提高CNGV系統(tǒng)壓力可行性與必要性

崔聞天 宋志江 武常生 楊利芬

摘要 我國從1989年3月開始批量推廣天然氣汽車以來，至今已有29個(gè)年頭。我國CNGV的工作壓力一直沿用20MPa，導(dǎo)致長期以來我國CNGV運(yùn)行效率較低，若將其工作壓力從20MPa提升至25MPa，則續(xù)行里程可增加近20%。目前，我國的CNG氣瓶無論是在設(shè)計(jì)、制造工藝、試驗(yàn)及檢測手段上，還是在氣瓶材料品質(zhì)上都有了顯著提高，完全具備制造25MPa、30MPa乃至更高工作壓力氣瓶的能力。為提升CNGV的效率，應(yīng)當(dāng)隨著技術(shù)進(jìn)步，及時(shí)適當(dāng)提高CNG汽車的工作壓力限值標(biāo)準(zhǔn)。

【關(guān)鍵詞】天然氣汽車 壓力提升 可行性 必要性

1931年意大利在世界上率先生產(chǎn)出天然氣汽車以來，至今已有87年;我國在1989年開始推廣生產(chǎn)使用天然氣汽車，至今已達(dá)29年。在天然氣汽車發(fā)展的近百年歷史中，天然氣汽車的工作壓力一直20MPa，近年來北美和東南亞不少國家已經(jīng)在使用工作壓力25MPa的氣瓶。而我國CNGV的工作壓力一直沿用20MPa，導(dǎo)致長期以來我國CNGV運(yùn)行效率較低，若將其工作壓力從20MPa提升至25MPa，則續(xù)行里程可增加近20%。目前，我國的CNG氣瓶的制造水平和氣瓶材料品質(zhì)都有了顯著提高，完全具備制造25MPa、30MPa乃至更高工作壓力氣瓶的能力。為順應(yīng)天然氣行業(yè)發(fā)展，提升CNGV的運(yùn)行效率，必要時(shí)可以適當(dāng)提高CNGV系統(tǒng)的工作壓力。

1 天然氣汽車發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢

在全球應(yīng)對氣候變化和我國治理大氣污染的雙重壓力下，天然氣汽車在環(huán)保上有顯著優(yōu)勢。與汽油和柴油相比，天然氣單位熱值更高，且燃燒產(chǎn)物主要為水和二氧化碳，幾乎不含硫化物、氮氧化物和鉛，對大氣環(huán)境的污染（霧霾和溫室氣體）都更小。從經(jīng)濟(jì)上來說，由于天然氣價(jià)格比原油低，天然氣相對于汽柴油具有明顯的比較優(yōu)勢。低油價(jià)背景下，天然氣作為交通燃料在運(yùn)營費(fèi)用上仍低于汽柴油。相對于電動(dòng)汽車等其他新能源汽車，天然氣汽車在整車技術(shù)成熟度、續(xù)航里程、安全性、冷啟動(dòng)等方面表現(xiàn)更加出色。

2017年我國天然氣汽車保有量已逾600萬輛，其中壓縮天然氣（CNG）汽車573萬輛;加氣站8400座，其中CNG加氣站5300座;均位居世界第一位。但要從天然氣汽車大國提升為天然氣汽車強(qiáng)國，就需要大力推進(jìn)天然氣汽車的技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新。在全世界天然氣汽車保有量中，平均每4輛中就有1輛在中國，中國己成為全世界天然氣汽車保有量的第一大國。天然氣汽車近幾年的崛起絕非偶然，它崛起的背后有環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等多重因素的共同推動(dòng)。如圖1所示。

2 提高CNGV系統(tǒng)壓力限值的可行性

2.1 提高CNGV系統(tǒng)壓力限值可行性的法律依據(jù)

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)依其優(yōu)良的尾氣排放性得到了汽車行業(yè)的公認(rèn)，長期以來困擾裝備天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)汽車的問題是續(xù)駛里程，由于天然氣是氣體，能量密度低，相對于液體燃料汽車攜帶的燃料少，續(xù)駛里程較短，采用壓縮天然氣后，汽車的續(xù)駛里程有了很大延長，若進(jìn)一步提高壓縮天然氣的壓力，可以使汽車的續(xù)駛里程再增加，目前GB17258-2011《汽車用壓縮天然氣鋼瓶》中規(guī)定此類產(chǎn)品的公稱工作壓力為20MPa（表壓），考慮到國內(nèi)加氣站的加氣能力，確定車用氣瓶的公稱工作壓力為20MPa，若將壓力提高到25MPa后，可將續(xù)駛里程提高25%左右。國家氣瓶標(biāo)委2009年頒布的GB24160-2009《車用壓縮天然氣鋼制內(nèi)膽環(huán)向纏繞氣瓶》該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定適用于設(shè)計(jì)、制造公稱工作壓力為20MPa或25MPa的纏繞氣瓶，國際IS011439《車用壓縮天然氣高壓氣瓶》關(guān)于“車用壓縮天然氣（NGV）燃料容器的基本要求”相同，車用氣瓶工作壓力為25MPa，2017年已經(jīng)頒布實(shí)施的GB/T33145-2016《大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶》（站用氣瓶和運(yùn)氣車氣瓶）已將壓力限值提高到30Mpa，2018年7月1日即將實(shí)施的GB/T 35544-2017《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》己將儲(chǔ)氫瓶壓力提高到70MPa，這些標(biāo)準(zhǔn)都為提高CNGV系統(tǒng)壓力限值的可行性提供了法律依據(jù)。

