車(chē)用LNG氣瓶的定期檢驗(yàn)技術(shù)

夏 莉 李 蔚 魯雪生 劉金良 廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院

車(chē)用LNG氣瓶的定期檢驗(yàn)技術(shù)

夏 莉 李 蔚 魯雪生 劉金良 廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院

針對(duì)車(chē)用液化天然氣(LNG)氣瓶定期檢驗(yàn)的特殊要求，制定出定期檢驗(yàn)項(xiàng)目及相應(yīng)的檢驗(yàn)方法。重點(diǎn)對(duì)車(chē)用LNG氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率的測(cè)試方法進(jìn)行研究，并給出評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。研究成果為車(chē)用LNG氣瓶的安全應(yīng)用提供保障，為車(chē)用LNG氣瓶定期檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供理論依據(jù)。

車(chē)用LNG氣瓶 定期檢驗(yàn) 靜態(tài)蒸發(fā)率 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

液化天然氣(LNG）作為一種清潔燃料，開(kāi)始廣泛地應(yīng)用于汽車(chē)、船舶、燃?xì)獍l(fā)電裝置等各種動(dòng)力系統(tǒng)，尤其是LNG動(dòng)力汽車(chē)，發(fā)展非常迅速[1]。在LNG汽車(chē)的燃料系統(tǒng)中，儲(chǔ)存LNG的“車(chē)用LNG低溫絕熱氣瓶”是關(guān)鍵的設(shè)備，它不僅是屬于低溫壓力容器類(lèi)，而且存儲(chǔ)的LNG是易燃易爆介質(zhì)，更重要的是汽車(chē)在道路上行駛，因此設(shè)備的安全性尤為重要。為加強(qiáng)和規(guī)范車(chē)用LNG氣瓶的安全監(jiān)督管理，保障車(chē)用LNG氣瓶的使用安全，在《車(chē)用氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中雖對(duì)車(chē)用LNG氣瓶的定期檢驗(yàn)提出了要求。但如何檢驗(yàn)，目前還沒(méi)有關(guān)于車(chē)用LNG氣瓶定期檢驗(yàn)的國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

本文參照低溫絕熱氣瓶的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并考慮實(shí)際車(chē)用LNG氣瓶的特殊性，初步制定檢驗(yàn)項(xiàng)目、方法與合于使用的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，然后再經(jīng)過(guò)實(shí)踐論證所制定的車(chē)用LNG氣瓶定期檢驗(yàn)規(guī)則的合理性，旨在為車(chē)用LNG氣瓶定期檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)提供理論基礎(chǔ)。

1 定期檢驗(yàn)項(xiàng)目與檢驗(yàn)周期

為確保車(chē)用LNG氣瓶的使用安全，主要從兩個(gè)方面對(duì)氣瓶性能做出規(guī)定：一是對(duì)氣瓶的強(qiáng)度要進(jìn)行檢定，確保氣瓶強(qiáng)度滿(mǎn)足使用要求；二是LNG是可燃?xì)怏w，遇到火源會(huì)出現(xiàn)燃燒甚至于爆炸現(xiàn)象；而且LNG是窒息性氣體，一旦泄露會(huì)對(duì)人員造成危害，因此LNG的泄放要滿(mǎn)足要求。基于此，參照GB 24159《焊接絕熱氣瓶》、《車(chē)用氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，制定出定期檢驗(yàn)項(xiàng)目，包括：資料審查、外觀檢查、安全附件及閥門(mén)檢驗(yàn)、氣密性試驗(yàn)、靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)試，必要時(shí)需測(cè)量真空度、漏放氣速率、漏氣速率及進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)、耐壓試驗(yàn)、內(nèi)部檢查。

一般情況，車(chē)用LNG氣瓶每?jī)赡隀z驗(yàn)一次；車(chē)用LNG氣瓶在使用過(guò)程中，若有嚴(yán)重?fù)p傷、發(fā)生事故、或?qū)ζ浒踩煽啃杂袘岩傻膽?yīng)提前進(jìn)行檢驗(yàn)。停用時(shí)間超過(guò)一年的氣瓶，重新使用前應(yīng)進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 車(chē)用LNG氣瓶的定期檢驗(yàn)方法

2.1 車(chē)用LNG氣瓶定期檢驗(yàn)的特殊要求

● 2.1.1 檢測(cè)效率要高

目前，檢測(cè)的車(chē)用LNG氣瓶主要是應(yīng)用在公交車(chē)上，每個(gè)批次檢驗(yàn)的LNG氣瓶數(shù)量較為龐大，在檢測(cè)過(guò)程中既要嚴(yán)格遵照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行各個(gè)環(huán)節(jié)的檢測(cè)工作，但又不能影響公交車(chē)的運(yùn)營(yíng)，要求檢測(cè)不但要準(zhǔn)確，而且檢測(cè)效率要高。

