压缩天然气汽车储气瓶的设计和制造特点

压缩天然气汽车储气瓶的设计和制造特点

朱豪吉

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摘要：目前许多国家都在开展汽车用新燃料技术的研究，其中压缩天然气汽车的研究声势可居榜首。使用压缩天然气的汽车，在各种条件都具备的情况下，其储气瓶的设计、制造和试验关系到这种汽车能否大批量投入营运。储气瓶的材料选择、加工工艺、工艺装备和质量保证体系已成为我国开发使用压缩天然气汽车所需解决的关键问题。基于此，本文针对压缩天然气汽车储气瓶进行了分析。

关键词：压缩天然气；汽车储气瓶

引言

压缩天然气是一种常见的工业和民用燃料，且高效、洁净和廉价。因其主要成分为甲烷（CH4），故在抗爆震性能、燃料燃烧性能和排放性能方面有良好的突出特点。下面针对三种非碳素结构钢制成的压缩天然气储气瓶作简要的分析研究，以便与热衷于该技术的同行们探讨。

1.压缩天然气概述

现代的汽车发动机管理系统都直接由电脑管理各系统电路，包括电源、起动、点火、发动机和变速箱等控制系统灶基。以压缩天然气替代常规汽油或柴油环节，多应用压缩天然气装置来实现对燃料的利用。压缩天然气是以气态储存在容器中的天然气利用装置类型之一。压缩天然气可用油田及天然气田中的天然气，还可以人工制造生物沼气（主要成分是甲烷）来实现。压缩天然气主要成分为甲烷（CH4），主要用作车辆燃料、制作液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）。在临床应用领域，以 CNG 作为一种最理想的车用替代能源。加之其还具有成本低、效益高、无污染和使用安全便捷等特点。

2.复合强化铝合金储气瓶

这种储气瓶是采用复合工艺并强化了的铝合金材料制造的，其最大特点是自身质量小、强度高、耐腐蚀且安全可靠。这种储气瓶的设计工作压力为20MPa，试验压力为34MPa，强度极限压力为不小于50MPa。储气瓶两端半球体部位是受力最大区域，必须掺入金属添加剂和强化纤维。强化纤维由中心线沿纵轴呈辐射状，采用特殊工艺挤压入铝合金表层内(其数量按设计强度确定)。制成后的半球体端盖强度至少为设计压力的10倍。

这种储气瓶是在高精度模具中制造的。为了保证端盖与瓶体联接的封口的接合强度，封口时也必须掺人添加剂和强化纤纬、并在压力机上完成。为了保证端盖形状上的一致性和均匀性，加工是在微机控制的离心压力机上完成的。瓶体材料的抗拉强度相当于高强度碳素结构钢的强度、即450MPa。储气瓶材料在压制前和瓶体压制后必须进行喷丸处理，弹丸规格为0.6~30mm，加工工艺对弹丸的材料、规格、喷射角度(45℃)、喷射压力等都作了具体的规定。这样制成的储气瓶质量约增加16%，强度提高85%。制造过程中的产品整体质量，除了由工艺和工装保证外，还须时刻注意并检查最小部位的壁厚、端盖模压质量等。半球体端盖的结构强度、使用寿命、安全性、可靠性等均优于平底的和其他型式的端盖。

这种储气瓶必须做水压试验。其膨胀尺寸的精度为0.02cm，测试压力不低于工作压力的1.7倍(即34MPa)。当压力达到34MPa时须保证30秒钟，再测定其膨胀情况。

压缩天然气储气瓶的生产具有严格的质量保证体系，其生产工艺流程必须按有关标准执行，以确保质量。产品出厂时均要经过技术监督部门批量检验，一般从200只储气瓶中抽取一只进行周期性压力试验。不同的国家对这种试验所作的规定不一样。例如，加拿大规定做1000次循环试验，而美国则规定做5000次水压循环试验(试验压力为51MPa)，并且还要测定其抗拉强度、膨胀和延伸率。

这种储气瓶总长为1800mm，直径为250mm。储气瓶有两个安全阀，一个为压力膜片式，在20MPa下起作用;另一个在100℃、25MPa下起作用。这是为了防止压缩机因偶然亭故而造成的超压和当储气瓶靠近受热体时保护气瓶。

