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燃氣汽車系統安全性研究

  
評論: 更新日期:2014年07月14日


  根據目前掌握的情況來看,國內天然氣汽車其安全隱患主要來自于以下幾個方面:
  1.2.2.1 減壓器:存在有高壓氣室密封不嚴產生漏氣;密封件損壞導致泄漏;膜片損壞導致泄漏;橡膠密封墊變形,損壞導致泄漏;閥芯或閥座的損壞導致泄漏;殼體材料強度不夠,高壓時發(fā)生爆裂;質量低劣在行車中突發(fā)故障,發(fā)生交通事故。
  1.2.2. 混合器:其主要的事故方式是:有的正壓供氣裝置匹配有駐車停止供氣功能的混合器由于膜片的破損,閥芯的損傷,彈簧的損傷,或者說在安裝初期其各調整、配合部位元件調整不合理造成的天然氣在駐車時發(fā)生泄漏,極易發(fā)生火災,或引起人員中毒。
  另外則是因為混合器的工藝技術未達到要求,對汽車行駛工況有影響,有時在突發(fā)故障的影響下導致行車過程中發(fā)生交通事故。
  1.2.2.3 高壓氣瓶包括氣瓶閥:高壓氣瓶漏氣在各個城市均有發(fā)現,應當說這是最大的安全隱患,應當絕對控制。
  1.2.2.4 高壓管路、管路截止閥、電磁閥、壓力表:高壓管路的破損,各類閥門的氣密性不佳,可靠性較差,都有可能造成天然氣的泄漏引起人員中毒或失火,并且,曾發(fā)生過多起因天然氣壓力表不合格引起的壓力表爆炸事件。
  1.2.2.5 發(fā)動機燃油部件的隱患:在國內發(fā)生的多起事故中多因為機械式汽油泵在燃氣時未停止供油,油管破損漏油造成失火,化油器浮子室的浮筒在無油狀態(tài)下的顛簸損傷造成在改用汽油時發(fā)生汽油泄漏導致失火。
  1.3 天然氣汽車推廣應用發(fā)達國家情況:
  雖然國外早期使用天然氣發(fā)生過不少事故,但可以肯定的是這些事故絕大多數都是在沒有對各關鍵零部件進行嚴格的質量控制,對安裝、使用、維護也沒有嚴格要求的情況下發(fā)生的。例如,在前蘇聯利沃夫鐵路局運輸隊有100~120輛壓縮天然氣汽車,但在37年的使用期間卻從未發(fā)生過一起因天然氣裝置而造成的事故。
  以下意大利十年間使用壓縮天然氣的事故數據表明,成熟的天然氣汽車是一種高度安全的汽車。

?

年度
天然氣氣瓶數
天然氣汽車數
爆炸次數
每1000個瓶爆炸率
1974
407,655
104,889
6
0.0147
1975
586,663
170,029
5
0.0085
1976
729,174
210,753
2
0.0027
1977
961,298
229,188
1
0.0013
1978
804,236
253,470
2
0.0024
1979
859,807
275,756
2
0.0023
1980
922,223
304,469
2
0.0021
1981
969,065
324,336
1982
995,626
328,187
1983
1,001,912
342,273

  從以上材料看來人們普遍擔心的氣瓶爆炸事件基本上是可以杜絕的,并且在當今技術日趨完善的條件下,各天然氣普遍的泄漏也逐年降低,來自前蘇聯的數據表明,這種概率已可以讓人們確信,天然氣汽車可以象汽、柴油汽車一樣安全的使用。
 

來自前蘇聯的漏氣概率表

?

部件
每年發(fā)生一次漏氣的概率
天然氣管線
1.75×10-8
加氣管線
4.96×10-7
氣瓶和儀表裝置聯接處
1.1×10-7
系統整體
0.636×10-6

