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車用CNG鋼瓶產(chǎn)生裂紋的原因及預(yù)防措施

作者:劉云霞  來源:華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 
評論: 更新日期:2013年01月11日
2 CNG鋼瓶產(chǎn)生裂紋的預(yù)防措施
2.1 預(yù)防措施的確定
3種裂紋的產(chǎn)生機理來看,影響CNG鋼瓶安全的主要因素為鋼瓶內(nèi)CNG的成分、鋼瓶的材質(zhì)、鋼瓶熱處理工藝、鋼瓶內(nèi)的壓力波動等。CNG中H2S與水的存在為應(yīng)力腐蝕裂紋和氫致裂紋的產(chǎn)生提供了條件,壓力波動加速了鋼瓶的疲勞,鋼瓶的材質(zhì)及其熱處理工藝決定著鋼瓶的機械性能。
國內(nèi)CNG鋼瓶的使用壽命遠低于國外,國內(nèi)CNG鋼瓶常按10年報廢處理,而國外CNG鋼瓶的使用壽命按國際標準規(guī)定為15年[5]。主要原因有:國內(nèi)CNG質(zhì)量達不到國外的高標準,CNG腐蝕性較強,國產(chǎn)CNG鋼瓶的質(zhì)量達不到國際標準要求。因此,可由這些主要原因,采取相應(yīng)措施提高鋼瓶的安全性,延長鋼瓶的使用壽命。
2.2 定期對鋼瓶進行檢驗
CNG鋼瓶的安全性密切相關(guān)的鋼瓶使用壽命和檢驗周期的確定廣受業(yè)內(nèi)人士重視。國際標準ISO 11439:2000《用作機動車燃料的天然氣汽車上存儲用高壓氣瓶》中規(guī)定[5],鋼質(zhì)氣瓶的使用壽命為15年,鋼瓶檢驗周期為3年;采用復(fù)合材料纏繞的氣瓶的使用壽命為15年,檢驗周期為3年。目前,國內(nèi)常用CNG鋼瓶采用優(yōu)質(zhì)鉻鉬鋼(30CrMo)制造。國家標準GB 17258—1998《汽車用壓縮天然氣鋼瓶》未對鋼瓶使用壽命進行規(guī)定,實踐中常按10年報廢處理,每2年檢驗一次[6]。
定期對鋼瓶的腐蝕情況進行檢測,可以了解鋼瓶的狀況,保障鋼瓶處于安全使用期,且便于對裂紋腐蝕采取相應(yīng)防范措施。通過檢查可發(fā)現(xiàn)腐蝕常發(fā)生在鋼瓶底部,由積聚在鋼瓶底部的H2S溶液引起。據(jù)此,可采取經(jīng)常轉(zhuǎn)動鋼瓶的措施,避免局部腐蝕造成嚴重破壞。
2.3 控制CNG中H2S、水分的質(zhì)量濃度
① 控制H2S的質(zhì)量濃度
國內(nèi)汽車用CNG行業(yè)標準SY/T 7546—1996《汽車用壓縮天然氣》中規(guī)定[7],H2S的質(zhì)量濃度(101.325kPa、20℃條件下)不高于20mg/m3。該值與管道天然氣標準規(guī)定的H2S質(zhì)量濃度相同。但由于CNG鋼瓶的工作壓力為20MPa,因此SY/T 7546—1996《汽車用壓縮天然氣》規(guī)定的H2S質(zhì)量濃度仍偏高。美國相關(guān)標準規(guī)定CNG中H2S的質(zhì)量濃度不高于5mg/m3。因此,可在技術(shù)經(jīng)濟條件允許下進一步脫硫,降低H2S質(zhì)量濃度。
② 控制水分的質(zhì)量濃度
國家標準GB 17258—1998《汽車用壓縮天然氣鋼瓶》規(guī)定,單位標準體積CNG中水分的質(zhì)量濃度不超過8mg/m3。石油天然氣行業(yè)標準SY/T 7546—1996《汽車用壓縮天然氣》要求,汽車用CNG水露點必須比最高操作壓力下最低環(huán)境溫度低5℃。國家標準GB 18047—2000《車用壓縮天然氣》規(guī)定[8],在汽車駕駛的特定地理區(qū)域內(nèi),在最高操作壓力下,水露點不應(yīng)高于-13℃;當最低氣溫低于-8℃時,水露點應(yīng)比最低氣溫低5℃。美國國家防火協(xié)會標準NFPA52《關(guān)于壓縮天然氣車輛和車輛燃料系統(tǒng)的標準》規(guī)定[9],單位標準體積CNG中水分的質(zhì)量濃度不超過8mg/m3;在壓力狀態(tài)下天然氣的水露點必須與車輛運行的地理位置相適應(yīng),以保證容器中沒有凝結(jié)水;在最高操作壓力下,天然氣的水露點必須比當?shù)?9%冬季時間的最低溫度低5.5℃以上。