天然气中含有CO，、O2、H₂O和微量硫化物，它们对高强度碳炭素钢有腐蚀作用，而高强度铝合金复合材料耐腐蚀能力较强。

这种储气瓶的质量比碳素结构钢储气瓶小40%，比卷边式铝合金储气瓶小10%，比美国交通部研制的钢储气瓶小45%。储气瓶质量小，可以减少悬架系统的疲劳磨损，而且在大多数情况下无须安装超载减振器。从使用观点来看，储气压力为34MPa的储气瓶体积比20MPa的储气瓶小25%，但加气站给气瓶充气时耗用电能较多。

3.采用铝合金内胆、复合材料外壳的双层储气瓶

这种储气瓶的最大特点是储气压力大(25MPa)，储气效率高，瓶胆内壁和气瓶外壳均耐腐蚀，始终保持着75MPa的压力强度。

这种储气瓶的工作压力为25MPa，试验压力为42MPa，最小爆破压力为96MPa，总长为2000mm，直径为500mm，主要用于货车和大客车。

内胆是采用强化了的铝金材料制造的，半球体端盖是在计算机控制的高精密模压机上压制成，瓶体是在数控卷筒机上滚压精加工成型，其制造工艺与复合强化铝合金储气瓶相似，外壳是用玻璃纤维增强塑料制造的，铝合金内胆与玻璃纤维增强塑料的连接在专用的模具上进行。压制后的产品，其玻璃纤维增强塑料紧密地包围在内胆的外壳上，它们之间之所以连接牢固，除了在模具设计上的盈配合外，还在很大程度上依靠铝合金内胆在加工压制后在其表面进行喷丸处理所留下的痕迹，促使玻璃纤纬增强塑料受热固化时，使二者达到坚固耐久的结合，从而使双层材料共同承受压缩天然气对储气瓶所施加的拉伸和膨胀应力，这种储气瓶的试验基本上与复合强化铝合金储气瓶相似。

4.全复合NGV储气瓶

这种储气瓶是一种结构简单、质量最小、最坚固耐用的储气瓶，在国外广泛用于大客车、货车和轻型客车。这种储气瓶有中压和高压两种规格。中压储气瓶的设计压力一般为10MPa左右，具有充气时耗电低的特点，适用于短途运输和加气方便的地区。高压储气的设计工作压力为25MPa，适用于长途运输和加气不方便的地区。中压储气瓶外径为200mm，总长为420mm，其储气瓶效率比复合强化铝合金储气瓶高10.5%。高压储气瓶外径为200mm，总长为500mm，其储气效率比复合强化铝合金储气瓶高14.5%。

这种储气瓶是用高强度联素纤素与玻璃纤纬混合物为强化材料，并以不氧树脂在特殊的工艺装备上使二者间达到精确的定位组合而成的。瓶胆内壁和外表面的环氧树脂内含有高密度聚乙烯，因而耐腐蚀能力极强。瓶体是在计算机控制的卷挠机上加工而成的。半球体端盖也是在数控压力机上用精密模具成型的，它与瓶体的连接是用特殊工艺装备牢固粘接的。必须按有关标准进行生产和试验，且每件产品均按有关标准做静压试验。

这种储气瓶有稳定的物理性能和化学安全性，其耐腐蚀性在所有储气瓶中是最高的。其质量比钢储气瓶小70%，比卷边式钢瓶小50%，比卷边式铝储气瓶小40%，比全覆盖式铝瓶小30%。其使用寿命长，不低于15年。这种储气瓶有许多种尺寸，可满足不同的车型和车辆构造的要求。

结语

我国车用压缩天然气储气瓶技术较落后。在我国，使用和发展天然气汽车的最大障碍是储气瓶的质量，当然建立压缩天然气站所需投资大也是一个重要因素。为了充分运用和开发这方面的技术，建议国家能源部、计委、经委、机械工业部汽车司、中汽总公司和交通部组织有关专家进行综合技术研讨并提出对策。

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