??????? 5．7 全塑復(fù)臺材料容器的性能試驗結(jié)果(略)
??????? 5．8 CNGV復(fù)合材料高壓氣瓶的應(yīng)用實踐
??????? 作為壓縮天然氣汽車的燃料容器，其鋼質(zhì)氣瓶的應(yīng)用始于60年代末，迄今為止已有近40年的應(yīng)用歷史和150多萬只的應(yīng)用量：多年的應(yīng)用實踐和廣泛的應(yīng)用量證明：只要鋼瓶生產(chǎn)符合給定標(biāo)準(zhǔn)且質(zhì)量保證體系完善，鋼瓶的使用性能是可靠的。
??????? 鋼內(nèi)襯環(huán)向增強(qiáng)復(fù)合材料氣瓶的應(yīng)用始于80年代初；迄今為止，其應(yīng)用量已超過10萬只；而金屬內(nèi)襯全纏繞氣瓶和塑料內(nèi)襯全纏繞氣瓶的應(yīng)用于則始于90年代初，迄今的應(yīng)用量近5萬只，其中Lincoln公司的復(fù)合材料氣瓶用量超過1．3萬只，用戶超過150個，目前已經(jīng)得到15個國家完全認(rèn)證或有條件認(rèn)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(fù)合材料氣瓶主要有兩個方面的應(yīng)用；首先是應(yīng)用于各類雙燃料汽車，其次是應(yīng)用于中學(xué)生公共汽車、運輸客車、機(jī)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(fù)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(yīng)用于輕型貨車和中型運輸車。
??????? 采用Linc01n公司的復(fù)合材料容器的制造廠包括：NeW Flyer，Metrotrans，Eidofado，Northrop Grum-man，Champion和Norican Transit。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(yīng)用復(fù)合材料氣瓶時，正確的安裝方法非常重要，否則可能會導(dǎo)致災(zāi)難性的事故。例如：如果安裝方法不當(dāng)，不僅會導(dǎo)致容器與載貨車分離，也可能使天然氣釋放到封閉區(qū)內(nèi)，同時也會由于汽車上其它構(gòu)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(shè)計氣瓶的安裝支架和準(zhǔn)確計算支架的承載要求亦十分重要。氣瓶的安裝支架應(yīng)該依據(jù)氣瓶制造者提出的要求和提供的指南及應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)如：NFPAS2和CGA B149．4在載貨車和公共汽車上進(jìn)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(yīng)該由容器制造者標(biāo)定，并符合NFPAS2和CGAB149．4標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(yīng)使氣瓶、支架、導(dǎo)管和其它有關(guān)構(gòu)件，其處在載貨車、汽車發(fā)生撞擊時和道路砂石沖擊所產(chǎn)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(yīng)采用屏蔽設(shè)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(fù)合材料氣瓶已經(jīng)過廣泛的設(shè)計和資質(zhì)認(rèn)證試驗；現(xiàn)場的使用試驗結(jié)果也已證實；這種容器設(shè)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(fù)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(rèn)和接受，在許多領(lǐng)域內(nèi)市場正在迅速增加，特別是在各類公共汽車上的應(yīng)用，分外受到人們的重視和歡迎。
??????? 六、CNGV氣瓶的失效與預(yù)防
??????? 產(chǎn)品喪失其規(guī)定功能的現(xiàn)象稱為失效，通常機(jī)械產(chǎn)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(jù)者；失去安全工作能力者。CNGV氣瓶是一種特殊的機(jī)械產(chǎn)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(nèi)，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(intermittent leak)－－與氣瓶反復(fù)充、放氣相關(guān)的壓力循環(huán)使疲勞裂紋長大通過氣瓶側(cè)壁。只有當(dāng)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(zhì)氣瓶所產(chǎn)生的漏氣就是例子。
