??????? 西安向陽(yáng)氣瓶公司正在從事全塑復(fù)合材料CNG氣瓶的研制與開(kāi)發(fā)，其內(nèi)襯材料選用高密度聚乙烯(HDPE)。該公司已進(jìn)行了較多的前期工作，目前試制的全塑復(fù)合材料氣瓶的壽命已達(dá)7500次，但氣密性尚需改進(jìn)；對(duì)全塑復(fù)合材料氣瓶的研制中的下列問(wèn)題尚需進(jìn)一步探討。首先是金屬瓶口的材料和設(shè)計(jì)形狀，；其次是瓶口與非金屬內(nèi)襯的結(jié)合及氣密可靠性；第三是低溫下內(nèi)襯與復(fù)合材料的剝離、老化等；第四是非金屬內(nèi)襯要求所選用的樹(shù)脂體系只能是中、低溫固化體系，而這類樹(shù)脂體系將不利于材料性能的發(fā)揮，導(dǎo)致水爆壓力和疲勞壽命的穩(wěn)定性較差。雖然上述問(wèn)題已由美國(guó)Lincoln公司解決，但這類氣瓶?jī)r(jià)格偏高仍然是制約其大量應(yīng)用的重要因素。
??????? 從上述可看出，金屬內(nèi)襯復(fù)合材料CNGV氣瓶和塑料內(nèi)襯復(fù)合材料CNGV氣瓶相比，雖然各有千秋，但由于前者金屬的內(nèi)襯具有承載能力和良好密封性，故其外部增強(qiáng)材料有較大的選擇余地，因此金屬內(nèi)襯復(fù)合材料CNGV氣瓶與全塑復(fù)合材料氣瓶相比無(wú)論從成型工藝還是從價(jià)格上部具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。結(jié)合我國(guó)現(xiàn)有技術(shù)水平，研制、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)金屬內(nèi)襯復(fù)合材料CNGV氣瓶是更可靠、更現(xiàn)實(shí)的一個(gè)技術(shù)路線，也是中汽總公司重慶汽車研究所有關(guān)技術(shù)人員致力于開(kāi)發(fā)這一產(chǎn)品的原因所在。
??????? 四、CNGV氣瓶的重要標(biāo)準(zhǔn)體系
??????? 標(biāo)準(zhǔn)是規(guī)范一個(gè)產(chǎn)品的性能、檢測(cè)、生產(chǎn)和推廣應(yīng)用的重要依據(jù)，也是該產(chǎn)品成熟的表現(xiàn)。關(guān)于CNGV氣瓶的重要標(biāo)準(zhǔn)有：ANSI/AGA，NGV2-1，NGV2-2，NGV2-3，NGV2-45這些標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局認(rèn)定和批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)。1997年年底進(jìn)行了進(jìn)一步修訂和完善。
??????? FMVSS304是美國(guó)運(yùn)輸部、國(guó)家高速公路運(yùn)輸管理局制定的法規(guī)(DOT NHTSA)，這一法規(guī)與NGV2基本一致，但檢驗(yàn)項(xiàng)次遠(yuǎn)少于NGV2。在1997年NGV2重新修訂后，F(xiàn)MVSS304也進(jìn)行了修正和擴(kuò)展，使其與NGV2相一致。
??????? CSAB51-95于1995年元月批準(zhǔn)實(shí)施，該標(biāo)準(zhǔn)原系加拿大國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，后由加拿大的地方當(dāng)局用于認(rèn)證NGV燃料容器。
??????? 由日本氣體協(xié)會(huì)于1998年公布的“汽車用壓縮天然氣容器公告(JGA)”是一個(gè)關(guān)于汽車用壓縮天然氣容器設(shè)計(jì)、制造檢驗(yàn)、認(rèn)證和使用的十分全面而詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)。
??????? ISO/DIS 11439國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)“儲(chǔ)存汽車天然氣燃料的高壓氣瓶”于1997年6月通過(guò)并向世界公布，該標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際天然氣汽車協(xié)會(huì)在ISO/SC3/WGl7的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上發(fā)展完善的。
??????? ISO/DIS11439、NGV2、B51等標(biāo)準(zhǔn)起草委員會(huì)已經(jīng)協(xié)調(diào)了各標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系，尤其是試驗(yàn)方法和材料要求，以便各標(biāo)準(zhǔn)之間的要求和檢驗(yàn)結(jié)果能夠相互通用。
??????? 韓國(guó)所執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)與NGV2一致。此外，俄羅斯、德國(guó)(DIN571304)、新西蘭(NIS5454-1989)也制定了汽車用壓縮天然氣儲(chǔ)藏容器的標(biāo)準(zhǔn)。