  以上的事實表明天然氣汽車是一種清潔、安全的替代燃料用車,雖然在發(fā)展初期,以及在不嚴格的管理下曾發(fā)生過各種各樣的事故,但其技術已完全成熟其安全性有保障。重點在每一天然氣汽車推廣示范城市在推廣應用中應當加強對系統安全的監(jiān)管。總結歷史的經驗教訓,我們提出以下幾點具體的、系統的并具有可操作性的天然氣汽車系統的安全性技術基礎,及安全性構成要素保障方法、應對策略。
  二、天然氣汽車系統安全性的構成要素
  使用天然氣的汽車,其天然氣的儲存、減壓、配比、控制等是一個有機的整體,為了保障汽車的安全,則需要保證整個系統的可靠性,以及系統的工作環(huán)境的正常,系統的操作正確。因此,簡略地說就是圍繞"預防明火、防止漏氣"來做工作,使得各個參與工作的組成要素都能確保正常的工作。
  根據天然氣汽車的結構和燃氣特點,我們認為其安全性的構成要素、有結構的因素、制造質量的因素、人為的因素,具體說有以下幾個方面:2.1天然氣本身的安全性;2.2氣瓶的安全性;2.3輸氣管道的安全性;2.4減壓器的安全性;2.5混合器的安全性;2.6各類控制和非控制性接頭閥的安全性;2.7發(fā)動機及整車工作環(huán)境的安全性;2.8改裝對原機油路機構影響導致的不安全因素;2.9改裝對原車結構安全性的影響;2.10操作人員的因素。
  2.1 天然氣本身的安全性
  2.1.1 天然氣的不安全因素
  天然氣中含有少量的有毒氣體,泄漏的氣體可能導致人員中毒,尤其是司機的中毒或使其工作狀態(tài)惡化增大交通事故的發(fā)生可能性,另外天然氣的發(fā)火界限寬,使得其在空氣中遇火燃燒的可能性增大。
  2.1.2 天然氣比之汽、柴油的安全優(yōu)點
  天然氣的自燃溫度高達680℃~750℃,遠遠高于汽油的260℃~370℃,柴油的240℃。這一特性決定了當汽車發(fā)生碰撞、翻車等事故時,燃料在容器內激烈震蕩、磨擦、溫度劇升,達到自然點起火爆炸的可能性要比汽、柴油小得多。
  天然氣的著火下限高。天然氣的著火下限體積比為5%,又由于天然氣密度小能迅速向上擴散的特點,使得一般情況下天然氣發(fā)生泄漏時,不能聚積而致著火。因此,其遇明火而燃燒爆炸的可能性比之汽油低。
  2.2 天然氣儲氣瓶的安全性
  來自于天然氣儲氣瓶的危險有兩個方面,一是氣瓶本身是一個高壓容器,由于氣瓶本身的質量不過關,導致氣瓶在高壓狀態(tài)下因外部沖擊或環(huán)境的劇烈變化而發(fā)生自爆。二是儲氣瓶漏氣導致遇火燃燒、爆炸。
  自國內推廣應用天然氣汽車以來,尚未發(fā)生過一例因氣瓶的自爆而發(fā)生的爆炸傷亡事故,而對于氣瓶的泄漏現象則發(fā)生過多起。綜合這些事故的發(fā)生原因,我們認為其密封不良的原因可能是:
  2.2.1 小總成失效
  2.2.2 破壞了正常的工藝規(guī)范
  2.2.3 裝置的制造質量低下
  2.2.4 各總成、密封件、對接面、閥等的結構不完善
  2.2.5 裝置在車上的裝配質量低下
  2.2.6 發(fā)生異常情況(溫度升高、振動和沖擊過大)

