CPI公司的CNG储存及运输技术

CPI公司的CNG储存及运输技术
作者：贾建伟文章来源：美国CPI公司北京代表处
1.CPI公司简介
美国CPI公司始建于1897年，是目前全球最大的无缝压力容器制造商，公司总部位于美国宾夕法尼亚州的匹兹堡。

其主要产品是制造用于储存、运输工业气体如：氢气、氦气、氮气、氧气，及天然气的无缝压力容器，并进一步将容器组装成用于储存气体的固定单元和用于运输的半挂拖车或集装管束。

CPI公司的固定储存单元和半挂拖车或集装管束可以按照多个国家或国际标准设计、制造和检验，其中最主要的标准是ASME标准和DOT标准。

按照美国大多数州法规要求，用于压缩气体地面储存的容器应符合ASME 标准；采用DOT标准制作的CPI无缝压力容器大多用来进行气体的运输。

CPI的压力容器广泛应用在航天、化工、石油勘探、核动力系统、医药等领域。

其CNG加气站用成套设备在美国及以外的一千多座CNG加气站上得到应用。

CPI固定、移动压力容器及运输拖车和集装管束是第一批得到了中国国家质量技术监督局的安全质量进口认证和批准的产品。

G子母站介绍
在远离天然气管网或压力低、流量小的民用管网附近无法建CNG加气站的前提下，"子母站将是很好的解决方案。

"子母站"不仅解决了建新管网投资过大的弊端，而且由于不受管网位置的限制，可以尽可能地靠近车辆或用气集中地区或避开密集、重要建筑物，从而使灵活选址成为可能。

母站：将母站建在天然气主管网附近，通过大排量压缩机将天然气亢进CNG拖车，根据子站设计规模的在大小，CNG拖车的储运天然气能力一般在4000～5000Nm3，而母站的充装能力应保证每辆CNG拖车的充装时间不超过两小时。

然后用拖车将压缩天然气运到的售气地点--子站。

气体在母站经过调压、干燥、压缩等过程进入储存装置和CNG运输拖车，同时通过售气机可以给CNG车辆加气。

气体的流动方向将由优先/顺序控制设备来完成。

子站：CNG拖车将CNG运输到子站。

拖车用气瓶是严格按照美国交通部DOT-3AAX标准和天然气运输的特许标准DOT E-8009制造的无缝容器，CNG拖车整体配管完备，并且配置了完善的安全装置和方便的充、卸气设施。

方便地解决了CNG加气子站的气源问题。

CNG拖车到达子站后，与子站卸气柱连接，拖车中的CNG在压差的作用下流向地面的储存装置，直到压力平衡以后，优先控制系统发出信号启动压缩机将储气装置充压到25Mpa，当储气装置充满后，此时CNG拖车成为虚拟的一级代储气容器，当有加气车辆时，首先由拖车内的气体充装，然后由地面储气容器
中更高压力的气体来补充，当地面储气容器中的压力不足以充满车辆时，压缩机启动将拖车上的气体增压到地面储气装置中。

G运输技术
从以上介绍可以看出，子母站系统实施的关键在于利用大容量的CNG运输设备将天然气安全高效地从母站运输到子站，它是联系母子站的纽带，在整个系统中起着至关重要的作用。

它也是与其它类型的CNG 加气站的根本区别所在。

以下从四方面介绍CPI公司的CNG运输技术：
3.1大容积的无缝容器，最大程度地降低了泄漏，提高了运输效率
CNG运输设备所采用的大型无缝压力容器是采用优质无缝钢管经过两端锻压或旋压收口而成。

容器端口采用螺纹与安全装置及配管系统连接。

容器整体完全为无焊缝结构，完全避免了因焊接而造成的焊缝裂纹、焊缝与母材化学成分和机械性能的不均匀、焊缝热影响区及局部应力。

CPI公司典型的无缝压力容器直径为560mm，长度达11m，单体水容积2250升，为50升小钢瓶的45倍。

利用这种无缝容器组装而成的长管拖车或集装管束每台可以运输4000Nm3-5000Nm3的压缩天然气，(对于拖车的装气量以及操作压力，CPI公可以根据用户的具体要求进行设计)。

这种大型的CNG运输设备连接接口少，泄漏的可能性降低；配管系统采用大口径的管路和全通的球阀，充卸气速率加快；整体设备的重量降低，节约运输成本；单台设备的CNG运输量增加，提高了运输效率。

