国际标准车用压缩天然气钢瓶设计开发及安全使用.docx
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国际标准车用压缩天然气钢瓶设计开发及安全使用
国际标准车用压缩天然气钢瓶设计开发及安全使用
摘要：
随着世界范围的石油价格不断上涨和汽车尾气对城市环境的污染越来越严重，发展天然气燃料汽车受到各国政府的极大关注。
ISO11439《车用压缩天然气高压气瓶》是国际公认的车用压缩天然气（CNG）气瓶设计、制造及性能验证的规范标准。
CNG-1型钢质无缝气瓶以其安全可靠、经济性高在全世界得到广泛的应用。
本文介绍了满足国际标准ISO11439《车用压缩天然气高压气瓶》的CNG-1型钢质无缝气瓶的设计开发及安全使用技术。
首先分析了车用CNG钢瓶的基本要求和使用条件，接着阐述了如何选择适当的气瓶材料，对车用CNG钢瓶进行设计，并采用有限元方法对设计进行了分析验证。
分析表明，设计可满足标准要求。
然后介绍了车用CNG钢瓶的制造工艺和各种安全可靠性试验，最后对车用CNG钢瓶的失效模式预防及安全使用进行了论述，提出了CNG气瓶在使用过程中应加强监督的建议。
前言
现代汽车工业的迅猛发展给社会带来了巨大的财富，但汽车在带给人们极大方便的同时，消耗大量的石油资源，并排出大量的有害气体，对人类生存环境造成较大的危害。
现在机动车废气污染已成为城市污染的主要污染源。
据统计，全世界石油产量的50%消费在交通运输部门上，用作汽车燃料的就要占到30%左右；而造成全球环境污染的60－70％烟雾和50％以上酸雨又来自交通运输业。
【1】因而，汽车能源利用效率、有害物排放、车用新能源的开发和利用等问题，近20年来一直受到各国政府、专家和公众的关注。
随着石油价格的不断上涨，研制节能汽车和积极采用替代燃料作为汽车动力源已成为全世界汽车工业技术开发的新热点。
为了最大限度地降低汽车尾气排放所造成的污染，人们正在探讨包括电、甲醇、酒精、丙烷、丁烷（液化石油气）、氢以及天然气等作为汽车的替代燃料，以减少大气环境污染。
从长远发展和技术发展成熟程度来讲，目前天然气是汽车最理想的替代燃料之一。
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。
因而，燃气汽车的推广应用有着巨大的发展潜力和广阔的市场前景。
发展燃气汽车的重要和关键零部件之一是车用压缩天然气（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。
车用CNG气瓶受到了各国政府的极大关注，并相继出台了一系列的国际标准和国家标准，以确保其安全可靠，顺利发展。
ISO11439《车用压缩天然气高压气瓶》是国际公认的车用CNG气瓶设计、制造及性能验证的规范标准，严格规定了气瓶使用条件、质量保证条件、材料试验、批量生产试验、产品设计认证试验等保证气瓶安全使用的必要条件，得到世界上多个国家的认可和使用。
车用CNG气瓶分为CNG-1型金属材料气瓶、CNG-2型金属内胆环向缠绕气瓶、CNG-3型金属内胆全缠绕气瓶和CNG-4型完全复合材料气瓶四种型式，其中CNG-1型钢质无缝气瓶以其安全可靠、经济性高在全世界得到广泛的应用。
本文就ISO11439国际标准车用CNG钢瓶的设计开发及安全使用技术进行探讨。
1车用CNG钢瓶的基本要求
车用CNG钢瓶的基本要求是保证安全，使用方便和减轻重量。
可通过下列方法达到上述要求【2】：
1）准确而全面地指定使用条件，并以此作为气瓶设计和使用的基础；
2）使用适当方法估算循环压力疲劳寿命，并规定所允许的气瓶缺陷尺寸；
3）要求对设计进行验证和型式试验；
4）要求对所有气瓶进行非破坏性试验和检验；
5）要求从每批原材料及成品气瓶中抽取试件进行破坏性试验；
6）要求制造商建立全面的质量体系，并认真执行；
7）要求对在用气瓶进行定期检验；
8）要求制造商规定所生产气瓶的安全使用年限。
2车用CNG钢瓶的使用条件
