车用天然气缠绕气瓶安全分析

编号：AQ-Lw-04803

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车用天然气缠绕气瓶安全分析Safety analysis of wrapped natural gas cylinders for vehicles

车用天然气缠绕气瓶安全分析

备注：加强安全教育培训，是确保企业生产安全的重要举措，也是培育安全生产文化之路。安全事故的发生，

除了员工安全意识淡薄是其根源外，还有一个重要的原因是员工的自觉安全行为规范缺失、自我防范能力不强。

摘要：发展天然气汽车符合国家节能与新能源汽车发展战略的要求，车用天然气缠绕气瓶是天然气汽车的重要专用装置。做好车用天然气缠绕气瓶的安全性分析，消除其安全隐患可为减少或杜绝车用气瓶发生重、特大安全事故提供保障。根据《车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶》企业标准的有关规定，介绍了钢瓶的材料、设计、制造、力学性能试验和各种检测方法等，对车用天然气缠绕气瓶在设计、制造和使用中容易发生的安全隐患及原因进行了分析，并提出了相应的解决措施。

关键词：CNG汽车；缠绕气瓶；安全；分析

0前言

车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶(以下简称缠绕气瓶，即CNG-2型瓶)是一种经济、安全、环保型机动车用燃气储存设备。随着国际油价的不断变化、机动车数量的急剧增加、人们环保意识的

逐渐增强，作为清洁能源的天然气在城市公交、汽车运输等领域得以广泛应用。

缠绕气瓶主要由两部分组成：钢质内胆和纤维缠绕层。目前国内多数厂家采用的设计、制造、验收标准是参照ISO11439—2000《天然气汽车车载高压气瓶》国际标准制订、经全国气瓶标准化技术委员会审查备案的企业标准。缠绕气瓶的安全性与该两部分质量的好坏和相互关联度密切相关。为此，探讨了影响缠绕气瓶安全性的因素和解决缠绕气瓶安全性所采取的主要措施。

1影响缠绕气瓶安全性的因素

影响缠绕气瓶安全性的因素主要有3个方面：缠绕气瓶所用材料、制造技术和安全泄放装置。

1.1缠绕气瓶所用材料

1.1.1内胆材料

缠绕气瓶内胆材料选用钢材，所充装的介质为天然气。尽管天然气在充装前经过脱硫、脱水、脱轻油处理，其硫化氢含量较低(不高于20mg/m3

)，但当钢瓶中残存有水时，水中溶入大量的硫化氢，会对钢材产生腐蚀作用(在温度低于250℃，干燥的硫化氢不对钢材起腐蚀作用)。硫化氢遇水产生电离，生成的氢向钢中扩散，在局部区域聚积达到极限浓度时导致钢的脆性破坏。

金属中残留的氢或氢与金属生成氢化物所造成的金属脆化现象，称为氢脆。氢脆的断裂性质为脆性断裂。关于氢脆的机理，通常认为是容器内部存在初始缺陷或由于化学反应生成了缺口[1] ，滑移时，由于晶界和夹杂物的存在，在缺口的前沿塑变区内继续产生一些细微的裂纹或空穴。对于缠绕气瓶而言，随着内胆材料强度的增加，产生脆性的可能性加大[2]

。

影响氢脆产生的主要因素：

1)材料因素：氢脆易发生在高强度材料中，钢的抗拉强度和屈服强度越高，氢脆敏感性越大。钢的氢脆还与化学成分和组织密切相关，未回火的马氏体组织最易产生氢脆，钢中的夹杂物，尤其是硫化物极易诱发氢脆。

2)应力因素：拉应力引起氢脆。

3)环境因素：钢中氢含量在0.45mg/m3

以上时，随着氢含量增加，钢的脆性增大，而断裂应力、断面收缩率和延伸率降低。

1.1.2缠绕层材料

缠绕层材料由纤维和树脂两部分组成。用于缠绕气瓶的结构增强性纤维材料有玻璃纤维、芳纶纤维或碳纤维。所用树脂则分为热固性和热塑性树脂。

由于缠绕气瓶循环地充、放天然气，因此要求缠绕层在持续载荷和循环加载下应有高可靠性，其材料的好坏、纤维与树脂体系的有机匹配都直接影响着缠绕气瓶的质量。

1.2缠绕气瓶制造技术

在IS011439—2000国际标准中，对缠绕气瓶内胆用钢坯或无缝钢管制作未作明确要求，而我国多数企业采用钢管旋制。采用此方法，在制造缠绕气瓶时，主要在以下几方面易产生缺陷：

1)钢管旋压成型工序，在瓶底、瓶肩内表面易产生皱折、裂纹，

造成应力集中。

2)内胆热处理工序，其力学性能均匀性、一致性不易得到保证。

3)缠绕、固化工序，易出现固化不彻底、缠绕层黏合不好的现象。

1.3缠绕气瓶安全泄放装置

缠绕气瓶安全泄放装置的选取，应能满足缠绕气瓶在各种复杂工况下的安全泄放要求。

2解决缠绕气瓶安全性缺陷所采取的主要措施

2.1材料

2.1.1内胆材料

根据以上分析，内胆材料宜选用符合GB18248《气瓶用无缝钢管》标准的30CrMo气瓶用无缝钢管，并控制其硫、磷含量。铬钼钢具有优良的综合性能，经过热处理后，在较高的强度水平上仍能保持良好的塑性和足够的韧性；同时，对内胆材料化学成分也作了严格的规定(见表1)。经热处理后，其抗拉强度应不低于保证值，且不高于880MPa；屈强比不大于0.85；断后伸长率不小于14%；3个试样冲击功平均值不低于30J。

表1内胆材料化学组成表化学成分

C

Si

Mn

Cr

Mo

S

P

S+P

质量分数(%)

≤0.4

0.15～0.37

0.40～0.90

0.80～1.20

0.15～0.35

≤0.02

≤0.02

≤0.03

2.1.2缠绕层材料

纤维材料选用符合标准的结构增强性玻璃纤维、芳纶纤维或碳纤维。采用碳纤维时，应采取措施，防止缠绕气瓶金属部件产生电化学腐蚀(在内胆外表面与碳纤维之间缠绕部分玻璃纤维；或对内胆外表面进行防腐处理等)。

树脂选用热固性环氧树脂，按一定的比例配料，经过缠绕、固化工序后，验证其缠绕层抗拉强度和层间剪切强度是否达到保证值的要求，并据此制订合格、成熟的工艺路线和工艺手册。

2.2设计

根据标准规定，缠绕气瓶在正常使用期间，其承压部件由于可能的质量退化会出现“未爆先漏”的失效模式[3]

。参照GB5099—1994《钢质无缝气瓶》实际爆破压力计算公式S=pb