車載LNG氣瓶絕熱性能定期檢測方法分析

丁　棟，陳　聯，孫冬花，朱建炳

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州　730000）

車載LNG氣瓶絕熱性能定期檢測方法分析

丁棟，陳聯，孫冬花，朱建炳

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州730000）

車載LNG氣瓶采用真空絕熱技術實現LNG的長期貯存，達到節能減排，低溫絕熱性能是衡量產品綜合性能的重要依據之一。目前，車載LNG氣瓶的低溫絕熱性能在出廠前已經進行了檢測，國家已經建立了相關測試標準和判別標準，規定了檢測方法和評價依據，但使用過程中的絕熱性能定期檢測一直是行業內的短板，相關標準和法規還不完善，存在使用安全隱患。通過結合車載LNG氣瓶的產業現狀，分析了車載LNG氣瓶定期檢測現狀，在此基礎上提出了車載LNG氣瓶絕熱性能定期檢測的檢測流程、檢測方法、判別依據及驗證要求等。

車載LNG絕熱氣瓶；定期檢測；絕熱性能

0　引言

綜合比較目前常用的各種礦物燃料，液化天然氣（Liquefied NaturalGas，LNG）具有能量密度大、運輸方便、排放污染物少、安全性能好、經濟效益顯著等優點，是一種清潔、高效能源［1-2］。隨著節能環保的需要，國內LNG使用量越來越大，其中車載LNG氣瓶的推廣和使用是重型卡車、大型公交車等運輸工具采用天然氣代替汽油和柴油，降低污染物排放的一種有效手段。如使用車載LNG氣瓶作為燃料來源的LNG汽車相比柴油汽車而言，LNG汽車的氮氧化物排放僅為柴油車的25%，碳氫化物、碳氧化物排放僅為柴油車的30%和12%［3］。近年來，車載LNG氣瓶行業在我國已經得到了迅猛發展。

車載LNG氣瓶采用真空絕熱技術實現LNG的長期貯存，達到節能減排需求，其低溫絕熱性能是衡量產品綜合性能的重要依據之一。目前，車載LNG氣瓶的低溫絕熱性能在出廠前已經進行了嚴格檢測，建立了相關檢測方法標準和判別標準，但使用過程中的絕熱性能檢測一直是行業內的短板，相關標準和法規還不完善，存在使用安全隱患，特別是隨著車載LNG氣瓶市場保有量的增大和使用年限的增長，這種安全隱患也越來越明顯。近年來，車載LNG氣瓶的管理方、使用方和生產方對定期檢測工作重視程度都越來越高。

1　車載LNG氣瓶產業現狀

國內車載LNG絕熱氣瓶行業經過近3年的迅猛發展，市場產能和保有量均有了大幅度的提高，在使用過程中產生的安全隱患也將越來越多，最早大批量投入使用的車載LNG絕熱氣瓶已進入安全事故頻發期［4-6］。其原因在于，從結構原理上講，車載LNG絕熱氣瓶是一種安裝在重型卡車、城市公交車等運輸工具上的特殊低溫絕熱氣瓶，所采用的高真空絕熱原理決定了車載LNG絕熱氣瓶隨著使用時間的延長，絕熱性能會下降，長期經歷復雜路面的移動會加劇其絕熱性能下降。絕熱性能下降會導致車載LNG絕熱氣瓶外表面結霜、安全閥頻繁起跳、燃料利用率低等問題，容易引起人員凍傷、可燃氣體爆炸等安全事故，達不到使用LNG能源實現節能減排的要求。目前，國內車載LNG絕熱氣瓶的使用幾乎遍布全國所有地區，安全隱患隨時隨地都存在，迫切需要使用者、監管者和政策制定方共同商議出有效可行的解決措施，消除安全隱患［7］。

2　車載LNG氣瓶定期檢測現狀分析

在國內，車載LNG氣瓶作為一種特殊的LNG焊接絕熱氣瓶，按照我國現行的定期檢測管理要求，定期檢測工作涉及氣瓶、車輛、容器和真空絕熱深冷設備等多個方面的要求，分析如下:

（1）氣瓶管理方面要求。我國已經在氣瓶的安全技術方面制定了標準［8-9］，但這些法規主要側重于常溫氣瓶，對低溫絕熱氣瓶也有所涉及，但要求不明確。在標準方面，已經制定了焊接絕熱氣瓶和鋼質焊接氣瓶定期檢驗與評定的標準，但尚無統一的有關車載焊接絕熱氣瓶國家標準，生產企業主要根據GB 24159-2009制定了企業標準進行生產，更缺少有關定期檢測要求［10-11］；

（2）車輛管理方面要求。在法規方面，我國已經出臺了車用氣瓶安全技術監察規程［12］，但該法規主要適用于環境溫度在-40～60℃使用的氣瓶，對于溫度小于-100℃的LNG氣瓶尚無相關法規和標準要求，無法依據此法規直接進行車載LNG氣瓶的定期檢測；

（3）容器管理方面要求。氣瓶和容器均屬于承壓設備，按特種設備要求進行管理，其不同點在于容積不同，一般將容積小于1 000 L的承壓設備稱作氣瓶，反之則稱作容器，因此，與氣瓶相關的法規和標準未規定的情況下，也可以參考容器要求執行。目前，我國已經出臺了移動式壓力容器安全技術監察規程、壓力容器定期檢驗規則等法規［13-14］，對低溫容器的定期檢測已作了明確規定，但是氣瓶和容器的容積相差較大，判別指標是否完全一致有待商榷；

（4）真空絕熱深冷設備管理方面要求。真空絕熱深冷設備性能試驗方法（GB/T 18443）是我國唯一一部關于真空絕熱深冷設備性能檢測的專業標準［15］，但是該標準主要側重于低溫絕熱壓力容器、氣瓶和管道的生產過程檢驗，無法完全滿足真空絕熱深冷設備使用過程中的定期檢測，特別是車載LNG氣瓶均安裝在LNG汽車上，要求能夠實現在線檢測，基本上無法直接采用現有檢測標準開展檢測。

綜上所述，車載LNG氣瓶使用過程中的絕熱性能檢測一直是我國行業內的短板，相關標準和法規還不完善，存在使用安全隱患，部分地方檢測機構，如廣東、安徽等，也制定和出臺了相關檢測要求和標準，但所有現行有效的車載LNG絕熱氣瓶定期檢測國家和地方標準更多的是側重于常溫性能和安全附件方面的檢測要求，有關低溫絕熱性能要求方面的檢測方法和判別依據規定很少，要求也差別較大。

在國外，由于管理體制與國內不同，無專門的政府監管機構，由行業協會代替政府進行車載LNG氣瓶使用過程中的安全監管。如國際低溫容器技術委員會（ISO/TC220）主要負責儲存和運輸冷凍液化氣體的絕熱容器領域有關產品的設計、制造和安全運行標準及氣體物性、氣體與材料的兼容性、絕熱性能、安全附件和閥等支持性標準的制修訂工作。針對車載LNG氣瓶，ISO/TC220發布了低溫容器-體積不大于1 000 L的移動式真空絕熱壓力容器第1部分:設計、制造、檢驗與試驗和體積不大于1 000 L的移動式真空絕熱壓力容器第2部分:運行要求［16-17］。此外，歐盟和美國也有相應的標準和規范［18］。

3　車載LNG氣瓶絕熱性能定期檢測方法分析

3.1現有檢測方法分析

3.1.1靜態蒸發率

靜態蒸發率是綜合反映車載LNG氣瓶絕熱性能的關鍵指標，GB/T 18443中規定了稱重法和流量計法兩種方法。其中稱重法的測量原理是:利用稱重傳感器，通過測量給定時間段內的被測容器內充裝的低溫液體損失量實現蒸發率測量。對于絕熱性能合格的車載LNG氣瓶其充裝介質蒸發損失量一般為1～5 kg/d，而定期檢測過程中車載LNG氣瓶均固定安裝在重型卡車或公交車上，不易拆卸，整車的裝備質量一般在104kg量級，采用稱重法進行測量時要求稱重傳感器的精度在0.001%F·S量級，市場上缺少這種高精度的稱重傳感器，因此稱重法不適用于定期檢測過程中的車載LNG氣瓶靜態蒸發率測試。

