压缩天然气汽车气瓶的开发现状及其安全可靠性

作者：凯克咨讯

欢迎访问e展厅 展厅 9 压力容器/储运容器展厅 压力容器, 储存桶, 反应釜, 储罐, 压力罐, ... 一、概述 随着世界经济的发展，全世界的汽车产量和汽车保有量都在不断增加；目前全世界的汽车产量已超过5000万辆，汽车保有量已达7亿辆，汽车运行消耗石油量占全世界石油产量的一半以上；依据国外1994年的研究报告及世界上石油的蕴藏资源和消耗量的预测，全世界的石油资源仅能够供人类使用约50年；即到21世纪中叶，汽车以石油作燃料的时代将会结束。 随着我国经济的快速发展，我国的汽车产量和保有量也在迅速增加；1995年我国汽车保有量为1100万辆，1998年达到1300万辆，到2000年我国汽车保有量将达2000万辆；届时我国的石油消耗量的1/4—1/3需国外进口；到2010年，当我国的汽车保有量达到4400—5000万辆时，我国的石油资源短缺会更加严重。我国现已探明的石油资源仅能够开采30年，因此石油资源的短缺会制约我国汽车工业和经济的发展。 可以看出：寻找替代能源，开发和发展替代石油的气体燃料汽车对全世界尤其是对我国都是关系到社会经济，尤其是支柱产业—汽车工业发展的重大战略问题。 我国的天然气资源十分丰富，四川、重庆、新疆、陕北、大港及近海油囚都有丰富的天然气资源。仅以重庆为例，2000年规划和累计探明储量为4787亿m2，现年开采能力为50亿m2，丰富的天然气资源为研制推广天然气汽车提供了极好的前提条件。 汽车保有量增多的另一严重问题是排放带来的大气环境污染。以石油为燃料的汽车排放的污染物达140多种，占大气环境污染的60%一70%；燃油汽车排出的一氧化碳可使人缺氧中毒，乃至窒息死亡；碳氢化合物对人体有麻醉作用，同时与氮氧化物发生化学反应，导致化学烟雾污染；氮氧化物对人体呼吸系统具有强烈的刺激作用，侵害肺部，使生命陷入危险状态；同时汽车排出的碳氢化合物、一氧化碳还危及人类生存的地球上空的臭氧层；燃油汽车的排放污染已成为世界上的主要公害之一；是造成酸雨，光化学反应，臭氧层破坏，温室效应以及使人类致癌、心血管、神经性等疾病的严重污染源。 1998年世界卫生组织公布的全世界污染最严重的10个城市中，中国的北京、兰州、重庆等都在其中，并且兰州处污染之冠。其中北京市的汽车排放对大气污染物CO、HC、NOx的分担率分别为80．3%、79．1%、54．8%，重庆市汽车排放对大气的污染物CO、HC、Nox的分担率为79．5%、34%、44%，广州、天津、南京等城市的大气污染情况也基本相同。全国640座大中城市大气质量符合国家一级标准的不到1%，所以发展低污染的燃气汽车，是保护生态环境，改善我国城市大气质量和人们生活条件的迫切需要。也是实现可持续发展的必然。 天然气、液化气等气体燃料，不仅资源丰富，价格仅为汽柴油的50%一60%；更主要是天然气是一种清洁燃料，其排放污染物比汽油、柴油等石油燃料低得多；与燃油车相比，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%，微粒排放可减少40%；无Pb及铅化物的微粒污染。 此外，采用天然气作燃料的汽车，还可以减少发动机积碳和磨损，延长发动机使用寿命，减少发动机的机油消耗，降低发动机的维修费用；天然气的密度是空气的0．58—0．62，一旦发生泄漏，在空气中扩散较快；天然气的燃点和爆炸极限比燃油高，点火能量亦高于汽油，这些因素使燃气汽车比燃油汽车更加安全。 人类对能源的选择主要取决于成本、储量和环境保护三个方面；天然气储量丰富，燃气汽车具有安全、经济、减少污染等一系列优点；所以发展燃气汽车是提高我国公路运输效率，促进国民经济可持续发展，促进形成一系列新的产业的一项综合工业；这正是世界各国竞相发展天然气汽车(NGV)的原因所在。 二、燃气汽车的国内外发展简况 目前，世界各国都十分重视压缩天然气(CNG)作为汽车新能源的研究、开发和应用。美国UPS(联合物资运输服务公司)于1987年开始研制CNG作代用燃料的汽车，初步实验结果表明：天然气作为汽车燃料是一种燃烧干净、价格便宜而又使用安全的气体。