??????? 5．7 全塑復臺材料容器的性能試驗結果(略)
??????? 5．8 CNGV復合材料高壓氣瓶的應用實踐
??????? 作為壓縮天然氣汽車的燃料容器，其鋼質氣瓶的應用始于60年代末，迄今為止已有近40年的應用歷史和150多萬只的應用量：多年的應用實踐和廣泛的應用量證明：只要鋼瓶生產符合給定標準且質量保證體系完善，鋼瓶的使用性能是可靠的。
??????? 鋼內襯環(huán)向增強復合材料氣瓶的應用始于80年代初；迄今為止，其應用量已超過10萬只；而金屬內襯全纏繞氣瓶和塑料內襯全纏繞氣瓶的應用于則始于90年代初，迄今的應用量近5萬只，其中Lincoln公司的復合材料氣瓶用量超過1．3萬只，用戶超過150個，目前已經得到15個國家完全認證或有條件認證和許可，這些國家包括加拿大、埃及、德國、日本、韓國、馬來西亞、墨西哥、荷蘭、比利時、新西蘭、南非、瑞典、英國和美國。
??????? Linc01n公司的全塑復合材料氣瓶主要有兩個方面的應用；首先是應用于各類雙燃料汽車，其次是應用于中學生公共汽車、運輸客車、機場和市區(qū)的交通車。在美國已有1/4-1/2的公共汽車用CNG作燃料。全塑復合材料氣瓶由于重量輕、使用安全而受到青睞。這類氣瓶也應用于輕型貨車和中型運輸車。
??????? 采用Linc01n公司的復合材料容器的制造廠包括：NeW Flyer，Metrotrans，Eidofado，Northrop Grum-man，Champion和Norican Transit。在這些公共汽車上氣瓶的安裝方式包括車頂和車底安裝的兩種形式。
??????? 應用復合材料氣瓶時，正確的安裝方法非常重要，否則可能會導致災難性的事故。例如：如果安裝方法不當，不僅會導致容器與載貨車分離，也可能使天然氣釋放到封閉區(qū)內，同時也會由于汽車上其它構件的干擾而在沖撞時發(fā)生不必要的危險。
??????? 正確的安裝不僅是采用的方法正確，而且正確設計氣瓶的安裝支架和準確計算支架的承載要求亦十分重要。氣瓶的安裝支架應該依據氣瓶制造者提出的要求和提供的指南及應用標準如：NFPAS2和CGA B149．4在載貨車和公共汽車上進行安裝和裝配。
??????? 正確地選用瓶閥和PRD(壓力釋放裝置)以及O型環(huán)是保證容器安全使用的另一重要方面。PRD的泄漏線應該由容器制造者標定，并符合NFPAS2和CGAB149．4標準中的規(guī)定。水的存在可能加速容器的腐蝕。冷凍可能引起PRD失效和氣體泄漏。
??????? 氣瓶應盡可能安裝在汽車上相對安全的區(qū)域，如公共汽車頂部，汽車的本體上；也可安放在公共汽車或汽車的下層或底部；即安裝的位置應使氣瓶、支架、導管和其它有關構件，其處在載貨車、汽車發(fā)生撞擊時和道路砂石沖擊所產生的危害最小的地方。顯然公共汽車頂部較為合理。安裝在汽車底部時，道路碎石和泥沙等危害較大，就應采用屏蔽設計。顯然正確的安裝也是保證氣瓶安全使用的重要方面。
??????? 綜上所述，全塑料復合材料氣瓶已經過廣泛的設計和資質認證試驗；現(xiàn)場的使用試驗結果也已證實；這種容器設計可以在汽車運行的環(huán)境和條件下安全地工作。全塑料復合材料氣瓶是安全的、耐疲勞的，其重量輕和價格之間是相匹配的；目前，這類氣瓶己得到世界上廣泛的承認和接受，在許多領域內市場正在迅速增加，特別是在各類公共汽車上的應用，分外受到人們的重視和歡迎。
??????? 六、CNGV氣瓶的失效與預防
??????? 產品喪失其規(guī)定功能的現(xiàn)象稱為失效，通常機械產品的失效可以歸納為3種情況：完全不能工作者；性能惡化，超過規(guī)定的失效判據者；失去安全工作能力者。CNGV氣瓶是一種特殊的機械產品--高壓容器；而它又比普通高壓容器有更為惡劣的工況和條件，同時這種高壓容器安放在運動車輛(多為城市中的公共汽車、乘用車)上，因此對氣瓶的可靠性提出了更高的要求，或者說在氣瓶服役期限內，不允許發(fā)生失去安全工作能力的失效。