规定车用CNG钢瓶的使用条件，是为车用CNG钢瓶提供设计、选材、制造、检验和试验的基础。
2.1使用寿命
ISO11439标准规定车用CNG钢瓶的使用寿命不超过20年，应由气瓶制造商做出规定。
车用CNG钢瓶的使用寿命应以疲劳裂纹增长速度为基础，应以超声波或等效方法检验，保证每个气瓶不存在超过最大允许尺寸的裂纹。
2.2工作压力、温度及充装次数
车用CNG钢瓶的工作压力在15℃时为20MPa，由于环境温度的变化，当温度升高时，允许其工作压力最大达到26MPa。
气瓶内气体可能的温度变化为－40℃～＋65℃，气瓶材料的温度可能在－40℃～＋82℃之间变化。
气瓶的充装次数最高为每年1000次。
2.3充装气体杂质
硫化氢溶解于水中形成酸溶液，对金属发生腐蚀，尤其是在水存在的条件下，即使很少量的硫化氢都可能对钢造成硫化应力腐蚀（SSC）。
而且在通常情况下，高压气体钢瓶底部积存一定数量水是完全可能的。
SSC实际上是氢脆反应的一种结果，腐蚀反应提供了氢原子，SSC是硫化氢引起氢脆反应的一种表现。
而天然气中二氧化碳含量的增高会降低CNG的发热值，同时当有水分存在时，还会使钢瓶产生腐蚀。
因此ISO11439标准对压缩天然气的杂质和其它有害气体含量进行了限定：
对于干性天然气，水蒸气含量应少于32mg/m3（比如20MPa压力下露点为－9℃），硫化氢和其他可溶性硫化物含量最多为23mg/m3，氧的体积含量最多为1%，氢的体积含量（当气瓶由钢制成，拉伸强度超过950MPa）最多为2%。
对于湿性天然气，含水份多于干性气体，其硫化氢和其他可溶性硫化物含量最多为23mg/m3，氧的体积含量最多为1%，二氧化碳的体积含量最多为4%，氢的体积含量最多为0.1%。
2.4外表面
车用CNG钢瓶的外表面应能抵卸下列条件的侵蚀：
1）行路中溅起的水
2）盐，如汽车在沿海地区使用。
3）阳光中的紫外线
4）砾石的冲击
5）溶剂、酸、碱、肥料
6）汽车内液体、包括汽油、水溶液、电池酸液、乙二醇和油等。
7）排放的废气
2.5定期检验
车用CNG钢瓶应按标准进行定期检验。
定期检验应由经批准的合格人员进行。
如果气瓶被重新安装，且处在腐蚀环境，或被火烧过，则气瓶必须经重新检测后才可使用。
3车用CNG钢瓶的设计开发
3.1材料选用
车用CNG钢瓶的材料应满足第2章规定的使用条件，并应具有足够的机械性能，特别是延伸率，以降低气瓶重量，同时保证气瓶安全可靠。
因此瓶体材料选用优质铬钼钢30CrMo，并严格限制材料的硫、磷含量，以提高材料的抗SSC性能。
瓶体最终采用调质热处理，以提高材料性能。
瓶体材料的化学成分及力学性能指标见表1和表2。
表1瓶体材料化学成分（％）
成份
C
Si
Mn
Cr
Mo
S
P
S+P
含量（%）
0.26~
0.34
0.17~
0.37
0.40~
0.70
0.80~
1.10
0.15~
0.25
≤0.020
≤0.020
≤0.030
表2力学性能指标
热处理
屈服强度σe
MPa
抗拉强度σb
MPa
延伸率δ5
%
冲击值ak（V,-50℃）
J/cm2
淬火+回火
≥680
≥800且≤950
≥16
平均值
最小值
≥50
≥40
3.2瓶体壁厚设计
气瓶设计的关键是确定瓶体壁厚。
ISO11439标准属于性能导向型标准，其原则是如果产品通过所有试验，则产品是安全的。
因此ISO11439标准不指定设计公式，而是要求对设计进行适当的分析验证，保证产品可通过所有的试验。
ISO11439标准规定车用CNG钢瓶的水压试验压力为30MPa，最小爆破压力为45MPa。
应采用有限元分析方法计算在工作压力、水压试验压力和设计最小爆破压力下瓶体的应力。
设计ISO11439标准车用CNG钢瓶时可先采用中径公式对瓶体壁厚进行初步计算，然后采用有限元分析进行设计验证。
下面以外径279mm、容积30L的气瓶为例来说明。
3.2.1壁厚初步计算【3】
车用CNG钢瓶壁厚初步计算可采用GB5099的壁厚计算公式，即：
7.8mm
式中S——瓶体设计最小壁厚，mm
Do——瓶体外径，mm，Do＝279mm