同时UPS公司认为，CNG用作汽车燃料可产生重大经济效益，目前该公司已改装CNG汽车将近1万辆。美国现已有500多个加气站，有近500万辆汽车使用CNG作燃料，1994年在美国的运输系统中，CNG的消耗量占总能源的消耗量的0．2%，但预期到2000年其CNG的使用量将比现在增加71倍；1994年，其CNG气瓶的市场销售额为：钢质气瓶为5千万美元，复合材料气瓶为7千万美元；1997年复合材料气瓶销售额已上升到2亿美元。美国为了鼓励天然气汽车的发展，从1990年开始各州相继制定了一系列政策法规，并出台一些优惠政策，促进燃气汽车的发展，目前美国已有加气站近600座，正在运行的CNG汽车超过15万辆。 为解决城市环境污染和石油替代能源问题，日本正大力发展天然气汽车；从60年代初，日本丰田等公司就开始研究燃气汽车。90年代初，其技术日渐成熟，迄今己生产CNG和LPG汽车近万辆。近5年来，以日本燃气协会为中心全力推进天然气汽车的研究和开发；1992年日本通产省资源能源厅又制定了作为环境对策的普通天然气汽车的基础建设计划(生态站2000计划)，计划到2000年，建立加气站2000个，普及天然气汽车2万辆。 俄罗斯是研究和应用天然气汽车的较早的国家之一，不论是供气装置的研究成果，还是钢内衬环向复合材料增强的气瓶开发，都有独到之处。基础部件的研究成果和丰富的天然气资源极大地促进了俄罗斯燃气汽车的发展，目前在俄罗斯有800多个加气站，运行的燃气汽车己近40万辆 石油资源十分贫缺而天然气十分丰富的意大利，从本世纪30年代就开始研究发展燃气汽车；目前不仅形成了生产出口燃气供给系统的著名的Lavato公司；同时有280个加气站，25万多辆燃气汽车在运行。和意大利情况类似即贫油富气的新西兰、阿限廷等国的燃气汽车发展也较快，目前新西兰已建成380多个加气站，15万辆燃气汽车在运行；阿根廷已建成260个加气站，1．5万辆燃气汽车在运行；加拿大已建成180个加气站，3万多辆燃气汽车在运行。 中国同样是贫油富气，因此我国政府十分重视燃气汽车的发展，国家科技部已召开过两次清洁燃料汽车研讨会和展览会；1999年4月又召开了清洁燃料汽车行动会，会上进一步强调：无论是从改善空气质量的需要，还是从能源的合理利用上，大力推广燃气汽车都具有十分重要的意义。并强调苔先在占城市汽车保有量约10%，却占城市汽车总运行里程40%一50%的公共汽车和出租汽车行业，大力推广燃气汽车，以期取得一定的环保效果。并进一步开发新标准的燃气汽车产品，充实公交和出租汽车行业，充分发挥其环保效益。目前已确定全国12个燃气汽车的试点城市，现已有近100个加气站，6000多辆燃气汽车在运行。到2000年，燃气汽车会有长足的进步和发展。 发展燃气汽车的重要和关键零部件之一是加气站的高压气瓶和燃气汽车用的压缩天然气(CNG)气瓶，气瓶的性能和质量高低不仅会影响到燃气汽车的发展，而且直接影响到燃气汽车的使用安全，必须做到万无一失。 三、压缩天然气汽车（CNGV）气瓶的研究和发展概况 国外对CNGV钢瓶的研制工作起步较早；无缝钢质气瓶的生产始于1897年美国的CPI公司；这种元缝钢质气瓶不仅用于CNG汽车的加气站和载货车上，作为气体燃料容器，钢质容器的制造工艺和性能也日渐完善，规格尺寸也较齐备。容积从10L到400L的各种规格的气瓶都在生产，以适合于各种用途的需要，大规格的气瓶多用于站用瓶，使用压力为25MPa，超大规格气瓶多用于流动加气站上的安装气瓶。最近几年来，对钢质无缝气瓶的研究主要集中在热处理工艺上，包括加热方法、加热炉、淬火入液方式和淬火介质的选择，以及为增加气瓶工作的可靠性而采用的附加强化方法等。德国、日本、意大利等均有类似的钢瓶生产公司；这类钢质瓶，当其工作压力为20MPa，水容积为50L时，其瓶子的重量为58—62kg。钢质气瓶具有价格便宜、工作可靠、疲劳寿命高、密封性好等特点，目前仍得到了广泛应用；而重量大、耐蚀性不足是钢质瓶的缺点；这一不足影响了钢质气瓶在桥主和轻型客车上的应用。 为了提高气瓶的容重比，减轻同样容积下气瓶的重量，国内外进行了不同内衬的复合材料气瓶的研究。