車用液化天然氣氣瓶閥門的安全性比較探析

李峰 董娟

摘要：液化天然氣汽車符合國家綠色節(jié)能與推進(jìn)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展兩大戰(zhàn)略的總體要求，是我國推進(jìn)國家綠色可持續(xù)發(fā)展兩大戰(zhàn)略的延伸，車用液化天然氣氣瓶閥門是車用液化天然氣氣瓶的重要組成，有必要對其安全性進(jìn)行深入探析。

Abstract： Liquefied Natural Gas meets the requirements of the National Strategies for Green Energy Conservation and the promotion of the development of the new energy automobile industry， and is an extension of our national strategies for the promotion of green and sustainable development， the valve is an important part and it is necessary to analyze its safety.

關(guān)鍵詞：汽車;液化天然氣瓶;閥門;安全

Key words： vehicle;liquefied natural gas;valve;safety

中圖分類號：U472.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0160-02

0? 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，汽車持有量的急劇增加在給人們帶來了極大便利的同時(shí)，由于其消耗大量的石油資源、排出大量的有害氣體，對人類的生存環(huán)境造成較大的危害，成為環(huán)境的主要污染源。為解決這一問題，人們一直在尋求改變能源結(jié)構(gòu)、采用低污染的汽車代用燃料的途徑。

天然氣汽車因其良好的排放特性及豐富的燃料儲(chǔ)量而成為各種代用燃料汽車的首選。按照天然氣的化學(xué)成分和形態(tài)，天然氣汽車可分為壓縮天然氣和液化天然氣汽車兩種。液化天然氣，采用低溫液態(tài)、常壓存儲(chǔ)運(yùn)輸，所攜帶的有效燃料將比壓縮天然氣汽車高出2～3倍，可減少燃料系統(tǒng)的尺寸及質(zhì)量，增大車輛有效載荷及一次加氣后的續(xù)駛里程。LNG汽車受到行業(yè)的關(guān)注，主要是因?yàn)橐夯烊粴馄嚲哂心芰棵芏却?、運(yùn)輸方便、甲烷含量高，比壓縮天然氣更純凈、安全性能好、冷能可回收利用等幾大優(yōu)勢。

液化天然氣不但適用于城市公交車，也適用于大型貨運(yùn)車輛和城際大巴，尤其是長途車輛，液化天然氣代表著天然氣汽車發(fā)展的主流方向。近年來，隨著環(huán)保政策的大力推行，使用清潔燃料的天然氣汽車增加了許多。

但液化天然氣閥門在使用過程中同時(shí)包含耐壓（4MPa）與低溫（-162℃）兩種工況，如對其操作不當(dāng)，可能導(dǎo)致燃料泄漏、車禍甚至爆炸的事故。所以液化天然氣瓶閥門是非常重要的安全部件之一。

為保證液化天然氣氣瓶閥在氣瓶鑒定的周期內(nèi)能夠安全可靠的實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)功能，需要從設(shè)計(jì)制造、使用環(huán)境、安裝及操作使用三個(gè)方面考慮其安全性。

1? 設(shè)計(jì)制造

1.1 外形設(shè)計(jì)

液化天然氣氣瓶閥門使用的系統(tǒng)可大致分為氣瓶、管道和閥門三部分，其中氣瓶內(nèi)膽與外殼之間為真空層，且填充了良好的絕熱材料、管道外也纏繞有絕熱材料，而閥門由于外形復(fù)雜，同時(shí)需要人工操作，無法進(jìn)行絕熱處理，其在整個(gè)系統(tǒng)中會(huì)成為明顯的熱源，氣瓶內(nèi)熱量的損失不僅將使氣瓶內(nèi)的液態(tài)天然氣氣化后由安全閥排放至大氣，造成燃料的浪費(fèi)，如果熱損失的速率過快可能造成氣瓶內(nèi)壓力急劇升高，存在氣瓶破裂的隱患。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)通過盡量減小閥門體積的方法來減小系統(tǒng)的熱損失。

