蔣嫻文，廉蓉，王華棟

（1.陜西國德電氣制造有限公司，陜西 西安 710075；2.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

測試試驗

大容積車用LNG氣瓶開發(fā)介紹

蔣嫻文1，廉蓉2，王華棟2

（1.陜西國德電氣制造有限公司，陜西 西安 710075；2.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

文章介紹了500L＜V＜1000L大容積車載LNG氣瓶結(jié)構(gòu)原理，分析了大容積車載LNG氣瓶型式試驗要求，提出了應對常見失效模式的解決措施，總結(jié)了大容積車載LNG氣瓶技術(shù)開發(fā)關(guān)鍵要點。

大容積車載LNG氣瓶；型式試驗；失效模式；解決措施

CLC NO.:U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-159-03

前言

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展和汽車保有量的高速增長，正面臨汽車能源需求與環(huán)境保護的雙重巨大壓力。發(fā)展清潔能源汽車已成為降低汽車排放污染和調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的必然選擇，液化天然氣（LNG）是目前全球公認的清潔能源，它具有節(jié)能、環(huán)保、安全、可靠、經(jīng)濟效益突出等眾多優(yōu)點。國內(nèi)汽車用發(fā)動機燃料開始由柴油向天然氣轉(zhuǎn)變，而油箱也轉(zhuǎn)化成一個或多個液化天然氣車載瓶。

LNG車載燃料系統(tǒng)主要由LNG燃料氣瓶、連接管路、汽化裝置、減壓裝置、安全裝置及增壓系統(tǒng)等組成。車載LNG氣瓶是車載燃料系統(tǒng)的核心部件，隨著近幾年我國天然氣汽車的發(fā)展，目前市場上有容積從155L至500L各種規(guī)格氣瓶，但最大單瓶容積為500L，一般多瓶組合供氣系統(tǒng)最常見配置為2×450L，2×500L。隨著近幾年LNG汽車在市場上的推廣使用，目前多瓶LNG供氣系統(tǒng)自重大、成本高、系統(tǒng)操作繁瑣等弊端也逐漸顯露，但在現(xiàn)有的LNG氣瓶規(guī)格下，進行降重、降成本及提升操作性難度較大。在此背景下，國家法規(guī)TSG R0006-2014《氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》對氣瓶公稱容積修改為0.4L～3000L，氣瓶標準委員會針對車用LNG氣瓶規(guī)格最大容積由500L擴充至1000L。可見車載LNG氣瓶向大容積發(fā)展已經(jīng)成為天然氣汽車發(fā)展需求的一種必然趨勢。

大容積車載LNG氣瓶雖然與原來小容積車載LNG氣瓶結(jié)構(gòu)原理相似，由內(nèi)膽、外殼、絕熱結(jié)構(gòu)、支撐系統(tǒng)和剛性組件組成；但大容積氣瓶容積增大，重量更重，長度更長，為保證大容積車載LNG氣瓶使用的安全可靠性，氣瓶標準委員會對大容積氣瓶的安全性能試驗提出了更嚴格的要求。本文簡述了大容積氣瓶安全型式試驗要求，分析了大容積氣瓶常見的失效模式以及應對措施，總結(jié)出大容積氣瓶開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)要點。

1、大容積車載LNG氣瓶結(jié)構(gòu)原理

大容積車載LNG氣瓶，其存儲介質(zhì)為液化天然氣，設(shè)計溫度為-196℃，工作壓力為1.59MPa，公稱容積為500L～1000L，其絕熱方式采用高真空多層纏繞式。大容積車載LNG氣瓶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由氣瓶、框架、拉帶、外置氣化器、閥門及外部管路等零部件組成（詳見圖1），其氣瓶由內(nèi)膽、外殼、絕熱結(jié)構(gòu)、支撐系統(tǒng)和剛性組件組成（詳見圖2）。LNG氣瓶是一個絕熱性能超卓的雙層容器，結(jié)構(gòu)為里面是一個不銹鋼內(nèi)膽，內(nèi)膽通過支承件與外殼連接，用來儲存液化天然氣，能夠承受較大的壓力，內(nèi)部有加注噴淋管、液位傳感器等；內(nèi)膽外面再套一個不銹鋼外殼，稱之為外殼，外殼保護內(nèi)膽并對整個瓶體起支撐作用，具有高強度及良好絕熱性能的支承系統(tǒng)將內(nèi)膽懸掛在外殼之內(nèi)。內(nèi)膽和外殼的夾層之間由絕熱材料和超高真空形成一個絕熱空間，來阻止內(nèi)膽中液化天然氣的蒸發(fā)。

圖1 大容積車載LNG氣瓶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 大容積車載LNG氣瓶結(jié)構(gòu)示意圖