这类气瓶综合了复合材料的高比强度、可设计性以及内衬的良好气密性、优良的耐蚀性等诸多优点，使其达到高承压能力、高疲劳寿命、质轻、耐腐等优良性能的完美结合，这也使得对复合材料CNG气瓶的研制开发成为国内外的一大热点。 在同样容积和压力下，依其内衬的种类和外层复合材料的选材不同，复合材料CNG气瓶比钢质气瓶的重量可减轻1/3—2/3；二者相比较，显然复合材料CNG气瓶在汽车运行节能上更具有优势；同时复合材料在受到撞击或高速冲击发生破坏时，不会产生具有危险性的碎片，从而降低或避免了对人员和车辆的损害。近年来，随着复合材料正材料成本的降低，成型工艺的不断改进，使得复合材料CNG气瓶在国内外倍受青睐，尤其在轿车和轻型车上的应用极具竞争力。 在复合材料CNG气瓶的研制和开发方面，美国的SCI公司、I*incoln公司和HydrosPin公司走在世界的前列，他们已开发出10余种不同规格的复合材料气瓶。Lincoln公司的全塑复合材料气瓶(内衬采用高密度聚乙烯)是世界一流的；在这类气瓶上Linclon公司采用了名为TUFFSHELL系统的专利技术，这一系统能吸收气瓶拱部(或称弧形肩部位)的震动与冲击，该系统是采用了能抗损伤的玻纤和可吸收冲击能的聚氨酯塑料组合制成，使气瓶有可能适用于各种更恶劣的使用条件。但是由于性能和价格等方面的原因，国外金属内衬复合材料CNGV气瓶的生产和销售量远大于全塑复合材料CNGV气汽。 中国汽车工业总公司重庆汽车研究所对CNGV钢瓶的热处理工艺、力学性能、断裂韧性、内外表面的强化方法及其它影响钢质气瓶的因素进行了系统研究，取得了一些有意义的、有应用价值的成果。同时对钢质内衬环向复合材料增强的气瓶进行了系统的研究，对气瓶设计、结构和受力情况进行了有限元分析；对气瓶进行优化设计，对气瓶的制造工艺进行了全面分析，提出了优化制造工艺；对钢内衬和复合材料层在疲劳试验中的模量匹配问题进行了深入研究，综合考虑了表面的压应力、疲劳应力、钢和玻纤的弹性模量及其在疲劳中的应变量和变形匹配，提出和完善复合材料层的张力缠绕工艺。 国家建材局北京玻璃钢研究设计院曾开展了无焊缝铝合金内衬复合材料CNG气瓶的研制工作。对铝合金内衬的选材、成型方法及复合材料的选材、性能及成型工艺等做了大量的试验工作，取得了初步的进展，并获得了劳动部职业安全卫生与锅炉压力容器监察局颁发的压力容器试制许可证。铝合金内衬复合材料CNG气瓶采用旋压力工艺成形的铝合金内衬，外部缠绕复合材料增强层；铝合金内衬采用变壁厚设计、结构更加合理；并可有效减少应力腐蚀和氢损伤，提高气瓶的疲劳寿命。铝内衬与外层轻质高强的复合材料层相结合的轻质气瓶和同种规格的钢瓶相比重量减少40%一50%，生产这类气瓶的技术关键包括：铝合金内衬的成形工艺、热处理工艺及强化工艺方法与参量；铝合金内衬结构的优化设计，张力缠绕工艺及其与内衬的变形匹配等。 西安向阳气瓶公司正在从事全塑复合材料CNG气瓶的研制与开发，其内衬材料选用高密度聚乙烯(HDPE)。该公司已进行了较多的前期工作，目前试制的全塑复合材料气瓶的寿命已达7500次，但气密性尚需改进；对全塑复合材料气瓶的研制中的下列问题尚需进一步探讨。首先是金属瓶口的材料和设计形状，；其次是瓶口与非金属内衬的结合及气密可靠性；第三是低温下内衬与复合材料的剥离、老化等；第四是非金属内衬要求所选用的树脂体系只能是中、低温固化体系，而这类树脂体系将不利于材料性能的发挥，导致水爆压力和疲劳寿命的稳定性较差。虽然上述问题已由美国Lincoln公司解决，但这类气瓶价格偏高仍然是制约其大量应用的重要因素。 从上述可看出，金属内衬复合材料CNGV气瓶和塑料内衬复合材料CNGV气瓶相比，虽然各有千秋，但由于前者金属的内衬具有承载能力和良好密封性，故其外部增强材料有较大的选择余地，因此金属内衬复合材料CNGV气瓶与全塑复合材料气瓶相比无论从成型工艺还是从价格上部具有非常明显的优势。结合我国现有技术水平，研制、开发、生产金属内衬复合材料CNGV气瓶是更可靠、更现实的一个技术路线，也是中汽总公司重庆汽车研究所有关技术人员致力于开发这一产品的原因所在。 