Ph——气瓶水压试验压力，MPa，Ph＝30MPa
——瓶体材料屈服强度保证值，MPa，
＝680MPa。
3.2.2设计验证
采用大型有限元分析软件ANSYS对车用CNG钢瓶进行设计验证。
瓶体结构为轴对称结构，因而只需模拟瓶体的半个轴向截面。
有限元分析模型及边界载荷条件见图1，采用PLANE82八节点等参单元，KEYOPT（3）=1（轴对称选项）【4】。
瓶体材料为30CrMo。
载荷条件为仅受内压力，大小分别为工作压力20MPa，水压试验压力30MPa，设计最小爆破压力45MPa。
材料及其力学性能保证值见表3。
图1有限元分析模型及边界载荷条件
表3材料及其力学性能保证值
材料
弹性模量
泊松比
最小抗拉强度
最小服强度
30CrMo
215000MPa
0.3
800MPa
680MPa
有限元分析结果汇总见表4，各载荷下瓶体等效应力分布见图2。
表4各载荷下瓶体应力最大值
工作压力20MPa
水压试验压力30MPa
设计最小爆破压力
45MPa
纵向应力MPa
261.7
392.5
588.7
环向应力MPa
353.8
530.7
796.1
VonMises等效应力MPa
323.8
485.7
728.5
分析表明，在设计最小爆破压力45MPa下，瓶体中的最大等效应力为728.5MPa，小于材料的抗拉强度保证值800MPa，因此该气瓶在设计上可以保证具有最小爆破压力45MPa，设计满足ISO11439标准要求。
图2各载荷下瓶体等效应力分布图
3.3制造工艺
车用CNG钢瓶采用无缝钢管经加热收底、收口工艺制成，工艺流程为：
原材料下料旋压收底瓶坏检查旋压收口热处理性能试验无损探伤瓶口加工水压试验表面处理成品。
气瓶热处理后应按批抽取试件进行机械性能试验，并对所有气瓶逐只进行无损探伤和水压试验，以保证气瓶的安全可靠。
4车用CNG钢瓶的安全可靠性试验
车用CNG钢瓶的安全可靠性试验即气瓶的型式试验，用于证明气瓶的设计在其使用寿命范围内是否是安全的。
对于每个新设计的气瓶要求进行内容广泛的试验项目；但是为了对已有的气瓶设计进行变更，则可进行简化的试验项目。
4.1材料试验
该项试验主要用于验证车用CNG钢瓶的材料性能是否满足气瓶对材料强度及韧性的要求。
4.2水压爆破试验
该项试验可以验证达到设计壁厚的气瓶是否具有规定的爆破压力，其安全系数的大小是否与设计的一致，通过爆破后的破口形貌来分析是否具备必要的韧性，是一种比较直观的气瓶物理超压爆破事故的模拟试验。
4.3室温循环试验
该项试验主要用于证实车用CNG钢瓶满足其使用寿命要求而不发生泄漏，同时也为了证实气瓶是否具有安全破坏的特征，即未爆先漏（leak－before－break）。
4.4火烧试验
该项试验主要用于证实储气系统包括气瓶、压力泄放装置（PRD）在经受火烧或极限温度时，PRD在压力、温度或压力与温度的综合作用下会发生作用，气瓶内的气体会泄放，而气瓶不能发生爆炸，也就是说不管气瓶是在完全充气还是部分充气，储气系统在火中都必须是安全的。
4.5枪击试验
该项试验用于证实，即使一个高能的冲击物使车用CNG钢瓶的筒体穿透，气瓶也不会发生碎状破裂。
4.6NDE（非破坏检验）试验
该项试验用于确定所允许的车用CNG钢瓶最大缺陷尺寸，以建立采用无损探伤方法检测气瓶裂纹、缺陷的合格依据，保证气瓶关于断裂性能的要求。
5车用CNG钢瓶的失效与预防
产品丧失其规定功能的现象称为失效。
车用CNG钢瓶在使用中的失效有以下几种情况：
1）由于着火使气瓶压力升高，加之PRD失效或安装存在问题，引起气瓶发生破裂；
2）由于热处理质量差，加之疲劳、应力腐蚀、和/或氢脆而使气瓶出现碎片状破裂；
3）气瓶表面预先存在有裂缝或分层，在使用中反复充、放气产生疲劳，使裂缝疲劳扩展穿透气瓶侧壁而使气瓶产生破裂。
上述问题通过气瓶生产厂的严格的质量管理体系，对每个生产的气瓶都进行硬度、超声和水压试验，并在使用的每个气瓶上配装PRD等安全措施可有效避免。
6车用CNG钢瓶的安全使用和安全监督
车用压缩天然气属于高压、易燃、易爆气体。