??????? 在上述有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，所規(guī)定的CNGV的氣瓶使用條件、質(zhì)量保證條件、材料、材料試驗(yàn)、批量生產(chǎn)試驗(yàn)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)認(rèn)證試驗(yàn)是保證氣瓶安全使用的必要的條件。
??????? 五、對(duì)CNGV氣瓶的主要性能要求
??????? 5．1 CNGV氣瓶的設(shè)計(jì)要求(略)
??????? 5．2 氣瓶的開(kāi)口(略)
??????? 5．3 對(duì)氣瓶材料的要求(略)
??????? 5．4 CNGV氣瓶的種類、工藝和比較(略)
??????? 5．5 CNGV氣瓶的使用條件
??????? CNGV氣瓶的使用條件在CNGV容器的標(biāo)準(zhǔn)中都有明確規(guī)定。作為容器設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和容器安全使用的基礎(chǔ)，在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定CNGV的氣瓶使用壽命不超過(guò)20年；CNGV氣瓶的工作壓力：作為車用氣瓶為20MPa，站用瓶為25MPa。設(shè)計(jì)安全系數(shù)為2．25-3．0。其設(shè)計(jì)的使用溫度為15℃。由于環(huán)境溫度的變化，當(dāng)溫度升高時(shí)，允許其工作壓力達(dá)到125%；氣體壓力循環(huán)的最大數(shù)目為750-1000次/年。汽車運(yùn)行時(shí)的外部環(huán)境溫度可在一40℃～十82℃之間變化，容器內(nèi)所包含的氣體溫度不超過(guò)57℃。
??????? 按NGV2的要求，壓縮天然氣的雜質(zhì)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(nèi)元水蒸氣冷凝發(fā)生。水的露點(diǎn)隨壓力的升高而升高；例如當(dāng)水含量為0．112g/m3(0℃，101．3kPa)，相當(dāng)于常壓下的水露點(diǎn)為一42．78C；如果將其壓縮到25．0MPa時(shí)，水的露點(diǎn)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(guó)消防協(xié)會(huì)規(guī)定，在站用瓶的儲(chǔ)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(dǎo)致儲(chǔ)氣瓶腐蝕。O!的最大含量為0．5%(體積分?jǐn)?shù))；CO2的增高會(huì)降低CNG的發(fā)熱值。同時(shí)當(dāng)有水分存在時(shí)，還會(huì)使鋼瓶產(chǎn)生腐蝕。
??????? 硫化氫溶解于水中形成酸溶液，對(duì)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(duì)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(shù)量水是完全可能的。硫化氫致脆(SSC)實(shí)際上是氫脆反應(yīng)的一種結(jié)果，腐蝕反應(yīng)提供了氫原子，SSC是硫化氫引起氫脆反應(yīng)的一種表現(xiàn)。
??????? 為避免SSC發(fā)生，美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)規(guī)定：在24．8MPa的氣體中，硫化氫的分壓應(yīng)低于0．3kPa，相當(dāng)于40Ppm，我國(guó)則規(guī)定H2S含量小于20pPm，或≤20mg/cm3(20℃，101．3kPa狀態(tài)下)，而美國(guó)消防協(xié)會(huì)則規(guī)定在儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)條件下，H2S和可溶性硫化物的分壓≤0．00035MPa。
??????? 作為燃?xì)馄囉玫膲嚎s天然氣的氣質(zhì)對(duì)可凝結(jié)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(zhì)含量也急待一步規(guī)范和制定標(biāo)準(zhǔn)。
??????? CNGV氣瓶應(yīng)當(dāng)每3年檢測(cè)1次，如果氣瓶被重新安裝，且處在腐蝕環(huán)境，或被火燒過(guò)，則氣瓶必須經(jīng)重新檢測(cè)后才可使用。
??????? 5．6 CNGV氣瓶的資質(zhì)認(rèn)證試驗(yàn)
