大容積車用LNG氣瓶開發介紹

蔣嫻文，廉蓉，王華棟

（1.陜西國德電氣制造有限公司，陜西 西安 710075；2.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

測試試驗

大容積車用LNG氣瓶開發介紹

蔣嫻文1，廉蓉2，王華棟2

（1.陜西國德電氣制造有限公司，陜西 西安 710075；2.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

文章介紹了500L＜V＜1000L大容積車載LNG氣瓶結構原理，分析了大容積車載LNG氣瓶型式試驗要求，提出了應對常見失效模式的解決措施，總結了大容積車載LNG氣瓶技術開發關鍵要點。

大容積車載LNG氣瓶；型式試驗；失效模式；解決措施

CLC NO.:U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-159-03

前言

隨著我國經濟的迅速發展和汽車保有量的高速增長，正面臨汽車能源需求與環境保護的雙重巨大壓力。發展清潔能源汽車已成為降低汽車排放污染和調整能源結構的必然選擇，液化天然氣（LNG）是目前全球公認的清潔能源，它具有節能、環保、安全、可靠、經濟效益突出等眾多優點。國內汽車用發動機燃料開始由柴油向天然氣轉變，而油箱也轉化成一個或多個液化天然氣車載瓶。

LNG車載燃料系統主要由LNG燃料氣瓶、連接管路、汽化裝置、減壓裝置、安全裝置及增壓系統等組成。車載LNG氣瓶是車載燃料系統的核心部件，隨著近幾年我國天然氣汽車的發展，目前市場上有容積從155L至500L各種規格氣瓶，但最大單瓶容積為500L，一般多瓶組合供氣系統最常見配置為2×450L，2×500L。隨著近幾年LNG汽車在市場上的推廣使用，目前多瓶LNG供氣系統自重大、成本高、系統操作繁瑣等弊端也逐漸顯露，但在現有的LNG氣瓶規格下，進行降重、降成本及提升操作性難度較大。在此背景下，國家法規TSG R0006-2014《氣瓶安全技術監察規程》對氣瓶公稱容積修改為0.4L～3000L，氣瓶標準委員會針對車用LNG氣瓶規格最大容積由500L擴充至1000L。可見車載LNG氣瓶向大容積發展已經成為天然氣汽車發展需求的一種必然趨勢。

大容積車載LNG氣瓶雖然與原來小容積車載LNG氣瓶結構原理相似，由內膽、外殼、絕熱結構、支撐系統和剛性組件組成；但大容積氣瓶容積增大，重量更重，長度更長，為保證大容積車載LNG氣瓶使用的安全可靠性，氣瓶標準委員會對大容積氣瓶的安全性能試驗提出了更嚴格的要求。本文簡述了大容積氣瓶安全型式試驗要求，分析了大容積氣瓶常見的失效模式以及應對措施，總結出大容積氣瓶開發關鍵技術要點。

1、大容積車載LNG氣瓶結構原理

大容積車載LNG氣瓶，其存儲介質為液化天然氣，設計溫度為-196℃，工作壓力為1.59MPa，公稱容積為500L～1000L，其絕熱方式采用高真空多層纏繞式。大容積車載LNG氣瓶系統結構由氣瓶、框架、拉帶、外置氣化器、閥門及外部管路等零部件組成（詳見圖1），其氣瓶由內膽、外殼、絕熱結構、支撐系統和剛性組件組成（詳見圖2）。LNG氣瓶是一個絕熱性能超卓的雙層容器，結構為里面是一個不銹鋼內膽，內膽通過支承件與外殼連接，用來儲存液化天然氣，能夠承受較大的壓力，內部有加注噴淋管、液位傳感器等；內膽外面再套一個不銹鋼外殼，稱之為外殼，外殼保護內膽并對整個瓶體起支撐作用，具有高強度及良好絕熱性能的支承系統將內膽懸掛在外殼之內。內膽和外殼的夾層之間由絕熱材料和超高真空形成一個絕熱空間，來阻止內膽中液化天然氣的蒸發。

圖1 大容積車載LNG氣瓶系統結構示意圖

圖2 大容積車載LNG氣瓶結構示意圖

對于大容積LNG車載氣瓶的結構開發，標準要求最大變化是允許氣瓶設置自增壓結構。此項規定的變化，使氣瓶實際結構和型式試驗結構相一致，型式試驗更接近實際使用工況，型式試驗驗證后的氣瓶結構可靠性更高。