氣瓶瓶體與管道均為管狀結(jié)構(gòu)，在氣瓶內(nèi)的低溫與環(huán)境的高溫交變作用下，其各部分的變形均勻一致。閥門由于要實(shí)現(xiàn)開閉功能，形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在結(jié)構(gòu)的突變，這種結(jié)構(gòu)上的突變在因溫度變化而變形時(shí)，可能在閥門材料內(nèi)產(chǎn)生巨大的內(nèi)應(yīng)力，造成閥門因強(qiáng)度或疲勞破裂。閥門在設(shè)計(jì)時(shí)，外形變化處應(yīng)盡量圓滑過渡，同時(shí)在可能出現(xiàn)應(yīng)力破壞處適當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)。

1.2 材料選取

液化天然氣氣瓶內(nèi)介質(zhì)溫度為-162℃，最大耐壓為4MPa，閥門主體使用的金屬材料在與液態(tài)天然氣接觸后出現(xiàn)低溫脆性，造成閥門的強(qiáng)度與壽命降低。同時(shí)理論上能夠使用于低溫的材料，在低溫時(shí)可能發(fā)生相變，造成材料的機(jī)械性能變化。金屬材料組織在低溫下的穩(wěn)定性對于閥門的安全性同樣至關(guān)重要，且容易被忽略。

天然氣雖然經(jīng)過脫硫、脫水處理，但其中可能仍會(huì)殘留一定量的硫化物與水。閥門的金屬材料長期與硫化物接觸，將發(fā)生腐蝕。一方面腐蝕會(huì)減小閥體的壁厚，降低閥體的強(qiáng)度，造成破裂;另一方面腐蝕物會(huì)從金屬基體上脫落，成為系統(tǒng)內(nèi)的雜質(zhì)，影響閥門的運(yùn)動(dòng)與密封。

液化天然氣氣瓶閥門可能選取非金屬材料作為動(dòng)密封與靜密封的材料。非金屬的類型可能為塑料或橡膠。使用塑料密封時(shí)，往往需要將塑料材料壓縮至產(chǎn)生部分塑性變形，相對于金屬材料，塑料更容易發(fā)生蠕變造成泄漏。為防止這種故障，往往需要對塑料材料進(jìn)行改性，在塑料材料內(nèi)填充玻璃纖維或二硫化鉬等物質(zhì)。使用橡膠材料密封時(shí)，橡膠材料只發(fā)生彈性變形，不易發(fā)生變形，但其在高壓條件下的急速泄壓過程中可能發(fā)生撕裂，同時(shí)橡膠材料容易與天然氣或天然氣中所含的雜質(zhì)發(fā)生溶脹，使閥門的使用壽命降低。

2? 使用環(huán)境

2.1 化學(xué)品侵蝕

液化天然氣氣瓶閥門在實(shí)際生產(chǎn)使用或者運(yùn)行過程中，長期遭受強(qiáng)烈寒風(fēng)和強(qiáng)酸雨等有害環(huán)境的侵蝕。環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)會(huì)與閥門直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，腐蝕閥門的外表面，引起閥體斷裂、溶解、松動(dòng)等故障;特別是閥門外形容易積存雨水及環(huán)境異物的位置，長時(shí)間受到化學(xué)腐蝕，將會(huì)造成閥體壁厚大幅度的減薄，引起閥體變形或者凹坑等不良后果。

2.2 大氣侵蝕

液化天然氣氣瓶閥門長期直接暴露在強(qiáng)烈陽光及干燥大氣中，外層及表面將被氧化，直接導(dǎo)致發(fā)生松動(dòng)、斷裂，大大降低閥門的使用強(qiáng)度，影響其安全使用性能。