汽車用CNG須嚴格按照國內(nèi)標準脫水,控制水分的質(zhì)量濃度。在技術(shù)經(jīng)濟條件允許下,可參照美國標準,盡量干燥CNG,提高鋼瓶的安全性。
2.4 對鋼瓶制造工藝的要求
目前,我國常采用優(yōu)質(zhì)鉻鉬鋼(30CrMo)制造CNG鋼瓶。國家標準GB 17258—1998(汽車用壓縮天然氣鋼瓶》對鋼瓶材質(zhì)的化學(xué)成分有嚴格要求[6]。
通常,鋼的碳含量越高,鋼材越容易發(fā)生氫脆斷裂。因此,在滿足強度設(shè)計的要求下應(yīng)盡量降低碳含量,美國要求鋼瓶材質(zhì)的碳質(zhì)量分數(shù)為0.25%~0.35%。此外,鋼材中硫、磷的存在會降低鋼材的各種機械性能,且夾雜物MnS的帶狀分布會增加氫致裂紋的敏感性,因此控制鋼材中硫、磷的含量極為重要。美國生產(chǎn)的CNG鋼瓶用鋼中硫的質(zhì)量分數(shù)控制在0.01%以下,磷的質(zhì)量分數(shù)控制在0.02%以下。
CNG鋼瓶的熱處理加工工藝中,采用合理的熱處理工藝和淬火介質(zhì)可以獲得良好的韌度,在保證強度的情況下盡可能降低鋼材的屈強比,提高斷裂韌度,這都能提高CNG鋼瓶的安全性。
此外,采用在CNG鋼瓶內(nèi)表面噴涂鋁層后刷富鋅涂料的方法,將腐蝕介質(zhì)與鋼瓶金屬表面隔開,使其失去產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的環(huán)境,也可避免應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生。這也隔斷了氫原子的內(nèi)滲,對氫鼓泡和氫致裂紋的產(chǎn)生也有較好的防護作用。
參考文獻:
[1] 劉巍.球罐應(yīng)力腐蝕的分析與防范[J].四川化工與腐蝕控制,1999,2(6):50-53.
[2] 王榮貴.化工裝置中鋼在濕硫化氫環(huán)境下的腐蝕機理與設(shè)備選材(上)[J].化肥設(shè)計,2002,40(1):5-8.
[3] 陳學(xué)東,蔣家羚,楊鐵成,等.濕H2S環(huán)境下典型壓力容器用鋼應(yīng)力腐蝕開裂門檻值的估算[J].壓力容器,2004,21(3):1-5.
[4] 孫道恒,孫訓(xùn)方,劉先斌.低周疲勞表面裂紋演化進程分析[J].材料科學(xué)與工程,2000,18(4):61-65.
[5] ISO 11439:2000,High Pressure Cylinders for the Onboard Storage of Natural Gas as a Fuel for Automotive Vehicles[S].
[6] GB 17258—1998,汽車用壓縮天然氣鋼瓶[S].
[7] SY/T 7546—1996,汽車用壓縮天然氣[S].
[8] GB 18047—2000,車用壓縮天然氣[S].
[9] NFPA52,Standard for Compressed Natural Gas(CNG) Vehicular Fuel Systems[S].
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