3.2严格的设计标准，保障设备安全
CPI公司的运输用压力容器按照美国运输部(DOT)标准(DOT-3AAX)进行设计。

但是按照DOT标准规定，3AAX容器只能用于盛装空气、甲烷等十二种无腐蚀性的永久气体。

其中甲烷是纯度不低于98%并且不含有腐蚀性成分的永久气体。

由于工业用、民用，包括车用天然气中甲烷的纯度远低于98%，且含有一定量的水分、硫化物等杂质，所以普通DOT-3AAX钢瓶不能用于盛装天然气，尤其是压缩天然气。

根据美国多年使用CNG的经验和运输CNG厂家的申请，运输部(DOT)专门颁布了用于盛装CNG的DOT-3AAX钢瓶的特殊规定，即
DOT-E8009。

此特殊规定不仅从最初钢瓶材质的选择，化学成分、热处理和机械性能的控制上，并且对3AAX 钢瓶的设计、制造和检验的全过程提出了更加严格的要求。

CPI公司所有用于运输CNG的拖车用气瓶都同时满足DOT-3AAX和E8009的要求。

其中针对DOT-E8009的特殊要求做了以下处理：
1)先用特殊优质的铬钼合金钢4130X进行制造，严格控制材质的硫和磷的含量，使其分别低于0.015%和0.024%。

大大降低了应力腐蚀的每感性。

2)制造中控制容器最终抗拉强度不超过869Mpa，使材料具有出色的塑性和韧性。

屈强比不超过86%，硬度的平均值不超过HB269。

以消除或减低应力腐蚀的可能性。

3)利用斜射波技术对钢瓶进行超声波检查，消除钢瓶内表面、外表面及中间壁厚处大于或等于5%的最小设计壁厚的缺陷。

此项检查对于盛装压缩天然气(CNG)的钢瓶是至关重要的。

4)每只气瓶的端部装有排污管，可以及时排出积水和积油。

这些控制措施都可以消除气瓶对CNG中硫化氢应力腐蚀地每感性。

在美国，只有按照此特殊规定提出申请并获得认可的单位才能使用符合DOT-E8009的3AAX钢瓶运输CNG。

由于DOT E-8009的强制执行，保证了美国及按照该标准制造的3AAX钢瓶近50多年来没有发生过因运输CNG而引起的设备安全事故。

3.3 独特的设计结构，确保操作方便
运输设备的每只容器上配有1/2"的全通不锈钢球阀，总管路上配有1"的全通不锈钢球阀。

球阀结构不仅具有最大的流通通径，并且为操作提供了方便。

运输设备与母子站上的软管采用快装接头连接，既可以保证密封可靠，又便于操作。

每一台运输设备上都配有刹车气路控制阀，通过充卸气的操作控制刹车气路的接通和关闭，便于执行操作，又保证了安全。

3.4 方便的检验措施，解除后顾之忧
目前国内还没有关于这种大容积无缝钢瓶再检验的规范和标准。

随着这种容器在国内应用数量的增多，钢瓶定期再检验的问题被提到了议事日程。

2000年年初，CPI公司北京代表处受国家技术监督局的委托，与国家锅炉压力容器检测研究中心合作起草了关于这种大型无缝钢瓶的定期检验标准，其中引用了国
外最先进的检验技术及多年积累的经验。

日前，此标准草稿已经通过了征求意见阶段，正在进一步修改和完善，形成送审稿。

相信此标准的实施及后续检验措施和手段的完善，可以为用户解除后顾之忧。

4. CNG储存技术
CNG储存设备作为子母站系统中重要的组成部分，其安全性和使用寿命直接影响整个系统安全运行和经济效益。

以下从这两个方面介绍CPI公司的CNG储存技术：
4.1 容器的安全设计
用于CNG储存的容器主要受硫化氢应力腐蚀的危害及存在高压爆破失效的危险。

CPI公司的站用无缝容器完全按照美国机械工程师协会(ASME)标准VIII-1标准进行设计。

在材料选择上，CPI公司选用了符合
ASTM标准的优质铬钼合金钢SA372J70，并严格控制材料中硫和磷的含量分别在0.015%和0.025%以下。

容器的材料还通过了加拿大标准协会(CSA)B51-95第2节所要求的进行硫化氢应力腐蚀试验，试验方法按照美国腐蚀工程师协会NACETM-01-77的规定进行：首先加工出1/4"直径的试样，然后在试样两端施加等于材料屈服强度20%的载荷，同时使试样在100%的H2S鼓泡的试验溶液中浸泡720小时，检查试样表面没有应力腐蚀裂纹即为合格。