??????? CNGV氣瓶的資質(zhì)認(rèn)證試驗(yàn)用于證明氣瓶的設(shè)計(jì)在其使用壽命范圍內(nèi)是否是安全的。對(duì)于每個(gè)新設(shè)計(jì)的氣瓶要求進(jìn)行內(nèi)容廣泛的試驗(yàn)過(guò)程和試驗(yàn)項(xiàng)目；但是為了修正已有的氣瓶設(shè)計(jì)，則可采用簡(jiǎn)化的試驗(yàn)運(yùn)行。資質(zhì)認(rèn)證試驗(yàn)的具體試驗(yàn)項(xiàng)目如下：
??????? 1)水爆試驗(yàn)：該項(xiàng)試驗(yàn)主要用于驗(yàn)證各類容器的設(shè)計(jì)是否基本正確，對(duì)于鋼質(zhì)氣瓶，試驗(yàn)其安全系數(shù)的大小是否與設(shè)計(jì)的一致；對(duì)于纖維復(fù)合材料增強(qiáng)的各類氣瓶，還將驗(yàn)證其增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)力比。
??????? 2)室溫循環(huán)試驗(yàn)：該項(xiàng)試驗(yàn)主要用于證實(shí)CNGV容器或內(nèi)襯滿足其使用壽命要求而不發(fā)生泄漏，同時(shí)也為了證實(shí)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(yàn)：該項(xiàng)試驗(yàn)主要用于檢驗(yàn)CNGV容器或內(nèi)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(duì)玻璃纖維和芳綸纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料性能具有明顯的影響，其它液體也會(huì)侵蝕增強(qiáng)纖維和樹(shù)脂基體；壓力循環(huán)將會(huì)促進(jìn)基體樹(shù)脂的裂紋張開(kāi)：從而有助于流體溶入復(fù)合材料層內(nèi)。在環(huán)境循環(huán)試驗(yàn)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(yàn)在流體中暴露之前氣瓶保護(hù)涂層的耐久性。
??????? 4)火燒試驗(yàn)：該項(xiàng)試驗(yàn)主要用于證實(shí)燃料容器系統(tǒng)包括氣瓶、壓力釋放裝置在經(jīng)受火燒或極限溫度時(shí)，燃料容器內(nèi)的氣體會(huì)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(huì)發(fā)生作用，也就是說(shuō)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(yàn)：這一試驗(yàn)主要用于模擬刀割、刨削等使用中可能出現(xiàn)的損傷或缺陷，證明容器不會(huì)因存在適當(dāng)?shù)膿p傷而發(fā)生泄漏或破裂。
??????? 6)墜落試驗(yàn)：墜落試驗(yàn)用于模擬燃料容器在安裝使用之前的搬運(yùn)、裝卸中可能引入的損傷或缺陷。并通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)：這些損傷和缺陷，在容器的使用壽命中不會(huì)發(fā)生泄漏和破裂。墜落時(shí)容器可呈水平、垂直和45°方向落下。
??????? 7)穿透試驗(yàn)：正如眾所周知的槍擊試驗(yàn)?zāi)菢?，本試?yàn)在于證實(shí)，即使一個(gè)高能的沖擊物使氣瓶簡(jiǎn)體復(fù)合材料增強(qiáng)體穿透，燃料容器也不會(huì)發(fā)生碎狀破裂。
??????? 8)滲透試驗(yàn)：本試驗(yàn)主要用于檢驗(yàn)以非金屬內(nèi)襯或焊接非金屬內(nèi)襯所制成的全塑復(fù)合材料燃料容器不允許存在有超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定所限制的天然氣滲漏損失。
??????? 9)天然氣循環(huán)試驗(yàn)：本試驗(yàn)主要用于證實(shí)由于天然氣氣流所產(chǎn)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(huì)引起氣瓶的損傷。
??????? 10)加速應(yīng)力破裂試驗(yàn)：本試驗(yàn)主要用于證實(shí)氣瓶的增強(qiáng)纖維和樹(shù)脂體系可以持續(xù)暴露在高溫高壓下而無(wú)衰變。
??????? 11)關(guān)于斷裂性能的要求，及非破壞檢驗(yàn)方法進(jìn)行確定缺陷大小的有關(guān)試驗(yàn)：其目的在于尋找在金屬容器和內(nèi)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(critical flaw sizes)。
??????? Lincoln公司的經(jīng)驗(yàn)表明：完成上述設(shè)計(jì)認(rèn)證試驗(yàn)和產(chǎn)品實(shí)物檢驗(yàn)，有650多個(gè)氣瓶承受上述各種檢驗(yàn)；可見(jiàn)完成一個(gè)新的CNGV燃料容器的設(shè)計(jì)認(rèn)證的復(fù)雜、嚴(yán)肅與認(rèn)真。并以此來(lái)確保燃料容器在CNGV上使用的安全性。