四、CNGV气瓶的重要标准体系 标准是规范一个产品的性能、检测、生产和推广应用的重要依据，也是该产品成熟的表现。关于CNGV气瓶的重要标准有：ANSI/AGA，NGV2—1，NGV2—2，NGV2—3，NGV2—45这些标准是美国国家标准局认定和批准的标准。1997年年底进行了进一步修订和完善。 FMVSS304是美国运输部、国家高速公路运输管理局制定的法规(DOT NHTSA)，这一法规与NGV2基本一致，但检验项次远少于NGV2。在1997年NGV2重新修订后，FMVSS304也进行了修正和扩展，使其与NGV2相一致。 CSAB51-95于1995年元月批准实施，该标准原系加拿大国家标准，后由加拿大的地方当局用于认证NGV燃料容器。 由日本气体协会于1998年公布的“汽车用压缩天然气容器公告(JGA)”是一个关于汽车用压缩天然气容器设计、制造检验、认证和使用的十分全面而详细的标准。 ISO/DIS 11439国际标准“储存汽车天然气燃料的高压气瓶”于1997年6月通过并向世界公布，该标准是国际天然气汽车协会在ISO/SC3/WGl7的标准基础上发展完善的。 ISO/DIS11439、NGV2、B51等标准起草委员会已经协调了各标准之间的关系，尤其是试验方法和材料要求，以便各标准之间的要求和检验结果能够相互通用。 韩国所执行的标准与NGV2一致。此外，俄罗斯、德国(DIN571304)、新西兰(NIS5454—1989)也制定了汽车用压缩天然气储藏容器的标准。 在上述有关标准中，所规定的CNGV的气瓶使用条件、质量保证条件、材料、材料试验、批量生产试验、产品设计认证试验是保证气瓶安全使用的必要的条件。 五、对CNGV气瓶的主要性能要求 5．1 CNGV气瓶的设计要求(略) 5．2 气瓶的开口(略) 5．3 对气瓶材料的要求(略) 5．4 CNGV气瓶的种类、工艺和比较(略) 5．5 CNGV气瓶的使用条件 CNGV气瓶的使用条件在CNGV容器的标准中都有明确规定。作为容器设计、试验和容器安全使用的基础，在标准中规定CNGV的气瓶使用寿命不超过20年；CNGV气瓶的工作压力：作为车用气瓶为20MPa，站用瓶为25MPa。设计安全系数为2．25—3．0。其设计的使用温度为15℃。由于环境温度的变化，当温度升高时，允许其工作压力达到125%；气体压力循环的最大数目为750—1000次/年。汽车运行时的外部环境温度可在一40℃～十82℃之间变化，容器内所包含的气体温度不超过57℃。 按NGV2的要求，压缩天然气的杂质和其它有害气体含量的规定为： H2S和硫化物的分压最大为344．5Pa，或者H2S的含量小于20Ppm，不合有甲醇；水蒸气含量为：在车辆工作的特定的地理位置，压缩天然气的气体压力下，燃料罐内元水蒸气冷凝发生。水的露点随压力的升高而升高；例如当水含量为0．112g/m3(0℃，101．3kPa)，相当于常压下的水露点为一42．78C；如果将其压缩到25．0MPa时，水的露点升高到18．8℃；而在25．0MPa的压力下，甲烷的水合物生成温度为18．8℃。美国消防协会规定，在站用瓶的储气条件下，水蒸气含量为16mg/m3(15℃，15MPa)，并规定CO2的分压为0．048MPa。以免和水生成酸性物，导致储气瓶腐蚀。O!的最大含量为0．5%(体积分数)；CO2的增高会降低CNG的发热值。同时当有水分存在时，还会使钢瓶产生腐蚀。 硫化氢溶解于水中形成酸溶液，对金属发生腐蚀，尤其是在水存在的条件下，即使很少量的硫化氢都可能对钢造成硫化氢致脆裂纹(SSC)。而且在通常情况下，高压气体钢瓶底部积存一定数量水是完全可能的。硫化氢致脆(SSC)实际上是氢脆反应的一种结果，腐蚀反应提供了氢原子，SSC是硫化氢引起氢脆反应的一种表现。 为避免SSC发生，美国腐蚀工程师协会规定：在24．8MPa的气体中，硫化氢的分压应低于0．3kPa，相当于40Ppm，我国则规定H2S含量小于20pPm，或≤20mg/cm3(20℃，101．3kPa状态下)，而美国消防协会则规定在储气瓶内条件下，H2S和可溶性硫化物的分压≤0．