车用CNG钢瓶是用于贮存压缩天然气的高压容器，具有一定的爆炸危险性，因此各相关人员应当注意对车用CNG钢瓶的安全使用。
1）燃气汽车所采用的车用CNG钢瓶必须是具有制造许可证的企业制造的合格产品。
在第一次使用前，最好在汽车出厂前，对汽车的供气系统做一次完全的惰性气体置换（建议采用氮气），避免天然气闪爆事故的发生。
2）车用CNG钢瓶安装时应考虑气瓶承受冲击载荷的能力，局部加固对气瓶应力的影响及循环压力疲劳寿命的影响。
气瓶阀、压力泄放装置和各种连接管路接头应加以保护，防止撞击。
3）车用CNG钢瓶投入使用后，瓶内的气体不能全部用尽，应保留不少于0.1MPa的剩余压力。
气瓶瓶阀结冻时，严禁用火烘烤，严禁用超过40℃的热源对气瓶加热。
严禁在气瓶上进行电焊引弧。
严禁对气瓶进行挖补﹑焊接修理。
4）车用CNG钢瓶在加气时，应绝对禁止超压加气，因为卡箍安装的松紧程度、气瓶的疲劳寿命等都是按照正常使用的条件下设计的，如果超压加气，气瓶的疲劳寿命就会大幅度降低，会埋下很大的安全隐患。
这就要求安全监督部门对加气人员进行培训，严格防范超压加气行为，同时在售气机上进行设定，充气到公称工作压力时自动停止加气。
5）对于车用CNG钢瓶，一般设计使用寿命15年，设计每天充气按3次计算，但在一些地区的实际使用过程当中，每天充气次数多达6次，而充气的次数无法记录，所以造成了设计和实际使用的脱节，同时也给监管部门管理造成困难。
所以在气瓶的安全附件或者加装天然气充气系统时应考虑对充气次数进行不可更改的实时记录，以便准确掌握气瓶的使用状态。
同时为避免气瓶超期使用，一般规定燃气汽车报废时，车用CNG气瓶随车同时报废。
6）燃气汽车投入使用后，其车用CNG钢瓶瓶必须在检验有效周期内，并严格定期检验制度。
在发生交通事故中受到损伤的车用CNG气瓶和附件，如需重新使用，应对气瓶进行检验；停用时间超过一个检验周期的气瓶，启用前应进行检验；在使用过程中发现钢瓶有严重腐蚀、损伤以及其他可能影响安全使用的缺陷时，气瓶业主应及时将气瓶送至法定的检验单位进行检验。
检验合格后方可投入使用。
7）车用CNG气瓶在使用过程中，加强日常维护和定期/一定续驶里程的外观检查。
如发现安全附件、瓶阀、易熔合金塞失灵等故障，首先应将汽车移至安全处，及时通知或送到气瓶检验单位或CNG汽车修理厂处理。
严禁自行维修和更换附件。
结束语
1）燃气汽车发展的重要部件是储存燃料的气瓶。
这类气瓶属高压容器，制造用材、工艺与技术均要求十分严格，以保证其使用的安全性和可靠性。
2）ISO11439《车用压缩天然气高压气瓶》是国际公认的车用CNG气瓶设计、制造及性能验证的规范标准，严格规定了气瓶使用条件、质量保证条件、材料试验、批量生产试验、产品设计认证试验等保证气瓶安全使用的必要条件。
3）按ISO11439国际标准设计车用CNG钢瓶时，应采用有限元分析方法计算在工作压力、水压试验压力和设计最小爆破压力下瓶体中的应力分布，进行设计验证。
4）为保证气瓶使用中的安全性，一系列的标准规定气瓶失效时不允许出现脆性断裂，而应采用未爆先漏（leak－before－break）的失效模式。
5）广泛的使用试验统计结果表明：
只要正确地执行标准，合理选择气瓶制造材料，采用正确的结构设计，实行严格的质量管理和工艺控制过程以及质量认证试验，认真执行运输、安装、检验、使用要求，车用CNG钢瓶是十分安全的。
参考文献
【1】中国石油集团经济和信息研究中心编.2002年世界石油年鉴.北京.石油工业出版社,2002
【2】ISO11439：
2000.Gascylinders-highpressurecylindersfortheon-boardstorageofnaturalgasasafuelforautomotivevehicles
【3】GB5099-94.钢质无缝气瓶
【4】任重.ANSYS实用分析教程.北京.北京大学出版社，2003
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