對于大容積LNG車載氣瓶的結(jié)構(gòu)開發(fā)，標準要求最大變化是允許氣瓶設(shè)置自增壓結(jié)構(gòu)。此項規(guī)定的變化，使氣瓶實際結(jié)構(gòu)和型式試驗結(jié)構(gòu)相一致，型式試驗更接近實際使用工況，型式試驗驗證后的氣瓶結(jié)構(gòu)可靠性更高。

2、大容積車載LNG氣瓶型式試驗要求

由于大容積車載LNG氣瓶可以設(shè)置自增壓結(jié)構(gòu)，供氣系統(tǒng)可設(shè)置外部增壓器，所以大容積車載LNG氣瓶型式試驗時，分單瓶結(jié)構(gòu)（僅氣瓶和閥門等組合部件）試驗和整套系統(tǒng)型式試驗，整套系統(tǒng)包括氣瓶和閥門等組合部件、框架、外置增壓器以及管路系統(tǒng)。

大容積車載LNG氣瓶安全性能試驗包括：振動試驗、火燒試驗、3m高度跌落試驗、10m高度跌落試驗。其中振動試驗、火燒試驗，可以整體系統(tǒng)進行的試驗代替氣瓶單獨進行的試驗；10m跌落和3m跌落試驗應對單瓶和整體系統(tǒng)分別進行試驗。

另外大容積氣瓶型式試驗對靜態(tài)蒸發(fā)率、振動試驗、火燒試驗、跌落試驗做出了新的要求，并新增加了反復充裝試驗和維持時間試驗項目。

2.1 靜態(tài)蒸發(fā)率試驗和維持時間試驗

氣瓶標準委員會要求的大容積LNG氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率為≤2.4%/d，由于氣瓶容積增大，實際試驗測得的大容積氣瓶都比500L以下容積氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率低，以目前市場上最普遍的750L氣瓶和500L氣瓶為例測得結(jié)果見表1。氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率和氣瓶維持時間都是衡量氣瓶絕熱性能優(yōu)劣的重要指標，氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率又和氣瓶維持時間是相關(guān)聯(lián)的，大容積氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率低自然維持時間就會更長。影響氣瓶絕熱性能的一個關(guān)鍵因素就是氣瓶支撐結(jié)構(gòu)，氣瓶的前后支撐結(jié)構(gòu)決定了外部向氣瓶內(nèi)膽導熱路徑長短，漏熱量的大小，直接影響著氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率的高低和氣瓶維持時間長短。在大容積LNG氣瓶結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需選擇高強度且具有良好絕熱性能的支承方式。

表1

2.2 振動試驗

車載LNG氣瓶振動試驗是對氣瓶內(nèi)膽與外殼的支撐結(jié)構(gòu)、氣瓶管路系統(tǒng)、外置增壓器及氣瓶安裝框架等附件的支撐強度、焊接強度以及疲勞強度的綜合考量。大容積LNG氣瓶與小于500L氣瓶振動試驗條件最大變化就是振動加速度由3g變?yōu)?g，因此對氣瓶的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了更高的要求。振動試驗最常見的失效模式就是在振動試驗頻率8~40Hz范圍內(nèi)氣瓶頂部檢測點出現(xiàn)波峰點，造成共振破壞。常見的共振破壞失效模式主要有：支撐結(jié)構(gòu)斷裂，外封頭焊縫開裂，夾層增壓管斷裂，外部管路斷裂等。為避免振動試驗共振破壞，必須通過改變設(shè)計結(jié)構(gòu)，盡可能增大氣瓶固有頻率。固有頻率計算公式為：

式中，k為物體的剛度系數(shù)，單位N/m；

m為物體的質(zhì)量，單位kg。

由以上公式可知，若要增大氣瓶系統(tǒng)固有頻率，可以減輕氣瓶系統(tǒng)重量和增大氣瓶整體系統(tǒng)剛性。氣瓶重量主要取決于氣瓶壁厚，而氣瓶壁厚主要由設(shè)計壓力決定，為證氣瓶強度，氣瓶重量很難減輕，只能增強氣瓶內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)和增大框架固定結(jié)構(gòu)剛度。

通過前期試驗針對振動試驗提出以下幾點解決措施：

1) 氣瓶結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需考慮波峰點處振動加速度量級放大效應，氣瓶內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)強度計算需取1.6~2倍的安全系數(shù)；

2)氣瓶框架設(shè)計為整體結(jié)構(gòu)，增加整套系統(tǒng)的剛性；

3)氣瓶框架與振動臺面之間盡可能多設(shè)連接螺栓，以增加整體連接剛性，降低氣瓶頂部振動量級擴大倍數(shù)。

4)在瓶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計時，不能單一的追求氣瓶支撐強度，而忽略了支撐結(jié)構(gòu)的漏熱量，應在氣瓶絕熱性能和強度之間找到一個合適平衡點。