??????? 氣瓶的失效模式有多種；常見的為：
??????? 間斷漏氣(intermittent leak)－－與氣瓶反復充、放氣相關的壓力循環(huán)使疲勞裂紋長大通過氣瓶側壁。只有當氣瓶充到最大壓力時，裂紋受張力張開，裂紋才發(fā)生漏氣。由于疲勞裂紋長大通過鋼質氣瓶所產生的漏氣就是例子。
??????? 連續(xù)漏氣(continuous leEtk)－－一種貫穿氣瓶壁的裂紋產生了一種連續(xù)的針孔漏氣，這種失效模式造成的壓力損失速率非常緩慢。依據透入臺量的大小，在一個封閉區(qū)域內的天然氣氣量的積聚就會比較明顯。塑料內襯氣瓶的塑料內襯的熔焊漏隙或針孔就是這類失效模式的例子。
??????? 斷裂開口(fracture)-比連續(xù)泄漏縫隙張開口的裂口更大，以致于壓力降比較快，亦比較明顯。在封閉區(qū)內燃氣積聚也迅速出現(xiàn)，在全金屬氣瓶口一個大的疲勞裂紋穿透側壁長大就是例子。
??????? 破裂開口(rupture)--失效的氣瓶仍是一個整體，但是由于高速逸出的氣體推動外部粒子會使氣瓶等構件出現(xiàn)物理損傷，當粒子碎片撞擊到外部金屬零件上可能會引起著火。1994年一輛通用汽車公司載貨車土氣瓶失效就是環(huán)境誘發(fā)開裂的例子。
??????? 碎片狀破裂(fragmentation rupture)--氣瓶破裂成碎片，并且由于飛起的金屬片的撞擊發(fā)生火災。1993年在美國發(fā)生的機械損傷誘發(fā)氣瓶失效就是這種失效的例子。
??????? 從失效模式可以看出：幾乎所有的CNGV氣瓶都是由于發(fā)生漏氣(leak)或破裂(rupture)而失效的。
??????? 除了暴露在嚴重的著火條件中氣瓶發(fā)生失效外，所有在使用中失效的CNGV氣瓶幾乎全都是在充氣中或剛剛充氣完成之后出現(xiàn)的。此時氣瓶內的壓力處于最大值；自1976年以來，已先后有20多起氣瓶發(fā)生破裂，20多起氣瓶泄漏事件發(fā)生；全金屬氣瓶，由于引入有效完善的標準體系，在制造中采用的非破壞和質量控制，以及合理的壓力釋放裝置(PRD)的應用，其鋼瓶在國外的失效幾率已大大地下降，但在國內，由于熱處理質量、旋壓收口質量以及天然氣中的硫及硫化氫含量偏高原因，其鋼瓶的失效幾率仍遠較國外為高。近年來，國內對氣瓶性能、材料與熱處理工藝研究所取得的進展和成果，己將鋼瓶的內在質量提高到一個新的水平，鋼瓶的可靠性已經大大提高，基本滿足了使用要求。
??????? 復合材料纏繞的氣瓶破裂，主要是由于外部的機械損傷引起；這可以通過正確的選材，復合材料層的防護，合理的安裝方法，嚴格的工藝方法以改進塑料內襯的漏氣，以及目測檢驗而改進和避免。
??????? 全金屬CNGV氣瓶在使用中的失效有以下幾種情況：
??????? 1)由于著火使氣瓶壓力升高，加之PRD失效或安裝存在問題，引起氣瓶發(fā)生4片破裂。
??????? 2)由于熱處理質量差，加之疲勞、應力腐蝕、和/或氫脆而使氣瓶出現(xiàn)碎片狀破裂。
??????? 3)氣瓶表面預先存在有裂縫或分層，在使用中反復充、放氣產生疲勞，使裂縫疲勞擴展穿透氣瓶側壁而使氣瓶產生破裂。
??????? 上述問題通過氣瓶生產廠的嚴格的質量管理體系，對每個生產的氣瓶都進行硬度、超聲和水壓試驗，并在使用的每個氣瓶上配裝PRD等安全措施而得以避免。
??????? 金屬內襯復合材料纏繞的氣瓶在使用中的失效有以下幾種情況：