2、大容積車載LNG氣瓶型式試驗要求

由于大容積車載LNG氣瓶可以設置自增壓結構，供氣系統可設置外部增壓器，所以大容積車載LNG氣瓶型式試驗時，分單瓶結構（僅氣瓶和閥門等組合部件）試驗和整套系統型式試驗，整套系統包括氣瓶和閥門等組合部件、框架、外置增壓器以及管路系統。

大容積車載LNG氣瓶安全性能試驗包括：振動試驗、火燒試驗、3m高度跌落試驗、10m高度跌落試驗。其中振動試驗、火燒試驗，可以整體系統進行的試驗代替氣瓶單獨進行的試驗；10m跌落和3m跌落試驗應對單瓶和整體系統分別進行試驗。

另外大容積氣瓶型式試驗對靜態蒸發率、振動試驗、火燒試驗、跌落試驗做出了新的要求，并新增加了反復充裝試驗和維持時間試驗項目。

2.1 靜態蒸發率試驗和維持時間試驗

氣瓶標準委員會要求的大容積LNG氣瓶靜態蒸發率為≤2.4%/d，由于氣瓶容積增大，實際試驗測得的大容積氣瓶都比500L以下容積氣瓶靜態蒸發率低，以目前市場上最普遍的750L氣瓶和500L氣瓶為例測得結果見表1。氣瓶靜態蒸發率和氣瓶維持時間都是衡量氣瓶絕熱性能優劣的重要指標，氣瓶靜態蒸發率又和氣瓶維持時間是相關聯的，大容積氣瓶靜態蒸發率低自然維持時間就會更長。影響氣瓶絕熱性能的一個關鍵因素就是氣瓶支撐結構，氣瓶的前后支撐結構決定了外部向氣瓶內膽導熱路徑長短，漏熱量的大小，直接影響著氣瓶靜態蒸發率的高低和氣瓶維持時間長短。在大容積LNG氣瓶結構設計時，需選擇高強度且具有良好絕熱性能的支承方式。

表1

2.2 振動試驗

車載LNG氣瓶振動試驗是對氣瓶內膽與外殼的支撐結構、氣瓶管路系統、外置增壓器及氣瓶安裝框架等附件的支撐強度、焊接強度以及疲勞強度的綜合考量。大容積LNG氣瓶與小于500L氣瓶振動試驗條件最大變化就是振動加速度由3g變為5g，因此對氣瓶的支撐結構設計提出了更高的要求。振動試驗最常見的失效模式就是在振動試驗頻率8~40Hz范圍內氣瓶頂部檢測點出現波峰點，造成共振破壞。常見的共振破壞失效模式主要有：支撐結構斷裂，外封頭焊縫開裂，夾層增壓管斷裂，外部管路斷裂等。為避免振動試驗共振破壞，必須通過改變設計結構，盡可能增大氣瓶固有頻率。固有頻率計算公式為：

式中，k為物體的剛度系數，單位N/m；

m為物體的質量，單位kg。

由以上公式可知，若要增大氣瓶系統固有頻率，可以減輕氣瓶系統重量和增大氣瓶整體系統剛性。氣瓶重量主要取決于氣瓶壁厚，而氣瓶壁厚主要由設計壓力決定，為證氣瓶強度，氣瓶重量很難減輕，只能增強氣瓶內部支撐結構和增大框架固定結構剛度。

通過前期試驗針對振動試驗提出以下幾點解決措施：

1) 氣瓶結構設計時，需考慮波峰點處振動加速度量級放大效應，氣瓶內部支撐結構強度計算需取1.6~2倍的安全系數；

2)氣瓶框架設計為整體結構，增加整套系統的剛性；

3)氣瓶框架與振動臺面之間盡可能多設連接螺栓，以增加整體連接剛性，降低氣瓶頂部振動量級擴大倍數。

4)在瓶體內部結構設計時，不能單一的追求氣瓶支撐強度，而忽略了支撐結構的漏熱量，應在氣瓶絕熱性能和強度之間找到一個合適平衡點。

2.3 火燒試驗

火燒試驗的目的是檢驗車載LNG氣瓶在外部高溫環境下絕熱系統性能的安全可靠性。氣瓶的真空絕熱性能是氣瓶主要質量和安全指標，只有氣瓶具有良好的絕熱性能，才可能在火災意外事故時，爭取足夠的救助時間。火燒試驗也是對氣瓶設計安全閥型號以及排放性能選取合理性的檢驗。內膽應設置至少兩只安全閥，主、副安全閥入口接管應為獨立通道與內膽氣相空間直接連通，每只安全閥的排放能力應能單獨滿足安全泄放的要求。安全閥前不允許裝設截止閥。