● 2.1.2 絕熱性能檢測(cè)方法

氣瓶絕熱性能直接影響了瓶?jī)?nèi)壓力變化，繼而決定由于安全閥起跳而導(dǎo)致的LNG氣體的泄放量，因此要對(duì)氣瓶的絕熱性能進(jìn)行檢測(cè)。氣瓶的絕熱結(jié)構(gòu)為高真空多層絕熱，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[2]中介紹的用于描述深冷壓力容器絕熱性能的參數(shù)有：真空度、靜態(tài)蒸發(fā)率、漏熱量以及維持時(shí)間等。其中對(duì)于氣瓶真空度的測(cè)量，由于氣瓶上并未設(shè)有真空規(guī)管，因此不方便在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行氣瓶真空度的測(cè)試。而其它三個(gè)參數(shù)—靜態(tài)蒸發(fā)率、漏熱量以及維持時(shí)間之間存在相互的轉(zhuǎn)換關(guān)系，因此考慮到測(cè)量時(shí)間與可操作性等因素，選取氣瓶的靜態(tài)蒸發(fā)率來(lái)代表它的絕熱性能。

● 2.1.3 避免氣瓶拆裝

在檢驗(yàn)過(guò)程中如采用的測(cè)試方法需要拆裝氣瓶將會(huì)帶來(lái)以下問(wèn)題：氣瓶的拆裝工作量大，經(jīng)濟(jì)與人工成本增加；車(chē)用LNG氣瓶是需要由具有氣瓶安裝資質(zhì)的單位進(jìn)行安裝的，因此還牽涉到拆裝資質(zhì)問(wèn)題；氣瓶的拆裝將增加檢驗(yàn)時(shí)間，影響公交車(chē)運(yùn)營(yíng)；另外，每次拆裝都要更換密封件，如不更換或更換方法不恰當(dāng)，就會(huì)使氣瓶的密封性變差，導(dǎo)致出現(xiàn)可燃?xì)怏w泄漏的安全隱患。由此可見(jiàn)，在對(duì)車(chē)用LNG氣瓶進(jìn)行定期檢驗(yàn)的過(guò)程中應(yīng)該盡量避免氣瓶的拆裝。

基于上述對(duì)車(chē)用LNG氣瓶定期檢驗(yàn)的特殊要求，采用宏觀排查與重點(diǎn)檢驗(yàn)相結(jié)合的檢驗(yàn)方式，這樣既可以保證檢驗(yàn)效率也可以保證檢驗(yàn)準(zhǔn)確度。具體檢驗(yàn)方案是：對(duì)每一只氣瓶進(jìn)行資料審查、外觀檢查、安全附件及閥門(mén)檢驗(yàn)、氣密性試驗(yàn)等；而對(duì)絕熱性能測(cè)試時(shí)，首先采用紅外熱成像的辦法逐臺(tái)對(duì)氣瓶的保冷情況進(jìn)行檢測(cè)，然后重點(diǎn)對(duì)宏觀檢測(cè)結(jié)果中跑冷較嚴(yán)重的氣瓶進(jìn)行靜態(tài)蒸發(fā)率的測(cè)試。在所有檢測(cè)項(xiàng)目中耗時(shí)最長(zhǎng)、檢測(cè)難度最大的就是靜態(tài)蒸發(fā)率的測(cè)試。

2.2 靜態(tài)蒸發(fā)率的測(cè)試方法

根據(jù)GB18443.5[4]，靜態(tài)蒸發(fā)率為深冷儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備在額定充滿(mǎn)率下，靜置達(dá)到熱平衡后，24h內(nèi)自然蒸發(fā)損失的深冷液體質(zhì)量與內(nèi)容器有效容積下深冷液體質(zhì)量的百分比。在該標(biāo)準(zhǔn)中給出兩種靜態(tài)蒸發(fā)率的測(cè)試方法：一種是流量計(jì)法，一種是稱(chēng)重法。同時(shí)借鑒GB18443.6[4]中管道漏熱量測(cè)量的表面溫度法，當(dāng)找出漏熱量和靜態(tài)蒸發(fā)率之間的關(guān)系后，也可以得到氣瓶的靜態(tài)蒸發(fā)率，因此又多了一種靜態(tài)蒸發(fā)率的測(cè)試方法，即GB18443.6[4]中規(guī)定的表面溫度法。

● 2.2.1 流量計(jì)法

流量計(jì)法首先采用氣體質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)被檢件中液體蒸發(fā)后通過(guò)流量計(jì)的氣體質(zhì)量流量，然后利用測(cè)出的氣體質(zhì)量流量計(jì)算測(cè)試蒸發(fā)率和靜態(tài)蒸發(fā)率，試驗(yàn)原理圖如圖1所示。