??????? 1)鋁內襯環(huán)向纏繞的復合材料氣瓶，由于預先存在玻纖復合材料層的嚴重的機械損傷，致使金屬內襯得不到復合材料層的支撐，加之氣瓶過壓而導致氣瓶碎片狀破裂。外逸的天然氣并不會著火，但破碎片之間的沖擊，可能會引起天然氣或汽油著火。
??????? 2)環(huán)向復合材料增強的鋁內襯氣瓶，其復合材料部分己嚴重破壞，且氣瓶在慢速充氣中產生過壓，使氣瓶發(fā)生破裂。
??????? 3)復合材料層由于環(huán)境因素發(fā)生損傷，使復合材料層失去承壓能力，而導致玻纖全纏繞的氣瓶發(fā)生破裂。不正確的安裝會產生玻纖層的機械誘發(fā)損傷，環(huán)境因素會引起應力腐蝕斷裂，尤其是環(huán)向增強的復合材料層，一旦發(fā)生損傷，其氣瓶承壓能力將明顯下降，而在充壓時發(fā)生破裂。正確的安裝和合理的防護涂層，可以避免或減少這類失效。
??????? 復合材料全纏繞的塑料內襯氣瓶的失效情況主要是漏氣，造成這類氣瓶漏氣的原因是：
??????? 1)塑料內襯中預先存在裂縫，這種裂縫可能產生于塑料內襯的熔焊工藝不當，也可能產生于塑料內襯和端部金屬瓶口的組合工藝不良。當在較低的環(huán)境溫度下，快速充氣之后，氣瓶產生瞬間負壓，導致塑料內襯起皺和開裂。
??????? 2)塑料內襯全纏繞碳纖的氣瓶，在運輸、安裝、使用中出現(xiàn)的沖擊損傷，也可能會導致氣瓶充壓時發(fā)生破裂。因此，合理地選擇氣瓶的制造材料，采用優(yōu)良的結構設計，正確地制定和執(zhí)行標準，實行嚴格的質量管理和工藝過程以及質量認證試驗，認真執(zhí)行運輸、安裝、使用要求是預防氣瓶失效的重要措施和保證。
??????? 七、氣瓶安全分類
??????? 所有各類氣瓶的設計，都考慮了在使用條件下的氣瓶的使用安全和符合NGV的最新氣瓶標準；然而，在一些例外情況下，如火燒、碰撞以及嚴重的安裝使用不當，某些氣瓶設計可能會表現(xiàn)出更為優(yōu)良的性能?？偨Y了各種NGV使用條件下，各類氣瓶可能出現(xiàn)的相對危險和失效模式，其相對危險性的評價是基于失效歷史，所觀察到的某些材料在使用中的衰減，以及在缺乏嚴格的NGV標準所規(guī)定的使用條件下可能出現(xiàn)的一些現(xiàn)象和問題等方面所作出的。例如：“中等”危險是指金屬氣瓶和金屬內襯在制造中沒有正確進行非破壞檢驗而在使用中要承受疲勞應力、發(fā)生開裂，這種情況：對于類型1的全鋁合金內襯所產生的后果可能是“連續(xù)的泄漏氣”或斷裂(fracture)；而對于類型3的全纏繞設計的氣瓶，內襯的開裂將可能發(fā)生“間斷漏氣”，并且由于全纏繞復合材料所采用的張力纏繞工藝而改變了氣瓶實際承壓的尺度；類型4的塑料內襯氣瓶只可能出現(xiàn)疲勞開裂，因為這一設計對塑料內襯的疲勞開裂有阻礙作用，因此這只是一種“低的危險”類型。
??????? 相對危險的信息指出了各種普通氣瓶的固有的強度和不足，沒有一種氣瓶是元危險的。對于相對危險較高的氣瓶，例如：在類型4的氣瓶設計中在氣瓶的肩部采用了吸能材料，這種特殊設計可以降低搬運和載貨車撞擊時的沖擊部位的設計危險因子。此外，載貨車的OEM可以找出某些危險區(qū)域，通過工程設計使氣瓶承受沖擊的危險減至最小(例如：通過利用載貨車車架和遮敝系統(tǒng)等)。
??????? 關于相對危險的這些數(shù)據并不完全表明氣瓶是安全或者不安全的，當使用者定制氣瓶時，除了考慮價格之外，還應考慮其相對危險的水平，并且將這些多重危險因素考慮到整個載貨車設計中去。雖然在相對危險的評價結果和所料測的失效率之間并沒有必然的直接聯(lián)系，但經驗數(shù)據也表明：實際所統(tǒng)計的歷年的失效率和相對危險的評價結果之間有一個總體的對應。