00035MPa。 作为燃气汽车用的压缩天然气的气质对可凝结烃、惰性气体、水银、氢气等均有一定要求，以确保安全使用，并且这些气体中的杂质含量也急待一步规范和制定标准。 CNGV气瓶应当每3年检测1次，如果气瓶被重新安装，且处在腐蚀环境，或被火烧过，则气瓶必须经重新检测后才可使用。 5．6 CNGV气瓶的资质认证试验 CNGV气瓶的资质认证试验用于证明气瓶的设计在其使用寿命范围内是否是安全的。对于每个新设计的气瓶要求进行内容广泛的试验过程和试验项目；但是为了修正已有的气瓶设计，则可采用简化的试验运行。资质认证试验的具体试验项目如下： 1)水爆试验：该项试验主要用于验证各类容器的设计是否基本正确，对于钢质气瓶，试验其安全系数的大小是否与设计的一致；对于纤维复合材料增强的各类气瓶，还将验证其增强复合材料的应力比。 2)室温循环试验：该项试验主要用于证实CNGV容器或内衬满足其使用寿命要求而不发生泄漏，同时也为了证实气瓶是否具有安全破坏的特征，即在破裂前发生泄漏(leak—before—rupture)。 3)环境循环试验：该项试验主要用于检验CNGV容器或内衬是否可以承受在使用条件下可能遇到的各种流体如酸、碱等溶液的侵害；酸性溶液对玻璃纤维和芳纶纤维增强的复合材料性能具有明显的影响，其它液体也会侵蚀增强纤维和树脂基体；压力循环将会促进基体树脂的裂纹张开：从而有助于流体溶入复合材料层内。在环境循环试验中，还使气瓶承受一系列的模拟砂子冲击的低能冲击，以检验在流体中暴露之前气瓶保护涂层的耐久性。 4)火烧试验：该项试验主要用于证实燃料容器系统包括气瓶、压力释放装置在经受火烧或极限温度时，燃料容器内的气体会泄放；压力释放装置在压力、温度或压力与温度的综合作用下会发生作用，也就是说不管气瓶是在完全充气还是部分充气，燃料容器系统在火中都必须是安全的。 5)裂纹容限试验：这一试验主要用于模拟刀割、刨削等使用中可能出现的损伤或缺陷，证明容器不会因存在适当的损伤而发生泄漏或破裂。 6)坠落试验：坠落试验用于模拟燃料容器在安装使用之前的搬运、装卸中可能引入的损伤或缺陷。并通过试验证实：这些损伤和缺陷，在容器的使用寿命中不会发生泄漏和破裂。坠落时容器可呈水平、垂直和45°方向落下。 7)穿透试验：正如众所周知的枪击试验那样，本试验在于证实，即使一个高能的冲击物使气瓶简体复合材料增强体穿透，燃料容器也不会发生碎状破裂。 8)渗透试验：本试验主要用于检验以非金属内衬或焊接非金属内衬所制成的全塑复合材料燃料容器不允许存在有超出标准规定所限制的天然气渗漏损失。 9)天然气循环试验：本试验主要用于证实由于天然气气流所产生的静电或者由于天然气的迅速压缩和膨胀所引起的温度瞬变，不会引起气瓶的损伤。 10)加速应力破裂试验：本试验主要用于证实气瓶的增强纤维和树脂体系可以持续暴露在高温高压下而无衰变。 11)关于断裂性能的要求，及非破坏检验方法进行确定缺陷大小的有关试验：其目的在于寻找在金属容器和内衬中的裂纹、缺陷，包括疲劳敏感位置的鉴别，在破裂前的泄漏性能(1eak—beforc－break：LBB)和临界裂缝的大小(critical flaw sizes)。 Lincoln公司的经验表明：完成上述设计认证试验和产品实物检验，有650多个气瓶承受上述各种检验；可见完成一个新的CNGV燃料容器的设计认证的复杂、严肃与认真。并以此来确保燃料容器在CNGV上使用的安全性。 5．7 全塑复台材料容器的性能试验结果(略) 5．8 CNGV复合材料高压气瓶的应用实践 作为压缩天然气汽车的燃料容器，其钢质气瓶的应用始于60年代末，迄今为止已有近40年的应用历史和150多万只的应用量：多年的应用实践和广泛的应用量证明：只要钢瓶生产符合给定标准且质量保证体系完善，钢瓶的使用性能是可靠的。 钢内衬环向增强复合材料气瓶的应用始于80年代初；迄今为止，其应用量已超过10万只；而金属内衬全缠绕气瓶和塑料内衬全缠绕气瓶的应用于则始于90年代初，迄今的应用量近5万只，其中Lincoln公司的复合材料气瓶用量超过1．