2.3 火燒試驗

火燒試驗的目的是檢驗車載LNG氣瓶在外部高溫環(huán)境下絕熱系統(tǒng)性能的安全可靠性。氣瓶的真空絕熱性能是氣瓶主要質(zhì)量和安全指標，只有氣瓶具有良好的絕熱性能，才可能在火災意外事故時，爭取足夠的救助時間?；馃囼炓彩菍馄吭O(shè)計安全閥型號以及排放性能選取合理性的檢驗。內(nèi)膽應設(shè)置至少兩只安全閥，主、副安全閥入口接管應為獨立通道與內(nèi)膽氣相空間直接連通，每只安全閥的排放能力應能單獨滿足安全泄放的要求。安全閥前不允許裝設(shè)截止閥。

2.4 跌落試驗

大容積車載LNG氣瓶跌落試驗包括：10m單瓶跌落、10m整體系統(tǒng)跌落、3m單瓶跌落和3m整體系統(tǒng)跌落。跌落試驗目的是為檢驗整體系統(tǒng)及氣瓶在沖擊條件下的完整性。跌落試驗前,氣瓶應裝滿與LNG等重量的液氮，氣瓶處于完全冷卻狀態(tài)，試驗前關(guān)閉放空閥。地面為堅固、平整的水平水泥地面。對于帶有外置增壓器及氣瓶固定支座的氣瓶，無論實際安裝支架的輪廓尺寸如何，試驗時所用固定支座的輪廓在管路系統(tǒng)端至少應大于氣瓶護罩輪廓250mm以上，以驗證氣瓶與外置增壓器及氣瓶固定支座發(fā)生相對位移時管道是否破裂。

大容積車載LNG氣瓶在沖擊條件下，失效模式主要有夾層增壓管路斷裂和外部閥門管路斷裂。在氣瓶內(nèi)部夾層增壓管設(shè)計時，需保證增壓管在三個方向有足夠柔性，緩解在外部沖擊條件下內(nèi)膽與外殼之間的相對位移量。外部管路系統(tǒng)需盡量較少懸臂結(jié)構(gòu)，合理設(shè)置管架支撐。

2.5 反復充裝試驗

大容積車載LNG氣瓶需根據(jù)設(shè)計要求的最低充裝飽和蒸汽壓力和安全閥開啟壓力設(shè)計合理的安全空間，安全空間應保證氣瓶充裝額定的最低充裝壓力下的飽和LNG后，內(nèi)壓力升至安全閥開啟壓力時，內(nèi)膽不滿液。

安全空間計算方法如下：

式中，

Fs——安全空間容積占內(nèi)膽公稱容積的百分比，%；

ρ1——最低充裝壓力下的飽和LNG的密度，kg/m3；

ρ2——安全閥開啟壓力下的飽和LNG的密度，kg/m3；

計算結(jié)果應向上圓整至整數(shù)。

大容積車載LNG氣瓶應具備自動限充功能保證氣瓶的安全空間。自動限充功能試驗就是在瓶內(nèi)LNG任意殘留的狀態(tài)下再次充裝時，驗證瓶內(nèi)實際安全空間是否滿足設(shè)計安全空間要求。

3、結(jié)語

大容積車載LNG氣瓶的研發(fā)，標志著車載瓶進入了一個新的技術(shù)領(lǐng)域。大容積車載LNG氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率、振動試驗、火燒試驗、跌落試驗、反復充裝試驗和維持時間試驗等型式試驗，是模擬大容積車載LNG氣瓶實際運行工況下強度、剛度和安全可靠性的全面檢驗。本文分析了大容積車載LNG氣瓶常見的失效模式并提出了解決措施，總結(jié)了車載LNG氣瓶結(jié)構(gòu)技術(shù)開發(fā)關(guān)鍵要點，為大容積車載LNG氣瓶的研發(fā)提供了參考依據(jù)。

[1] GB/T 150.1～4-2011,壓力容器[S].北京:中國標準出版社,2011.

[2] TSG R0006-2014,氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程.北京：新華出版社,2014.

[3] TSG R0009-2009,車用氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程.北京:新華出版社, 2009.

[4] TSG R7002-2009,氣瓶型式試驗規(guī)則.北京:新華出版社,2009.

Introduction of large volume-LNG vehicular tank

Jiang Xianwen1, Lian Rong2, Wang Huadong2
( 1.Shaanxi Guode Electric Co.,Ltd., Shaanxi Xi'an 710075; 2.Shaanxi Heavy-Duty Truck Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

This paper introduces the structure and principle of 500L＜V＜1000L volume LNG vehicular tank，makes analysis of the type test requirements about large volume-LNG vehicular tank，brings forward the solutions responded to a common failure mode，and summarizes the key points of large volume-LNG vehicular tank research and development.

large volume-LNG vehicular tank; type test; failure mode; solutions

U467.3

A

1671-7988(2016)07-159-03

蔣嫻文，畢業(yè)于西安工程科技學院機械工程及自動化專業(yè)，現(xiàn)就職于陜西國德電氣制造有限公司，從事高壓開關(guān)殼體、壓力容器、高鐵傳動箱等產(chǎn)品的設(shè)計及工藝工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.050