  2.3 輸氣管道的安全性
  輸道管道的不安全因素主要來自四個方面:
  2.3.1 高壓輸氣管質量缺陷,其防爆破能力差,使得在高壓狀態(tài)下突發(fā)破裂,造成氣體大量泄漏。
  2.3.2 由于天然氣中的硫分子對管道的腐蝕性,導致管道受損引起泄漏。
  2.3.3 管道在長時間使用后外部磨損導致漏氣。
  2.3.4 低壓管在較高溫的工作環(huán)境下長期工作,局部老化變形、破損導致直接漏氣進人發(fā)動機罩,此種漏氣危險性極大。
  2.4 減壓器安全性
  減壓器作為壓縮天然氣汽車的主要工作部件,其質量的穩(wěn)定可靠與否直接影響到車輛的行駛性能和安全,減壓器的結構較復雜,其泄漏事故也較多,并且在多數減壓器安裝在發(fā)動機罩的情況下,其泄漏的危險性也更大。根據目前掌握的情況來看,減壓器泄漏的情況大致有以下幾個方面:
  2.4.1 減壓器制造質量低下,其出廠初期即密封不嚴存在內泄和外泄情況。
  2.4.2 減壓器材料不合格,在使用中發(fā)生殼體爆裂。
  2.4.3 有的減壓器的可靠工作時間短,其部分易損件破損后導致氣體內泄、功能失常,如膜片損壞,閥芯磨損等情況或者由于氣體的腐蝕而發(fā)生部分銹蝕,或者雜質堆積造成減壓器功能失調影響發(fā)動機正常工作,嚴重時影響車輛安全運行,或引起氣體外泄入發(fā)動機罩引發(fā)火災。
  2.5 混合器的安全性
  目前各地區(qū)使用單一天然氣燃料的汽車基本上沒有,多數汽車都是采用在原機化油器上加裝一個天然氣與空氣混合器的方法來進行燃氣的配比和流量的控制,這種改裝本身只是一種權宜之計,其原機化油器與混合器的配合則成了一個重要課題。從目前我國采用的混合器的類型來看,有兩種情況,一種是配合負壓供氣減壓器的文丘里式喉管混合器,由于此種混合器結構簡單因而應用較廣,但是一旦減壓器工作失常改由正壓供氣或者設計者為了功率的提高采用正壓供氣,在駕駛員疏忽的情況下,則可能造成氣體泄漏進入發(fā)動機罩下,一遇火源則形成火險。另外一種則是配合正壓供氣減壓器的比例調節(jié)式混合器,此種混合器按照其原理,在發(fā)動機不工作時即使其它輸氣機構處于開啟狀態(tài),它也能夠防止天然氣進入發(fā)動機罩。但是我們應當預防的也就是這種混合器的這種功能失效。因此,配合此功能而設計的各參與機構;部件應當有良好的可靠性,否則稍有大意氣體泄漏難免遇火源易引發(fā)火災。
  2.6 各類控制性和非控制性接頭的安全性
  可以說在正常的情況下,最難控制的也正是各個接頭的氣體泄漏情況,尤其在天然氣汽車的最初安裝過程中,各個接頭的氣密性往往要經過多次裝配才能達到要求,并且在天然氣汽車的使用過程中,一些控制性接頭,如各類手動控制閥,電磁閥等等,由于其工作頻繁,容易出現泄漏現象,根據天然氣汽車的安裝布置其接頭安全要素可歸結為:
  充氣嘴——充氣閥——手動高壓截止閥——高壓電磁截止閥——高壓表——以及涉及各機構的卡套接頭。
  2.7 發(fā)動機及整車工作狀態(tài)的環(huán)境安全性
  天然氣系統發(fā)生泄漏并不會一定導致發(fā)生失火或爆炸,火源應當是它的一個必備條件,因此,發(fā)動機或者說整車的運行狀況是一個關鍵環(huán)節(jié)。
  根據車輛的運行和工作條件我們分析火源的產生可能會是以下某一個方面。
  2.7.1 汽車電氣設備高壓部分跳出電火花
  2.7.2 發(fā)動機、電線過熱部分著火
  2.7.3 電氣設備執(zhí)行機構起效時跳出火花
  2.7.4 金屬部件接觸時跳出火花
  2.7.5 跳出靜電火花
  2.7.6 進氣系統中發(fā)動機回火及噴出火焰
  2.7.7 外來火源
  2.8 汽油發(fā)動機經改裝而產生的不利因素
  雖然它也屬于發(fā)動機工作狀態(tài)中的一部分,但是,由于它是引發(fā)國內多起事故的主要原因,故而將它獨列說明。
  燃用汽油的發(fā)動機改用燃油、氣并用的發(fā)動機后,對原來的油路機構有一定的改變,并且,在使用中一些燃油功能件可能會對燃氣狀態(tài)時產生不適應,其主要的影響有以下幾方面。