2.3 外力作用

液化天然氣氣瓶閥門在裝配、使用、搬運(yùn)等運(yùn)輸過程中，由于操作不當(dāng)或者汽車本身可能發(fā)生安全事故等不良影響，會(huì)直接造成閥門受到強(qiáng)烈沖擊、碰撞、磨損、過熱等損傷，導(dǎo)致閥體發(fā)生松動(dòng)、斷裂、等不良后果，大大降低閥門的安全使用性能。

3? 安裝操作

3.1 安裝不規(guī)范

閥門與管路使用螺紋連接時(shí)，為保證連接處的密封效果，裝配人員往往使用過大的擰緊力矩，當(dāng)閥門通入低溫介質(zhì)材料收縮變形，進(jìn)一步加大了螺紋的受力，造成螺紋材料松弛甚至斷裂。

3.2 私自改裝燃?xì)庠O(shè)備

目前，隨著國內(nèi)汽油、柴油產(chǎn)品價(jià)格的不斷提高，燃?xì)馀c天然氣的使用成本水平差異已經(jīng)比較明顯。有些單位或者為節(jié)約燃料成本，在燃油動(dòng)力系統(tǒng)上增裝燃?xì)庠O(shè)備。由于改裝廠家的不規(guī)范操作，改裝用的很多是幾年前淘汰的天然氣閥門，甚至將報(bào)廢車輛上的燃?xì)鈱Ｓ瞄y門重新安裝使用，必然為閥門的使用埋下諸多安全隱患。

3.3 加氣站安全措施不到位

目前，有些單位自有加氣站仍存在人員安全意識淡薄、生產(chǎn)責(zé)任管理制度不健全、操作規(guī)范落實(shí)不力等諸多突出安全問題。大型車輛振動(dòng)碰撞產(chǎn)生火花等多種原因均易引起爆炸事故。

4? 改進(jìn)措施

4.1 設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

關(guān)于車載液化天然氣氣瓶閥門，我國有較為完善的國家標(biāo)準(zhǔn)，必須依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在閥門壓力下的極限作用范圍下（根據(jù)整體載荷、位移的有限邊界應(yīng)力條件圖以及其中含有限元素的網(wǎng)格流程圖，用整體應(yīng)力模型分析的數(shù)學(xué)方法，計(jì)算閥門在爆破壓力、工作試驗(yàn)壓力、水壓試驗(yàn)工作壓力和重新設(shè)計(jì)最小爆破試驗(yàn)壓力下，閥門和金屬內(nèi)膽封頭中的整體應(yīng)力，根據(jù)整體應(yīng)力模型分析，確定最小可優(yōu)化的整體結(jié)構(gòu)。同時(shí)，計(jì)算閥門在公稱水壓試驗(yàn)工作壓力下的安全泄漏排放量，正確選擇安全泄漏排放裝置。

4.2 安裝環(huán)節(jié)

車載液化天然氣氣瓶閥門通入的介質(zhì)為低溫液態(tài)，安裝時(shí)應(yīng)嚴(yán)格保證閥門要求的安裝方向，防止低溫液態(tài)介質(zhì)在閥體內(nèi)形成氣穴。閥門不宜突出瓶體過多，防止周轉(zhuǎn)使用過程中造成磕碰。螺紋連接的擰緊力矩嚴(yán)格按照技術(shù)要求執(zhí)行。

4.3 加強(qiáng)材料質(zhì)量檢驗(yàn)