??????? 破裂率是氣瓶的破裂數(shù)和正在使用的氣瓶總數(shù)之比，這一值可進一步考慮到每個氣瓶的總的使用年數(shù)而重新定義，一般來說氣瓶的類型1和類型2比類型3和類型4有更長的使用周期，基于使用性能、材料性能中數(shù)據，在GNV氣瓶設計尚存在嚴重不規(guī)范的條件下，按可靠性降低順序排列如下：
??????? 1)全金屬氣瓶：①鋼質氣瓶；②鋁質氣瓶。
??????? 2)環(huán)向纏繞氣瓶：①鋼內襯碳纖維環(huán)向纏繞氣瓶；②鋁內襯碳纖維環(huán)向纏繞氣瓶；②鋼內襯玻纖環(huán)向纏繞氣瓶；④鋁內襯玻纖環(huán)向纏繞氣瓶。
??????? 3)碳纖維整體纏繞氣瓶：①鋁內襯碳纖維整體纏繞氣瓶；②塑料內襯碳纖維和玻纖混合纏繞氣瓶；②塑料內襯碳纖維整體纏繞氣瓶。
??????? 4)玻纖整體纏繞氣瓶：①鋁內襯玻纖整體纏繞氣瓶；②塑料內襯玻纖整體纏繞氣瓶。
??????? 八、總結
??????? 1)尋求新的汽車能源。降低汽車排放污染是燃氣汽車發(fā)展的動力。中國某些地區(qū)貧泊富氣，發(fā)展燃氣汽車已是勢在必行，而燃氣汽車的發(fā)展還可帶動氣站壓縮機、氣瓶、供氣系統(tǒng)和改裝汽車等相關產業(yè)的發(fā)展。因此我國目前十分重視燃氣汽車的發(fā)展。
??????? 2)燃氣汽車的發(fā)展的重要部件是儲存燃料的氣瓶。這類氣瓶屬高壓容器，制造用材、工藝與技術均要求十分嚴格，以保證其使用的安全性和可靠性。
??????? 3)燃氣汽車的儲氣瓶可分為全金屬氣瓶、金屬內襯環(huán)向復合材料增強氣瓶、金屬內襯整體復合材料增強氣瓶和塑料內襯整體復合材料增強氣瓶。其增強纖維可分為玻纖，以及玻纖和碳纖混合纖維。每種氣瓶都有相應的標準要求(如美國的NGV2一l、2、3、4等)。我國目前只有鋼質氣瓶生產，相應的只有鋼質氣瓶標準；輕質復合材料氣瓶正在研制和開發(fā)中，不久即可批量生產和供應市場。
??????? 4)輕質復合材料氣瓶的開發(fā)與生產屬高新技術，這類氣瓶是融各類內襯的密封性和復合材料的可設計性、高強度、輕重量的特點為一體，大幅度減輕了氣瓶重量，又保證承壓能力以及使用期間的疲勞壽命。國際上只有少數(shù)工業(yè)發(fā)達國家才具有研究開發(fā)生產能力。這類輕質復合材料氣瓶不僅用于燃氣汽車的燃料容器，而且還廣泛用于消防，以及宇航、井下作業(yè)人員的呼吸器，市場應用前景十分廣闊。
??????? 5)氣瓶的失效模式為間斷漏氣、連續(xù)漏氣、斷裂和破裂開口以及碎片狀破裂5種；為保證氣瓶使用中的安全性，一系列的標準規(guī)定氣瓶失效時不允許山現(xiàn)脆性斷裂，而應采用在破裂前泄漏的失效模式即leak before rupture(簡稱：LBR)。
??????? 6)燃氣汽車氣瓶的安全性自高向低的排序為：全金屬氣瓶；金屬內襯環(huán)向復合材料增強氣瓶；金屬內襯整體復合材料增強氣瓶，其碳纖維增強氣瓶優(yōu)于玻纖和芳綸纖維增強氣瓶，但價格高于玻纖增強氣瓶。
??????? 7)已進行的廣泛的使用試驗的統(tǒng)計續(xù)果表明：只要合理地選擇氣瓶制造材料，采用優(yōu)良的結構設討，正確地制定和執(zhí)行標準，實行嚴格的質量管理和工藝控制過程以及質量認證試驗，認真執(zhí)行運輸、安裝、檢驗、使用要求，燃氣汽車的氣瓶是十分安全的。
??????? 8)目前生產的各類氣瓶，都是經過嚴格的質量認證的，究競選用哪種氣瓶取決于使用者對氣瓶的價格、重量和使用的車型與條件的要求。(end)
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