3万只，用户超过150个，目前已经得到15个国家完全认证或有条件认证和许可，这些国家包括加拿大、埃及、德国、日本、韩国、马来西亚、墨西哥、荷兰、比利时、新西兰、南非、瑞典、英国和美国。 Linc01n公司的全塑复合材料气瓶主要有两个方面的应用；首先是应用于各类双燃料汽车，其次是应用于中学生公共汽车、运输客车、机场和市区的交通车。在美国已有1/4—1/2的公共汽车用CNG作燃料。全塑复合材料气瓶由于重量轻、使用安全而受到青睐。这类气瓶也应用于轻型货车和中型运输车。 采用Linc01n公司的复合材料容器的制造厂包括：NeW Flyer，Metrotrans，Eidofado，Northrop Grum—man，Champion和Norican Transit。在这些公共汽车上气瓶的安装方式包括车顶和车底安装的两种形式。 应用复合材料气瓶时，正确的安装方法非常重要，否则可能会导致灾难性的事故。例如：如果安装方法不当，不仅会导致容器与载货车分离，也可能使天然气释放到封闭区内，同时也会由于汽车上其它构件的干扰而在冲撞时发生不必要的危险。 正确的安装不仅是采用的方法正确，而且正确设计气瓶的安装支架和准确计算支架的承载要求亦十分重要。气瓶的安装支架应该依据气瓶制造者提出的要求和提供的指南及应用标准如：NFPAS2和CGA B149．4在载货车和公共汽车上进行安装和装配。 正确地选用瓶阀和PRD(压力释放装置)以及O型环是保证容器安全使用的另一重要方面。PRD的泄漏线应该由容器制造者标定，并符合NFPAS2和CGAB149．4标准中的规定。水的存在可能加速容器的腐蚀。冷冻可能引起PRD失效和气体泄漏。 气瓶应尽可能安装在汽车上相对安全的区域，如公共汽车顶部，汽车的本体上；也可安放在公共汽车或汽车的下层或底部；即安装的位置应使气瓶、支架、导管和其它有关构件，其处在载货车、汽车发生撞击时和道路砂石冲击所产生的危害最小的地方。显然公共汽车顶部较为合理。安装在汽车底部时，道路碎石和泥沙等危害较大，就应采用屏蔽设计。显然正确的安装也是保证气瓶安全使用的重要方面。 综上所述，全塑料复合材料气瓶已经过广泛的设计和资质认证试验；现场的使用试验结果也已证实；这种容器设计可以在汽车运行的环境和条件下安全地工作。全塑料复合材料气瓶是安全的、耐疲劳的，其重量轻和价格之间是相匹配的；目前，这类气瓶己得到世界上广泛的承认和接受，在许多领域内市场正在迅速增加，特别是在各类公共汽车上的应用，分外受到人们的重视和欢迎。 六、CNGV气瓶的失效与预防 产品丧失其规定功能的现象称为失效，通常机械产品的失效可以归纳为3种情况：完全不能工作者；性能恶化，超过规定的失效判据者；失去安全工作能力者。CNGV气瓶是一种特殊的机械产品——高压容器；而它又比普通高压容器有更为恶劣的工况和条件，同时这种高压容器安放在运动车辆(多为城市中的公共汽车、乘用车)上，因此对气瓶的可靠性提出了更高的要求，或者说在气瓶服役期限内，不允许发生失去安全工作能力的失效。 气瓶的失效模式有多种；常见的为： 间断漏气(intermittent leak)－－与气瓶反复充、放气相关的压力循环使疲劳裂纹长大通过气瓶侧壁。只有当气瓶充到最大压力时，裂纹受张力张开，裂纹才发生漏气。由于疲劳裂纹长大通过钢质气瓶所产生的漏气就是例子。 连续漏气(continuous leEtk)－－一种贯穿气瓶壁的裂纹产生了一种连续的针孔漏气，这种失效模式造成的压力损失速率非常缓慢。依据透入台量的大小，在一个封闭区域内的天然气气量的积聚就会比较明显。塑料内衬气瓶的塑料内衬的熔焊漏隙或针孔就是这类失效模式的例子。 断裂开口(fracture)—比连续泄漏缝隙张开口的裂口更大，以致于压力降比较快，亦比较明显。在封闭区内燃气积聚也迅速出现，在全金属气瓶口一个大的疲劳裂纹穿透侧壁长大就是例子。 破裂开口(rupture)——失效的气瓶仍是一个整体，但是由于高速逸出的气体推动外部粒子会使气瓶等构件出现物理损伤，当粒子碎片撞击到外部金属零件上可能会引起着火。1994年一辆通用汽车公司载货车土气瓶失效就是环境诱发开裂的例子。 