  2.8.1 在燃用天然氣時需要將油路停止,因此,必須引入一個控制燃油的燃油截止閥,燃油截止閥的可靠性是一個重要因素,并且其安裝位置也直接影響到發(fā)動機工作的性能和安全。
  2.8.2 一般來說在使用油氣兩用的汽車時,要求將原來的機械式汽油泵改成電子油泵,以免機械油泵在燃氣時不停止工作,在非正常狀態(tài)下的長久工作可能造成油路的破損、漏油,遇火源引發(fā)火災。
  2.8.3 此外有一個技術性的因素則是,天然氣與空氣的混合器目前多是裝在原發(fā)動機的化油器上來執(zhí)行,化油器雖然能滿足燃氣的各項功能執(zhí)行,但其本身在無油狀態(tài)下的工作會影響其性能和部件的可靠性,尤其是其浮子室內的浮筒在無油時,在劇烈的顛簸狀態(tài)下極易磨損,一旦用油時其工作失效引發(fā)事故。
  2.9 改裝對原車結構安全性的影響
  對于那些直接在原車生產廠有生產的天然氣汽車,由于其設計合理、制造嚴格,一般不存在因氣瓶的安裝而對車架、車身造成的不安全因素,而現在通過對在用車的改裝來達到改油燃氣的方式,因各自有一套設計方案,并未經嚴格地審查和檢驗,并且在改裝的過程中又有許多因循和方便的地方,甚至有的改裝廠為了追求速度、效益,忽視了一些應當嚴重關注的結構性問題,因而導致對車轎、車架的結構破壞或者影響了車輛的載荷分布,從而影響車輛的行駛、制動、轉彎等對車輛安全極為重要的性能。
  就普通情況而言,其影響主要是氣瓶布置的影響又分為以下幾個方面:
  2.9.1 對車輛前、后橋的影響
  2.9.2 對車架的影響
  2.9.3 對車輛行駛通過性的影響
  2.9.4 對車輛載荷分布的影響
  2.9.5 氣瓶相互間結構和牢固程度涉及的安全因素,
  2.10 操作人員的因素
  天然氣汽車在日常運營中的具體操作是有別于單純的燃油汽車,首先其燃料高達20MPa,具有一定的危險,在充氣過程中應當特別注意。
  其次,要正確使用燃氣汽車,避免不當使用造成的事故。
  再者,要掌握應付天然氣汽車突發(fā)事故的措施。
  三、天然氣汽車系統的質量保證體系
  天然氣汽車系統作為一個由多個零部件構成的協調的工作整體,其質量,正常運行的保證需要以各個零部件質量保證為前提,并且在生產或改裝天然氣汽車的過程中嚴格地保證其質量;不僅如此,對不同的車型其天然氣系統的布置設計方案是否合理,最大限度地保障了系統的安全性,也是作為系統質量保證體系的重要組成部分,除此以外,在使用中如何正確地使用以保證天然氣系統的使用況優(yōu)良也是必不可少的。針對以上情況,我們認為要確保天然氣汽車系統的質量需要從以下幾個方面著手:
  3.1●天然氣汽車用高壓氣瓶的質量保證體系;
  3.2●天然氣汽車用壓縮天然氣減壓器混合器及其它部件質量保證體系;
  3.3●天然氣汽車其天然氣系統的布置設計方案及安裝;
  3.4●天然氣汽車使用、維護質量保證體系;
  3.5●天然氣汽車質量保證的規(guī)范體系。
  3.1 天然氣汽車用高壓氣瓶的質量保證體系
  目前,在天然氣汽車上使用最廣泛的儲存手段仍然是高壓氣瓶(20Mpa),而高壓氣瓶的使用在心理上總讓人認為有潛在的不安全因素,同時,在技術上也有一些復雜的問題需要解決,而事實上,最具潛在危險的高壓氣瓶組并非是天然氣汽車使用中的最不安全部分,多年來的使用證明目前采用的系列的天然氣茼壓氣瓶,氣瓶裝置系統其設計、制造都能滿足汽車安全性的要求,現有規(guī)則也恰恰是從使用安全的角度規(guī)定了氣瓶的材料、結構、試驗及使用技術條件。
  3.1.1 壓縮天然氣氣瓶裝置結構設計的基本原則是基于整個氣瓶車的防火防爆安全性。設計和制造部門要致力于解決防火和防爆兩方面的問題,研制出盡可能安全的部件、聯接和組件結構,同時加裝專門的防護措施,當發(fā)生漏氣或氣密封不良時,能使著火和爆炸的可能性盡量減少。就世界范圍內的經驗表明,只要充分滿足了氣瓶裝置防火、防爆安全性的要求,壓縮天然氣汽車的安全性就得到了保障,并且,理論上可超過液體燃料汽車。

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