2.2 提高CNGV系統(tǒng)壓力限值在材質(zhì)選取的可行性

在材料的選用上，目前國內(nèi)車用氣瓶材料限定采用優(yōu)質(zhì)鉻鉬鋼，并對其化學(xué)成份進(jìn)行了規(guī)定，特別是對硫、磷含量進(jìn)行了更加嚴(yán)格的限制。并對此材料調(diào)質(zhì)熱處理后的力學(xué)性能進(jìn)行了強(qiáng)制性的規(guī)定。目前國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB24160-2009、GB17258-2011關(guān)于材料的化學(xué)成分S、P含量規(guī)定相同，即S≤0.020%、P≤0.020%，且規(guī)定材料的鋼瓶材料的實(shí)測抗拉強(qiáng)度不宜大于880 MPa，如果設(shè)計(jì)上規(guī)定抗拉強(qiáng)度上限大于880MPa，氣瓶制造企業(yè)應(yīng)對氣瓶進(jìn)行硫化物應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，得到氣瓶設(shè)計(jì)鑒定機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)后，可適當(dāng)提高材料抗拉強(qiáng)度的上限，但不應(yīng)大于950MPa，規(guī)定對超過抗拉強(qiáng)度950 MPa的鋼，S≤0.010%、P≤0.020%，可見國際標(biāo)準(zhǔn)IS011439只要嚴(yán)格控制S、P含量，氣瓶材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度可以進(jìn)一步提高，抗拉強(qiáng)度提高意味著，氣瓶材質(zhì)可以承受更高的工作壓力。

2.3 提高CNCV系統(tǒng)壓力限值在設(shè)計(jì)上的可行性

在設(shè)計(jì)上，現(xiàn)在的設(shè)計(jì)方法也比原來更加先進(jìn)，可以采用先進(jìn)的有限元應(yīng)力分析設(shè)計(jì)法，建立氣瓶的合理力學(xué)模型，對鋼瓶可以計(jì)算出瓶體的應(yīng)力分布，保證最小設(shè)計(jì)壁厚的合理性;對于纏繞瓶可以通過非線性分析，對纏繞瓶的自緊壓力、自緊后零壓力、工作壓力和最小設(shè)計(jì)爆破壓力下的應(yīng)力分析，確定纏繞層和內(nèi)膽中的應(yīng)力分布。完全可以采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法保證在氣瓶在壓力提高后設(shè)計(jì)上的安全性。

2.4 提高CNGV系統(tǒng)壓力限值在制造工藝上的可行性

在制造工藝上，現(xiàn)在氣瓶制造上普遍采用旋壓收口技術(shù)，瓶體與瓶頭之間過渡圓滑，無結(jié)構(gòu)不連續(xù)情形和皺褶產(chǎn)生，從結(jié)構(gòu)上保證了高壓下應(yīng)力分布的均勻性，避免了因結(jié)構(gòu)不連續(xù)造成的應(yīng)力集中和峰值應(yīng)力，大大提高了氣瓶端部的耐疲勞性能，提高了實(shí)際使用中的安全性，現(xiàn)在的熱處理工藝也比原先更加先進(jìn)，熱處理過程中的爐內(nèi)溫度、爐溫的均勻性，更便于控制，保證了氣瓶經(jīng)熱處理后達(dá)到要求的力學(xué)性能。為檢驗(yàn)氣瓶熱處理后的機(jī)械性能是否滿足標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)的要求將試驗(yàn)環(huán)與鋼瓶同爐進(jìn)行熱處理，同一批鋼瓶帶一個(gè)試驗(yàn)環(huán)，試驗(yàn)環(huán)與其所代表的同批鋼瓶具有相同的公稱直徑和設(shè)計(jì)壁厚、采用同一爐罐號(hào)鋼、同爐熱處理。試驗(yàn)環(huán)兩端封閉以與鋼瓶熱處理狀態(tài)一致。目前國內(nèi)大的氣瓶制造廠在制造國內(nèi)20MPa氣瓶的同時(shí)，也都生產(chǎn)過出口25MPa氣瓶，有了這方面的制造經(jīng)驗(yàn)，制造更高壓力的氣瓶己非技術(shù)難題。