圖1 流量計(jì)法實(shí)驗(yàn)原理圖

● 2.2.2 稱(chēng)重法

采用稱(chēng)重法測(cè)量時(shí)，氣瓶充至額定的充裝量后，將氣瓶置于衡器上，通過(guò)衡器測(cè)量氣瓶中深冷液體蒸發(fā)的質(zhì)量，利用測(cè)量的蒸發(fā)量計(jì)算測(cè)試蒸發(fā)率和靜態(tài)蒸發(fā)率。

● 2.2.3 表面溫度法

測(cè)量氣瓶的外表面溫度及對(duì)應(yīng)的環(huán)境溫度，按大空間自然對(duì)流計(jì)算通過(guò)瓶體漏入氣瓶的熱量；同時(shí)按測(cè)得的接頭空氣側(cè)溫度與液體溫度的差值計(jì)算接頭的導(dǎo)熱漏熱量，這兩部分漏熱之和為氣瓶的總漏熱量，最后，利用總漏熱量計(jì)算氣瓶的靜態(tài)蒸發(fā)率。

● 2.2.4 靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)試方法的比較

據(jù)調(diào)查顯示，由于各地剛剛開(kāi)展車(chē)用LNG氣瓶的定期檢驗(yàn)，而且檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)還不完善，因此對(duì)車(chē)用LNG氣瓶的定期檢驗(yàn)方法爭(zhēng)論頗多，上述三種方法都有應(yīng)用，這里對(duì)這三種靜態(tài)蒸發(fā)率的測(cè)試方法進(jìn)行比較研究，比較情況見(jiàn)表1。第一，從檢測(cè)過(guò)程中是否有氣體排放的角度來(lái)看，對(duì)于流量計(jì)法和稱(chēng)重法來(lái)說(shuō)，檢測(cè)時(shí)都有氣體排放到環(huán)境中，因?yàn)長(zhǎng)NG是不允許直接排放到大氣中的，因此采用這兩種方法進(jìn)行測(cè)試前必須要用液氮（LN2)對(duì)LNG進(jìn)行置換。其次，從檢測(cè)介質(zhì)來(lái)看，除考慮到上述氣體排放因素之外，由于在流量計(jì)法中氣體流量計(jì)僅對(duì)單一組份氣體的檢測(cè)較為準(zhǔn)確，而對(duì)LNG這種多組份氣體檢測(cè)的準(zhǔn)確度不高，所以在采用流量計(jì)法時(shí)要用具有單一組份的LN2置換多組分的LNG。從上面兩點(diǎn)可以看出，若采用流量計(jì)法和稱(chēng)重法時(shí)要先用LN2置換LNG后才能進(jìn)行測(cè)試。第三，從測(cè)試是否要求拆裝氣瓶的角度看，稱(chēng)重法要求必須將氣瓶從車(chē)上拆卸下來(lái)，而其它兩種方法可以不用拆卸氣瓶，直接實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。第四，從檢測(cè)時(shí)間來(lái)看，三種方法都要求：氣瓶在額定充滿(mǎn)率下，靜置24h達(dá)到熱平衡后，才能進(jìn)行測(cè)量。流量計(jì)法中，熱平衡后，還要對(duì)氣瓶進(jìn)行24h的蒸發(fā)量測(cè)試，因此流量計(jì)法的測(cè)試時(shí)間至少需要2天時(shí)間；稱(chēng)重法中，穩(wěn)定后的測(cè)試時(shí)間也至少需要24h，還要加上氣瓶在測(cè)試前后都要進(jìn)行拆裝的時(shí)間，因此，在采用稱(chēng)重法進(jìn)行蒸發(fā)率測(cè)試時(shí)，一般需要5～6天時(shí)間；對(duì)于表面溫度法，只要?dú)馄窟_(dá)到熱穩(wěn)定后，就可以進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試只需要1h左右的時(shí)間，因此表面溫度法的總測(cè)試時(shí)間在1天左右。第五，測(cè)試成本。流量計(jì)法中，流量計(jì)要選用精度比較高的型號(hào)，因此價(jià)格比較昂貴；另外，在測(cè)試過(guò)程中流量計(jì)要連續(xù)采集氣瓶蒸發(fā)量的數(shù)據(jù)，也就是說(shuō)測(cè)試全程一臺(tái)流量計(jì)只能對(duì)一只氣瓶進(jìn)行測(cè)試，多只氣瓶同時(shí)測(cè)試就要購(gòu)置多臺(tái)流量計(jì)，因此該方法設(shè)備成本較高。稱(chēng)重法要求拆裝氣瓶，因此氣瓶拆裝的人工成本及密封件的更換成本大幅增加。第六，在測(cè)試精度方面。流量計(jì)法、稱(chēng)重法中若采用高精度儀器，測(cè)試精度就可以得到保證，但表面溫度法的測(cè)試準(zhǔn)確度比較差。表面溫度法的測(cè)試中，通常氣瓶表面溫度和環(huán)境溫度之間的溫差很小，這時(shí)測(cè)溫元件的測(cè)量誤差對(duì)測(cè)試結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大影響，另外，氣瓶漏熱的30%以上出現(xiàn)在氣瓶端部的接管處[5]，而這部分傳熱的幾何特性復(fù)雜，也很難精確計(jì)算，因此表面溫度法的測(cè)試精度是這三種測(cè)試方法中最差的。綜合考慮測(cè)試精度、測(cè)試時(shí)間及測(cè)試成本，流量計(jì)法是一種推薦的車(chē)用LNG氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率的測(cè)試方法（見(jiàn)表1)。