閥門作為一個(gè)承壓元件，強(qiáng)度是最基本與關(guān)鍵的一個(gè)指標(biāo)。影響閥門可靠性和使用時(shí)間長短的重要指標(biāo)就是材料的質(zhì)量。車載液化天然氣氣瓶閥門的承壓部件均需要鍛造成型，如果制造的質(zhì)量得不到保證，就會(huì)影響到閥門的可靠性和壽命。我國與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)大多時(shí)候都很低，為了確保材料可以在嚴(yán)峻的狀況下工作、作業(yè)，就需要在標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)置多種選擇性附加檢驗(yàn)項(xiàng)目（比如材質(zhì)成分分析、材質(zhì)力學(xué)性能、材質(zhì)硬度等），閥門的殼體檢測要對閥體和閥蓋等全部的閥門外殼實(shí)施檢測，其是為了可以探究出閥體和閥蓋之間的致密性以及位于連接區(qū)域的質(zhì)量綜合效果檢驗(yàn)。每個(gè)閥門在生產(chǎn)后都需要展開殼體檢驗(yàn)，在檢查前，不能夠?qū)﹂y門噴涂油漆或者其他防滲漏的涂層。設(shè)計(jì)工作者要按照使用條件來挑選這些材料，若要求不符，就會(huì)浪費(fèi)很多投資。

5? 結(jié)束語

列舉了目前車用液化天然氣氣瓶閥門生產(chǎn)制造時(shí)常見的一些安全問題及其對車用液化天然氣氣瓶閥門安全生產(chǎn)質(zhì)量發(fā)展帶來的主要影響，涉及到的環(huán)節(jié)種類較多，如產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝、材料、熱處理、檢驗(yàn)與安全試驗(yàn)。

一般來說，車用液化天然氣氣瓶閥門設(shè)計(jì)制造數(shù)量大、工序多、加工過程難度較大，且連續(xù)性強(qiáng)，每一個(gè)加工環(huán)節(jié)一旦出現(xiàn)質(zhì)量偏差均會(huì)對下一道工序乃至閥門最終加工質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響，因此在兩個(gè)關(guān)鍵方面必須引起高度重視：對于各制造單位而言，應(yīng)充分認(rèn)識到建立質(zhì)量安全保證體系的重要性，不斷提高質(zhì)量保證體系生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)水平，加強(qiáng)技術(shù)人員管理能力，更新生產(chǎn)設(shè)備，改進(jìn)操作方法;車用液化天然氣氣瓶閥門制造監(jiān)督質(zhì)量檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)及相關(guān)監(jiān)檢工作人員，需仔細(xì)研讀當(dāng)前相關(guān)質(zhì)量規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，深入現(xiàn)場，及時(shí)掌握獲取第一手質(zhì)量信息，才能準(zhǔn)確深刻把握當(dāng)前車用天然氣氣瓶閥門設(shè)計(jì)制造的全過程以及質(zhì)量安全保證體系實(shí)際運(yùn)行過程存在的問題，有針對性的采取措施，同時(shí)需充分發(fā)揮第三方質(zhì)量檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)的監(jiān)督作用，保證監(jiān)檢工作質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]張紅星，江華生.車用壓縮天然氣閥門的研究概況[J].石油和化工設(shè)備，2011，14（10）：5-8.

[2]許久勝.車用壓縮天然氣鋼瓶內(nèi)膽縱向溝槽產(chǎn)生原因及對策[J].石油和化工設(shè)備，2013，16（5）：66-67.

[3]張應(yīng)祿.車用天然氣繼繞閥門安全分析[J].天然氣工業(yè)，2009，29（4）：102-104.

[4]孫脈梅，黃貞益.3C-Mo鋼質(zhì)無縫閥門的熱處理工藝研究[J].機(jī)械工程師，2009（8）：37-38.

[5]盧軍，王雄，栗麗.淺談車用壓縮天然氣氣瓶的安全使用[J].內(nèi)蒙古石油化工，2016，42（05）：75-76.

[6]高潤澤，陽冬波.液化天然氣（LNG）汽車日常檢查方法及維護(hù)技術(shù)綜述[J].交通節(jié)能與環(huán)保，2015，10（25）：17-25.

[7]顧國安，等.液化天然氣技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[8]高云.車用液化天然氣氣瓶自增壓裝置的設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].低溫與超導(dǎo)，2015，43（9）：32-36.