2.5 提高CNGV系統(tǒng)壓力限值在試驗(yàn)及檢測手段上的可行性

在各種試驗(yàn)及檢測手段上，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了基本上相同的試驗(yàn)方法與合格要求，試驗(yàn)方法包括拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、冷彎試驗(yàn)、壓扁試驗(yàn)、硫化物應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)、金相實(shí)驗(yàn)、水壓爆破試驗(yàn)、氣密性試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)、火燒試驗(yàn)纏繞層的力學(xué)性能試驗(yàn)等。鋼瓶兩頭的螺紋加工至所需尺寸后要對鋼瓶進(jìn)行磁粉探傷，檢測瓶身有無裂紋、沙眼等缺陷。瓶身檢測無缺陷后進(jìn)行瓶口磁粉探傷檢測，保證螺紋質(zhì)量，以防使用中螺紋失效造成危害。瓶口螺紋檢測完成后，對瓶口螺紋進(jìn)行防銹處理，超聲波探傷主要是對鋼瓶的壁厚是否均勻進(jìn)行檢測，如果產(chǎn)品的壁厚不均勻，極易產(chǎn)生應(yīng)力集中造成重大的產(chǎn)品質(zhì)量隱患。鋼瓶逐支進(jìn)行100%超聲檢測，瓶體兩端旋壓成型部分進(jìn)行100%磁粉檢測。由上可見只要制造出來更高壓的氣瓶通過這些試驗(yàn)及檢測要求，也完全可以保證在使用過程中的安全性。

3 提高CNGV系統(tǒng)壓力限值的必要性

眾所周知，推廣天然氣汽車對于治理大氣污染、保障國家能源安全、（2017年我國石油對外依存度己逾67%）、增加天然氣的消費(fèi)量在調(diào)整能源結(jié)構(gòu)等方面居功至偉（ 2017年，我國交通用天然氣占比約為15%）。而我國CNGV的保有量又占天然氣汽車保有量的95%左右。但，CNG汽車的能量密度低，續(xù)行里程較短，是其一個(gè)明顯的不足之處。若將其工作壓力從20MPa提升至25MPa，則續(xù)行里程可增加近20%。換言之，出租車和公交車的續(xù)駛里程均可以從200公里增加到約240公里。這將是天然氣汽車行業(yè)一個(gè)大的進(jìn)步。

把長管拖車氣瓶的儲(chǔ)存壓力限值從20MPa提高到25-30MPa，可以提高約20%-36%的天然氣運(yùn)輸量。世界上大多數(shù)地區(qū)都實(shí)施著25MPa壓力限值。換言之，在完成相同運(yùn)輸量的條件下可以節(jié)省20%-36%的長管拖車駕駛員。例如目前全國有一萬輛長管拖車，儲(chǔ)運(yùn)壓力升級(jí)后就可以節(jié)省2000-3600名駕駛員和相同數(shù)量的押車人員。此外，長管拖車的價(jià)格不妨按60萬元人民幣來計(jì)算，則相當(dāng)于節(jié)約了12億元人民幣的購車費(fèi)用。這必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

4 我公司開發(fā)25MPaCNG運(yùn)輸設(shè)備實(shí)例

我公司己按IS011120-2015標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)了出口國際市場了長管拖車與管束式集裝箱等CNG運(yùn)輸設(shè)備，有了設(shè)計(jì)制造這方面的成功經(jīng)驗(yàn)，我公司開發(fā)的產(chǎn)品主體材料采用高強(qiáng)度鋼管，抗拉強(qiáng)度達(dá)到970MPa以上，在公稱工作壓力25MPa下，由于材質(zhì)強(qiáng)度提高，壁厚更薄，同時(shí)，規(guī)定相應(yīng)的主體材料化學(xué)成分及熱處理后的機(jī)械性能，確定硬度檢測、水壓試驗(yàn)、超聲檢測等相應(yīng)要求。由于天然氣屬于脆性氣體，我公司對試樣瓶進(jìn)行了抗氫脆性能檢測以及抗SSC性能檢測。為進(jìn)一步保證本大容積高強(qiáng)度輕量化氣瓶的安全使用，我公司在標(biāo)準(zhǔn)所要求的抗氫脆性能及抗SSC性能檢測外，補(bǔ)充了爆破試驗(yàn)及疲勞試驗(yàn)。其中爆破試驗(yàn)爆破壓力及破口形狀與尺寸均符合標(biāo)準(zhǔn)要求;疲勞試驗(yàn)加壓循環(huán)至15000次的過程中瓶體無泄漏和損壞，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行批量生產(chǎn)，出口的產(chǎn)品得到了用戶廣泛好評(píng)。

5 結(jié)束語

展望未來，天然氣作為一種清潔能源，在中國前景光明，天然氣配套的一系列行業(yè)也必將得到快速發(fā)展，提高CNGV系統(tǒng)壓力也符合國際潮流，且提高CNGV系統(tǒng)壓力無論是在設(shè)計(jì)上、制造上、還是安全性上都不是問題，提高CNGV系統(tǒng)壓力可以提高天然氣汽車?yán)m(xù)航里程，增加CNG運(yùn)輸設(shè)備的容重比，必將給天然氣行業(yè)帶來一系列的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。

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