??????? 連續(xù)漏氣(continuous leEtk)－－一種貫穿氣瓶壁的裂紋產(chǎn)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(jù)透入臺量的大小，在一個封閉區(qū)域內(nèi)的天然氣氣量的積聚就會比較明顯。塑料內(nèi)襯氣瓶的塑料內(nèi)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(nèi)燃?xì)夥e聚也迅速出現(xiàn)，在全金屬氣瓶口一個大的疲勞裂紋穿透側(cè)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(gòu)件出現(xiàn)物理損傷，當(dāng)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(fragmentation rupture)--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(zāi)。1993年在美國發(fā)生的機(jī)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(yán)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(xiàn)的。此時氣瓶內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)體系，在制造中采用的非破壞和質(zhì)量控制，以及合理的壓力釋放裝置(PRD)的應(yīng)用，其鋼瓶在國外的失效幾率已大大地下降，但在國內(nèi)，由于熱處理質(zhì)量、旋壓收口質(zhì)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(yuǎn)較國外為高。近年來，國內(nèi)對氣瓶性能、材料與熱處理工藝研究所取得的進(jìn)展和成果，己將鋼瓶的內(nèi)在質(zhì)量提高到一個新的水平，鋼瓶的可靠性已經(jīng)大大提高，基本滿足了使用要求。
??????? 復(fù)合材料纏繞的氣瓶破裂，主要是由于外部的機(jī)械損傷引起；這可以通過正確的選材，復(fù)合材料層的防護(hù)，合理的安裝方法，嚴(yán)格的工藝方法以改進(jìn)塑料內(nèi)襯的漏氣，以及目測檢驗而改進(jìn)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(zhì)量差，加之疲勞、應(yīng)力腐蝕、和/或氫脆而使氣瓶出現(xiàn)碎片狀破裂。
??????? 3)氣瓶表面預(yù)先存在有裂縫或分層，在使用中反復(fù)充、放氣產(chǎn)生疲勞，使裂縫疲勞擴(kuò)展穿透氣瓶側(cè)壁而使氣瓶產(chǎn)生破裂。
??????? 上述問題通過氣瓶生產(chǎn)廠的嚴(yán)格的質(zhì)量管理體系，對每個生產(chǎn)的氣瓶都進(jìn)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(nèi)襯復(fù)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(nèi)襯環(huán)向纏繞的復(fù)合材料氣瓶，由于預(yù)先存在玻纖復(fù)合材料層的嚴(yán)重的機(jī)械損傷，致使金屬內(nèi)襯得不到復(fù)合材料層的支撐，加之氣瓶過壓而導(dǎo)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(fù)合材料增強(qiáng)的鋁內(nèi)襯氣瓶，其復(fù)合材料部分己嚴(yán)重破壞，且氣瓶在慢速充氣中產(chǎn)生過壓，使氣瓶發(fā)生破裂。
??????? 3)復(fù)合材料層由于環(huán)境因素發(fā)生損傷，使復(fù)合材料層失去承壓能力，而導(dǎo)致玻纖全纏繞的氣瓶發(fā)生破裂。不正確的安裝會產(chǎn)生玻纖層的機(jī)械誘發(fā)損傷，環(huán)境因素會引起應(yīng)力腐蝕斷裂，尤其是環(huán)向增強(qiáng)的復(fù)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(hù)涂層，可以避免或減少這類失效。
??????? 復(fù)合材料全纏繞的塑料內(nèi)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(nèi)襯中預(yù)先存在裂縫，這種裂縫可能產(chǎn)生于塑料內(nèi)襯的熔焊工藝不當(dāng)，也可能產(chǎn)生于塑料內(nèi)襯和端部金屬瓶口的組合工藝不良。當(dāng)在較低的環(huán)境溫度下，快速充氣之后，氣瓶產(chǎn)生瞬間負(fù)壓，導(dǎo)致塑料內(nèi)襯起皺和開裂。
??????? 2)塑料內(nèi)襯全纏繞碳纖的氣瓶，在運輸、安裝、使用中出現(xiàn)的沖擊損傷，也可能會導(dǎo)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(jié)構(gòu)設(shè)計，正確地制定和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，實行嚴(yán)格的質(zhì)量管理和工藝過程以及質(zhì)量認(rèn)證試驗，認(rèn)真執(zhí)行運輸、安裝、使用要求是預(yù)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)；然而，在一些例外情況下，如火燒、碰撞以及嚴(yán)重的安裝使用不當(dāng)，某些氣瓶設(shè)計可能會表現(xiàn)出更為優(yōu)良的性能?？偨Y(jié)了各種NGV使用條件下，各類氣瓶可能出現(xiàn)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(yán)格的NGV標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的使用條件下可能出現(xiàn)的一些現(xiàn)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(nèi)襯在制造中沒有正確進(jìn)行非破壞檢驗而在使用中要承受疲勞應(yīng)力、發(fā)生開裂，這種情況：對于類型1的全鋁合金內(nèi)襯所產(chǎn)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(shè)計的氣瓶，內(nèi)襯的開裂將可能發(fā)生“間斷漏氣”，并且由于全纏繞復(fù)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(nèi)襯氣瓶只可能出現(xiàn)疲勞開裂，因為這一設(shè)計對塑料內(nèi)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(qiáng)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(shè)計中在氣瓶的肩部采用了吸能材料，這種特殊設(shè)計可以降低搬運和載貨車撞擊時的沖擊部位的設(shè)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(shè)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(guān)于相對危險的這些數(shù)據(jù)并不完全表明氣瓶是安全或者不安全的，當(dāng)使用者定制氣瓶時，除了考慮價格之外，還應(yīng)考慮其相對危險的水平，并且將這些多重危險因素考慮到整個載貨車設(shè)計中去。