天然气汽车气瓶现状及其安全可靠性

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