1的全鋁合金內襯所產生的后果可能是“連續(xù)的泄漏氣”或斷裂(fracture)；而對于類型3的全纏繞設計的氣瓶，內襯的開裂將可能發(fā)生“間斷漏氣”，并且由于全纏繞復合材料所采用的張力纏繞工藝而改變了氣瓶實際承壓的尺度；類型4的塑料內襯氣瓶只可能出現疲勞開裂，因為這一設計對塑料內襯的疲勞開裂有阻礙作用，因此這只是一種“低的危險”類型。

相對危險的信息指出了各種普通氣瓶的固有的強度和不足，沒有一種氣瓶是元危險的。對于相對危險較高的氣瓶，例如：在類型4的氣瓶設計中在氣瓶的肩部采用了吸能材料，這種特殊設計可以降低搬運和載貨車撞擊時的沖擊部位的設計危險因子。此外，載貨車的OEM可以找出某些危險區(qū)域，通過工程設計使氣瓶承受沖擊的危險減至最小(例如：通過利用載貨車車架和遮敝系統(tǒng)等)。

關于相對危險的這些數據并不完全表明氣瓶是安全或者不安全的，當使用者定制氣瓶時，除了考慮價格之外，還應考慮其相對危險的水平，并且將這些多重危險因素考慮