碎片状破裂(fragmentation rupture)——气瓶破裂成碎片，并且由于飞起的金属片的撞击发生火灾。1993年在美国发生的机械损伤诱发气瓶失效就是这种失效的例子。 从失效模式可以看出：几乎所有的CNGV气瓶都是由于发生漏气(leak)或破裂(rupture)而失效的。 除了暴露在严重的着火条件中气瓶发生失效外，所有在使用中失效的CNGV气瓶几乎全都是在充气中或刚刚充气完成之后出现的。此时气瓶内的压力处于最大值；自1976年以来，已先后有20多起气瓶发生破裂，20多起气瓶泄漏事件发生；全金属气瓶，由于引入有效完善的标准体系，在制造中采用的非破坏和质量控制，以及合理的压力释放装置(PRD)的应用，其钢瓶在国外的失效几率已大大地下降，但在国内，由于热处理质量、旋压收口质量以及天然气中的硫及硫化氢含量偏高原因，其钢瓶的失效几率仍远较国外为高。近年来，国内对气瓶性能、材料与热处理工艺研究所取得的进展和成果，己将钢瓶的内在质量提高到一个新的水平，钢瓶的可靠性已经大大提高，基本满足了使用要求。 复合材料缠绕的气瓶破裂，主要是由于外部的机械损伤引起；这可以通过正确的选材，复合材料层的防护，合理的安装方法，严格的工艺方法以改进塑料内衬的漏气，以及目测检验而改进和避免。 全金属CNGV气瓶在使用中的失效有以下几种情况： 1)由于着火使气瓶压力升高，加之PRD失效或安装存在问题，引起气瓶发生4片破裂。 2)由于热处理质量差，加之疲劳、应力腐蚀、和/或氢脆而使气瓶出现碎片状破裂。 3)气瓶表面预先存在有裂缝或分层，在使用中反复充、放气产生疲劳，使裂缝疲劳扩展穿透气瓶侧壁而使气瓶产生破裂。 上述问题通过气瓶生产厂的严格的质量管理体系，对每个生产的气瓶都进行硬度、超声和水压试验，并在使用的每个气瓶上配装PRD等安全措施而得以避免。 金属内衬复合材料缠绕的气瓶在使用中的失效有以下几种情况： 1)铝内衬环向缠绕的复合材料气瓶，由于预先存在玻纤复合材料层的严重的机械损伤，致使金属内衬得不到复合材料层的支撑，加之气瓶过压而导致气瓶碎片状破裂。外逸的天然气并不会着火，但破碎片之间的冲击，可能会引起天然气或汽油着火。 2)环向复合材料增强的铝内衬气瓶，其复合材料部分己严重破坏，且气瓶在慢速充气中产生过压，使气瓶发生破裂。 3)复合材料层由于环境因素发生损伤，使复合材料层失去承压能力，而导致玻纤全缠绕的气瓶发生破裂。不正确的安装会产生玻纤层的机械诱发损伤，环境因素会引起应力腐蚀断裂，尤其是环向增强的复合材料层，一旦发生损伤，其气瓶承压能力将明显下降，而在充压时发生破裂。正确的安装和合理的防护涂层，可以避免或减少这类失效。 复合材料全缠绕的塑料内衬气瓶的失效情况主要是漏气，造成这类气瓶漏气的原因是： 1)塑料内衬中预先存在裂缝，这种裂缝可能产生于塑料内衬的熔焊工艺不当，也可能产生于塑料内衬和端部金属瓶口的组合工艺不良。当在较低的环境温度下，快速充气之后，气瓶产生瞬间负压，导致塑料内衬起皱和开裂。 2)塑料内衬全缠绕碳纤的气瓶，在运输、安装、使用中出现的冲击损伤，也可能会导致气瓶充压时发生破裂。因此，合理地选择气瓶的制造材料，采用优良的结构设计，正确地制定和执行标准，实行严格的质量管理和工艺过程以及质量认证试验，认真执行运输、安装、使用要求是预防气瓶失效的重要措施和保证。 七、气瓶安全分类 所有各类气瓶的设计，都考虑了在使用条件下的气瓶的使用安全和符合NGV的最新气瓶标准；然而，在一些例外情况下，如火烧、碰撞以及严重的安装使用不当，某些气瓶设计可能会表现出更为优良的性能。总结了各种NGV使用条件下，各类气瓶可能出现的相对危险和失效模式，其相对危险性的评价是基于失效历史，所观察到的某些材料在使用中的衰减，以及在缺乏严格的NGV标准所规定的使用条件下可能出现的一些现象和问题等方面所作出的。例如：“中等”危险是指金属气瓶和金属内衬在制造中没有正确进行非破坏检验而在使用中要承受疲劳应力、发生开裂，这种情况：对于类型1的全铝合金内衬所产生的后果可能是“连续的泄漏气”或断裂(fracture)；而对于类型3的全缠绕设计的气瓶，内衬的开裂将可能发生“间断漏气”，并且由于全缠绕复合材料所采用的张力缠绕工艺而改变了气瓶实际承压的尺度；类型4的塑料内衬气瓶只可能出现疲劳开裂，因为这一设计对塑料内衬的疲劳开裂有阻碍作用，因此这只是一种“低的危险”类型。 