由于试验溶液的腐蚀性要比实际的CNG高出许多倍，因此符合试验要求的材料完全可以满足CNG储存的要求。

在结构设计上，无缝容器在最低点开有排污孔并装有排污阀，可以及时排出气体中夹带硫化氢、水分及其它杂质，将形成硫化氢应力腐蚀的因素降到最低。

除了要求材料有均匀的化学成分和良好的机械性能抵抗裂纹的产生和扩展之外，人们希望对于CNG这样的易燃易爆介质，万一容器破坏时最好不发生爆破事故。

通过研究发现，容器内表面裂纹在交变压力用下产生的疲劳扩展总是先向厚度方向发展，直至穿透整个壁厚，形成以裂纹源为中心的圆形或半椭圆形裂纹面。

此时介质开始向外泄漏。

如果保证临界裂纹深度大于容器的壁厚，应可以实现"先漏后爆"(LBB)设计，这是对材料断裂韧性的要求。

通过对CPI公司无缝容器的研究表明，容器实际能够达到的断裂韧性值远超出了LBB的要求。

4.2 容器的使用寿命
CNG加气站上的高压储存容器承受交变压力的作用。

在承受交变载荷的情况下，即使强度和韧性满足要求，经过一定的循环周期之后也可能发生疲劳破坏。

尤其是对于经过淬火及高温回火处理的高强度容器，材料对应力集中敏感，不需要很大的应力就可能在应力集中处形成裂纹源。

因此，对这种容器进行设计时必须校核其疲劳寿命。

CPI公司根据ASME VIII-2疲劳分析的方法及断裂力学的方法对站用储存容器进行了疲劳寿命分析，在压力比较宽的循环范围内(从3.5Mpa到容器的设计压力27.6Mpa)，容器许用的疲劳循环次数在105次数量级。

对三只容器在此压力循环范围内进行疲劳试验，经过了250，000次疲劳循环后，对容器进行无损探伤检查，没有发现任何缺陷。

对一只容器进行剖面检查，也没有发现疲劳裂纹。

实际的疲劳试验说明，理论计算的方法是偏于保守的。

如按容器的工作压力在52.5%的设计压力范围内波动(从10.2Mpa到24.8Mpa，是典型的CNG加气站储存容器工作压力范围)，用ASME VIII-2疲劳分析的方法计算得到容器的许用疲劳寿命已经超过106次，按每天压力循环10次计算，容器的预期使用寿命超过274年。

除此之外，CPI公司的CNG储存单元还具有以下优点：
(1) 现场安装无需更多的配管，降低了泄露的危险性；
(2)所有的阀门都符合NFPA52的要求；
(3)使用全通径的不锈钢球阀，提高了充装速率；
(4) 安全装置更可靠，检验维护更方便；
(5)单元式的结构，可以按要求随意组合；
(6)简洁实用整体设计，便于现场维护及定期检验。

5. CPI公司的CNG储存技术及运输技术在中国的应用
在中国设立代表处以前，CPI公司就积极参与了中国对车辆进行燃料改造的努力，其储存设备及运备于1995年被应用于吉林油田及中原油田等引进的CNG加气站中。

1997年，CPI公司在北京设立了代表处，更直接地将国际上最先进的技术带给用户，并且更紧密地户结合，根据用户的要求提供不同的途径，开发最适用的方式和设备。

在短短几年中，CPI公司的CNG与运输技术在国内的应用取得了突飞猛进的发展。

在北京已经建成的25座子母站中全部使用了CPI的大型无缝容器，并且有CPI公司的40多辆CNG运输设备往返于子母站之间。

随着子母站系统在国推广与应用，CPI 公司的CNG储存与运输技术也逐步应用在新疆、上海、天津和四川等地。

到目前为止的设备已经被应用在国内几十座CNG加气站中。

CPI的储存、运输成套设备以其无缝、大尺寸的理想结构安全的设计理念和完备的压力容器制造和检验手段为CNG加气站的安全运行提供了最可靠的保证，也为CPI公司在中国赢得了良好的声誉。

6.结束语
随着人们生活水平的不断提高，环境保护问题越来越受到人们的重视。

实践证明，CNG子母站系解决城市清洁燃料技术的重要途径，在中国有着广阔的发展前景。

CNG子母站系统在中国的成功实施得CPI公司积累了大量的在中国的运行经验。

CPI公司在已有经验的基础上正在不懈努力，将其CNG与运输的先进技术更完善地应用于CNG子母站系统中，使其服务于更广泛的用户，为加速国内清洁燃进程继续贡献力量。