表1 車(chē)用LNG氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)試方法比較

● 2.2.5 靜態(tài)蒸發(fā)率的合格標(biāo)準(zhǔn)

目前，由于國(guó)家還未推出車(chē)用LNG氣瓶的定期檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，因此車(chē)用LNG氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率的合格指標(biāo)就參照TSG R7001-2013《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》中對(duì)低溫壓力容器靜態(tài)蒸發(fā)率定期檢驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，即：“實(shí)際日蒸發(fā)率數(shù)值小于2倍額定日蒸發(fā)率指標(biāo)為合格。”

3 定期檢驗(yàn)的開(kāi)展情況

廣東省是我國(guó)最早推廣LNG公交車(chē)的地區(qū)之一，因此也是最早進(jìn)行車(chē)用LNG氣瓶定期檢驗(yàn)的省份，在檢驗(yàn)方法的研究上也做了大量的探索和研究，形成了較為成熟的車(chē)用LNG氣瓶的檢測(cè)方法。目前，已完成7個(gè)批次646只車(chē)用LNG氣瓶的定期檢驗(yàn)工作，在檢驗(yàn)過(guò)程中得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）目前采用的儀器與檢測(cè)方法經(jīng)實(shí)踐證實(shí)，準(zhǔn)確度較高。

2）宏觀跑冷排查與靜態(tài)蒸發(fā)率重點(diǎn)檢查相結(jié)合的檢測(cè)方法，可在保證檢測(cè)準(zhǔn)確度的前提下，極大地提高檢測(cè)效率。

3）按照該檢測(cè)方法進(jìn)行檢驗(yàn)可以滿(mǎn)足車(chē)用LNG氣瓶安全使用的檢測(cè)要求。

4 結(jié)論

為保障車(chē)用LNG氣瓶的使用安全，要求對(duì)車(chē)用LNG氣瓶進(jìn)行定期檢驗(yàn)。目前車(chē)用LNG氣瓶定期檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)還不完善，因此需要對(duì)車(chē)用LNG氣瓶定期檢驗(yàn)進(jìn)行深入研究。針對(duì)車(chē)用LNG氣瓶定期檢驗(yàn)的特殊要求，制定出定期檢驗(yàn)項(xiàng)目，并針對(duì)檢驗(yàn)項(xiàng)目制定出相應(yīng)的檢驗(yàn)方法，其中，重點(diǎn)對(duì)車(chē)用LNG氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率的測(cè)試方法進(jìn)行了研究，并給出合格與否的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。研究成果將為車(chē)用LNG氣瓶的定期檢驗(yàn)提供有力的理論依據(jù)。

1 馮志剛.車(chē)用LNG氣瓶定期檢驗(yàn)工藝及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn).中國(guó)特種設(shè)備安全,2013,4：27－30

2 GB/T 18443－2010真空絕熱深冷設(shè)備性能試驗(yàn)方法

3 GB/T 18443.5－2010真空絕熱深冷設(shè)備性能試驗(yàn)方法第5部分：靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)量

4 GB/T 18443.6－2010真空絕熱深冷設(shè)備性能試驗(yàn)方法第6部分：漏熱量測(cè)量

5 徐萌,王彩莉,汪榮順.國(guó)內(nèi)外低溫絕熱氣瓶應(yīng)用現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù).低溫工程,2007,160(6)：63－67

Taking into account of the special requirements of periodic inspection to the liquefied natural gas (LNG) cylinders for vehicles, the periodic inspection items and appropriate testing methods are developed, in which the static evaporation rate measurement is focused on. The testing method and evaluation criterion of the static evaporation rate are researched in detail. The researching results help guarantee the safety application of the LNG cylinders and provide a theoretical basis for the periodic inspection standard of LNG cylinders for vehicles.

Liquef ed natural gas cylinders for vehicles Static evaporation rate Periodic inspection Evaluation criterion

2013－08－30）