相对危险的信息指出了各种普通气瓶的固有的强度和不足，没有一种气瓶是元危险的。对于相对危险较高的气瓶，例如：在类型4的气瓶设计中在气瓶的肩部采用了吸能材料，这种特殊设计可以降低搬运和载货车撞击时的冲击部位的设计危险因子。此外，载货车的OEM可以找出某些危险区域，通过工程设计使气瓶承受冲击的危险减至最小(例如：通过利用载货车车架和遮敝系统等)。 关于相对危险的这些数据并不完全表明气瓶是安全或者不安全的，当使用者定制气瓶时，除了考虑价格之外，还应考虑其相对危险的水平，并且将这些多重危险因素考虑到整个载货车设计中去。虽然在相对危险的评价结果和所料测的失效率之间并没有必然的直接联系，但经验数据也表明：实际所统计的历年的失效率和相对危险的评价结果之间有一个总体的对应。 破裂率是气瓶的破裂数和正在使用的气瓶总数之比，这一值可进一步考虑到每个气瓶的总的使用年数而重新定义，一般来说气瓶的类型1和类型2比类型3和类型4有更长的使用周期，基于使用性能、材料性能中数据，在GNV气瓶设计尚存在严重不规范的条件下，按可靠性降低顺序排列如下： 1)全金属气瓶：①钢质气瓶；②铝质气瓶。 2)环向缠绕气瓶：①钢内衬碳纤维环向缠绕气瓶；②铝内衬碳纤维环向缠绕气瓶；②钢内衬玻纤环向缠绕气瓶；④铝内衬玻纤环向缠绕气瓶。 3)碳纤维整体缠绕气瓶：①铝内衬碳纤维整体缠绕气瓶；②塑料内衬碳纤维和玻纤混合缠绕气瓶；②塑料内衬碳纤维整体缠绕气瓶。 4)玻纤整体缠绕气瓶：①铝内衬玻纤整体缠绕气瓶；②塑料内衬玻纤整体缠绕气瓶。 八、总结 1)寻求新的汽车能源。降低汽车排放污染是燃气汽车发展的动力。中国某些地区贫泊富气，发展燃气汽车已是势在必行，而燃气汽车的发展还可带动气站压缩机、气瓶、供气系统和改装汽车等相关产业的发展。因此我国目前十分重视燃气汽车的发展。 2)燃气汽车的发展的重要部件是储存燃料的气瓶。这类气瓶属高压容器，制造用材、工艺与技术均要求十分严格，以保证其使用的安全性和可靠性。 3)燃气汽车的储气瓶可分为全金属气瓶、金属内衬环向复合材料增强气瓶、金属内衬整体复合材料增强气瓶和塑料内衬整体复合材料增强气瓶。其增强纤维可分为玻纤，以及玻纤和碳纤混合纤维。每种气瓶都有相应的标准要求(如美国的NGV2一l、2、3、4等)。我国目前只有钢质气瓶生产，相应的只有钢质气瓶标准；轻质复合材料气瓶正在研制和开发中，不久即可批量生产和供应市场。 4)轻质复合材料气瓶的开发与生产属高新技术，这类气瓶是融各类内衬的密封性和复合材料的可设计性、高强度、轻重量的特点为一体，大幅度减轻了气瓶重量，又保证承压能力以及使用期间的疲劳寿命。国际上只有少数工业发达国家才具有研究开发生产能力。这类轻质复合材料气瓶不仅用于燃气汽车的燃料容器，而且还广泛用于消防，以及宇航、井下作业人员的呼吸器，市场应用前景十分广阔。 5)气瓶的失效模式为间断漏气、连续漏气、断裂和破裂开口以及碎片状破裂5种；为保证气瓶使用中的安全性，一系列的标准规定气瓶失效时不允许山现脆性断裂，而应采用在破裂前泄漏的失效模式即leak before rupture(简称：LBR)。 6)燃气汽车气瓶的安全性自高向低的排序为：全金属气瓶；金属内衬环向复合材料增强气瓶；金属内衬整体复合材料增强气瓶，其碳纤维增强气瓶优于玻纤和芳纶纤维增强气瓶，但价格高于玻纤增强气瓶。 7)已进行的广泛的使用试验的统计续果表明：只要合理地选择气瓶制造材料，采用优良的结构设讨，正确地制定和执行标准，实行严格的质量管理和工艺控制过程以及质量认证试验，认真执行运输、安装、检验、使用要求，燃气汽车的气瓶是十分安全的。 8)目前生产的各类气瓶，都是经过严格的质量认证的，究竞选用哪种气瓶取决于使用者对气瓶的价格、重量和使用的车型与条件的要求。(end)

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