2.4 跌落試驗

大容積車載LNG氣瓶跌落試驗包括：10m單瓶跌落、10m整體系統跌落、3m單瓶跌落和3m整體系統跌落。跌落試驗目的是為檢驗整體系統及氣瓶在沖擊條件下的完整性。跌落試驗前,氣瓶應裝滿與LNG等重量的液氮，氣瓶處于完全冷卻狀態，試驗前關閉放空閥。地面為堅固、平整的水平水泥地面。對于帶有外置增壓器及氣瓶固定支座的氣瓶，無論實際安裝支架的輪廓尺寸如何，試驗時所用固定支座的輪廓在管路系統端至少應大于氣瓶護罩輪廓250mm以上，以驗證氣瓶與外置增壓器及氣瓶固定支座發生相對位移時管道是否破裂。

大容積車載LNG氣瓶在沖擊條件下，失效模式主要有夾層增壓管路斷裂和外部閥門管路斷裂。在氣瓶內部夾層增壓管設計時，需保證增壓管在三個方向有足夠柔性，緩解在外部沖擊條件下內膽與外殼之間的相對位移量。外部管路系統需盡量較少懸臂結構，合理設置管架支撐。

2.5 反復充裝試驗

大容積車載LNG氣瓶需根據設計要求的最低充裝飽和蒸汽壓力和安全閥開啟壓力設計合理的安全空間，安全空間應保證氣瓶充裝額定的最低充裝壓力下的飽和LNG后，內壓力升至安全閥開啟壓力時，內膽不滿液。

安全空間計算方法如下：

式中，

Fs——安全空間容積占內膽公稱容積的百分比，%；

ρ1——最低充裝壓力下的飽和LNG的密度，kg/m3；

ρ2——安全閥開啟壓力下的飽和LNG的密度，kg/m3；

計算結果應向上圓整至整數。

大容積車載LNG氣瓶應具備自動限充功能保證氣瓶的安全空間。自動限充功能試驗就是在瓶內LNG任意殘留的狀態下再次充裝時，驗證瓶內實際安全空間是否滿足設計安全空間要求。

3、結語

大容積車載LNG氣瓶的研發，標志著車載瓶進入了一個新的技術領域。大容積車載LNG氣瓶靜態蒸發率、振動試驗、火燒試驗、跌落試驗、反復充裝試驗和維持時間試驗等型式試驗，是模擬大容積車載LNG氣瓶實際運行工況下強度、剛度和安全可靠性的全面檢驗。本文分析了大容積車載LNG氣瓶常見的失效模式并提出了解決措施，總結了車載LNG氣瓶結構技術開發關鍵要點，為大容積車載LNG氣瓶的研發提供了參考依據。

[1] GB/T 150.1～4-2011,壓力容器[S].北京:中國標準出版社,2011.

[2] TSG R0006-2014,氣瓶安全技術監察規程.北京：新華出版社,2014.

[3] TSG R0009-2009,車用氣瓶安全技術監察規程.北京:新華出版社, 2009.

[4] TSG R7002-2009,氣瓶型式試驗規則.北京:新華出版社,2009.

Introduction of large volume-LNG vehicular tank

Jiang Xianwen1, Lian Rong2, Wang Huadong2
( 1.Shaanxi Guode Electric Co.,Ltd., Shaanxi Xi'an 710075; 2.Shaanxi Heavy-Duty Truck Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

This paper introduces the structure and principle of 500L＜V＜1000L volume LNG vehicular tank，makes analysis of the type test requirements about large volume-LNG vehicular tank，brings forward the solutions responded to a common failure mode，and summarizes the key points of large volume-LNG vehicular tank research and development.

large volume-LNG vehicular tank; type test; failure mode; solutions

U467.3

A

1671-7988(2016)07-159-03

蔣嫻文，畢業于西安工程科技學院機械工程及自動化專業，現就職于陜西國德電氣制造有限公司，從事高壓開關殼體、壓力容器、高鐵傳動箱等產品的設計及工藝工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.050