雖然在相對危險的評價結(jié)果和所料測的失效率之間并沒有必然的直接聯(lián)系，但經(jīng)驗數(shù)據(jù)也表明：實際所統(tǒng)計的歷年的失效率和相對危險的評價結(jié)果之間有一個總體的對應(yīng)。
??????? 破裂率是氣瓶的破裂數(shù)和正在使用的氣瓶總數(shù)之比，這一值可進(jìn)一步考慮到每個氣瓶的總的使用年數(shù)而重新定義，一般來說氣瓶的類型1和類型2比類型3和類型4有更長的使用周期，基于使用性能、材料性能中數(shù)據(jù)，在GNV氣瓶設(shè)計尚存在嚴(yán)重不規(guī)范的條件下，按可靠性降低順序排列如下：
??????? 1)全金屬氣瓶：①鋼質(zhì)氣瓶；②鋁質(zhì)氣瓶。
??????? 2)環(huán)向纏繞氣瓶：①鋼內(nèi)襯碳纖維環(huán)向纏繞氣瓶；②鋁內(nèi)襯碳纖維環(huán)向纏繞氣瓶；②鋼內(nèi)襯玻纖環(huán)向纏繞氣瓶；④鋁內(nèi)襯玻纖環(huán)向纏繞氣瓶。
??????? 3)碳纖維整體纏繞氣瓶：①鋁內(nèi)襯碳纖維整體纏繞氣瓶；②塑料內(nèi)襯碳纖維和玻纖混合纏繞氣瓶；②塑料內(nèi)襯碳纖維整體纏繞氣瓶。
??????? 4)玻纖整體纏繞氣瓶：①鋁內(nèi)襯玻纖整體纏繞氣瓶；②塑料內(nèi)襯玻纖整體纏繞氣瓶。
??????? 八、總結(jié)
??????? 1)尋求新的汽車能源。降低汽車排放污染是燃?xì)馄嚢l(fā)展的動力。中國某些地區(qū)貧泊富氣，發(fā)展燃?xì)馄囈咽莿菰诒匦?，而燃?xì)馄嚨陌l(fā)展還可帶動氣站壓縮機(jī)、氣瓶、供氣系統(tǒng)和改裝汽車等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此我國目前十分重視燃?xì)馄嚨陌l(fā)展。
??????? 2)燃?xì)馄嚨陌l(fā)展的重要部件是儲存燃料的氣瓶。這類氣瓶屬高壓容器，制造用材、工藝與技術(shù)均要求十分嚴(yán)格，以保證其使用的安全性和可靠性。
??????? 3)燃?xì)馄嚨膬馄靠煞譃槿饘贇馄俊⒔饘賰?nèi)襯環(huán)向復(fù)合材料增強(qiáng)氣瓶、金屬內(nèi)襯整體復(fù)合材料增強(qiáng)氣瓶和塑料內(nèi)襯整體復(fù)合材料增強(qiáng)氣瓶。其增強(qiáng)纖維可分為玻纖，以及玻纖和碳纖混合纖維。每種氣瓶都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求(如美國的NGV2一l、2、3、4等)。我國目前只有鋼質(zhì)氣瓶生產(chǎn)，相應(yīng)的只有鋼質(zhì)氣瓶標(biāo)準(zhǔn)；輕質(zhì)復(fù)合材料氣瓶正在研制和開發(fā)中，不久即可批量生產(chǎn)和供應(yīng)市場。
??????? 4)輕質(zhì)復(fù)合材料氣瓶的開發(fā)與生產(chǎn)屬高新技術(shù)，這類氣瓶是融各類內(nèi)襯的密封性和復(fù)合材料的可設(shè)計性、高強(qiáng)度、輕重量的特點為一體，大幅度減輕了氣瓶重量，又保證承壓能力以及使用期間的疲勞壽命。國際上只有少數(shù)工業(yè)發(fā)達(dá)國家才具有研究開發(fā)生產(chǎn)能力。這類輕質(zhì)復(fù)合材料氣瓶不僅用于燃?xì)馄嚨娜剂先萜?，而且還廣泛用于消防，以及宇航、井下作業(yè)人員的呼吸器，市場應(yīng)用前景十分廣闊。
??????? 5)氣瓶的失效模式為間斷漏氣、連續(xù)漏氣、斷裂和破裂開口以及碎片狀破裂5種；為保證氣瓶使用中的安全性，一系列的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定氣瓶失效時不允許山現(xiàn)脆性斷裂，而應(yīng)采用在破裂前泄漏的失效模式即leak before rupture(簡稱：LBR)。
??????? 6)燃?xì)馄嚉馄康陌踩宰愿呦虻偷呐判驗椋喝饘贇馄?；金屬?nèi)襯環(huán)向復(fù)合材料增強(qiáng)氣瓶；金屬內(nèi)襯整體復(fù)合材料增強(qiáng)氣瓶，其碳纖維增強(qiáng)氣瓶優(yōu)于玻纖和芳綸纖維增強(qiáng)氣瓶，但價格高于玻纖增強(qiáng)氣瓶。
??????? 7)已進(jìn)行的廣泛的使用試驗的統(tǒng)計續(xù)果表明：只要合理地選擇氣瓶制造材料，采用優(yōu)良的結(jié)構(gòu)設(shè)討，正確地制定和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，實行嚴(yán)格的質(zhì)量管理和工藝控制過程以及質(zhì)量認(rèn)證試驗，認(rèn)真執(zhí)行運輸、安裝、檢驗、使用要求，燃?xì)馄嚨臍馄渴鞘职踩摹?br /> ??????? 8)目前生產(chǎn)的各類氣瓶，都是經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量認(rèn)證的，究競選用哪種氣瓶取決于使用者對氣瓶的價格、重量和使用的車型與條件的要求。(end)
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