流量計法的測量原理是:利用流量計作為主要測量儀器，通過測量給定時間段內，被測產品內容器中，由于外部熱量漏入而導致低溫液體氣化產生的氣體量。實際測試過程中，由于溫度、壓力、振動等環境條件的影響，導致流量計給出的瞬時流量變化較大，需要充分考慮溫度平衡、壓力平衡、環境大氣壓波動等影響因素，標準要求測量時間不少于48 h，對于商業運行的重型卡車和公交車將帶來較大的經濟損失。

車載LNG氣瓶存放過程中，利用由于內外容器間的漏熱使絕熱氣瓶內壓力升高、液位下降原理的自然升壓法、液位計法也可以實現LNG氣瓶的絕熱性能監測，但是這兩種方法的測量不確定度較大，無法滿足車載LNG氣瓶定期檢測過程中的絕熱性能評定，僅適用于用戶使用過程中對產品絕熱性能的定性判斷。

3.1.2夾層真空度

車載LNG氣瓶采用高真空多層絕熱方式實現高效絕熱，影響絕熱性能的主要因素有夾層真空度、頸管傳熱、絕熱多層表觀導熱等。其中夾層真空度隨著產品的使用時間延長，總是會緩慢上升，從而導致絕熱性能下降，而頸管和絕熱多層主要受制造工藝確定，使用過程中絕熱性能降低的可能性較小，因此可以用夾層真空度指標間接反映車載LNG氣瓶的絕熱性能。

GB/T 18443中規定了直接法和間接法兩種夾層真空度的測量方法。其中直接法是利用絕熱設備自帶的真空規實現夾層真空度測量，但是國內生產的車載LNG氣瓶一般不安裝真空規，因此直接法不適用于車載LNG氣瓶定期檢測過程中夾層真空度的檢測。間接法是利用輔助抽空設備、真空規，將測量管道與車載LNG氣瓶的抽空口相連，在確保真空測量條件滿足一定要求后，打開車載LNG氣瓶的抽空閥門，實現被測空間與測量儀器空間的連通，達到夾層真空度測量目的。間接測量法需要較復雜的測試設備，打開抽空閥門的過程中容易產生泄漏，造成測量誤差，嚴重時會損壞被檢測產品。

3.1.3漏率

車載LNG氣瓶漏率包括內外容器漏率之和，在對內外容器進行檢漏之前，應先對內外容器表面進行清潔處理和烘烤除氣。檢漏時將氦質譜檢漏儀與車載LNG氣瓶的抽空閥門連通，利用噴氦法和氦罩法相結合，對每一道焊縫進行檢漏。噴氦法的測量原理是當氦質譜檢漏儀處于檢漏工作狀態時，用噴槍在被檢容器可疑漏氣部位噴吹氦氣，如果有漏，氦氣通過漏孔進入被檢容器內部并進入到檢漏儀，由顯示屏指示出來［19］。噴吹法的最大優點在于可以準確找到漏孔位置。氦罩法的測量原理是用氦罩將被檢容器可疑處全部罩起來，氦罩內充一定濃度的氦氣，也就相當于使用無數個噴嘴在無數個可疑部位同時噴吹氦氣，這無疑將大大加快檢漏速度。

3.2檢測流程分析

通過分析靜態蒸發率、夾層真空度以及漏率的現有檢測方法可以看出，在車載LNG氣瓶絕熱性能定期檢測過程中，開展靜態蒸發率測試需要較長的周期，開展夾層真空度和漏率測試需要復雜的設備，行業內尚沒有較好的解決措施和統一的檢測流程。綜合分析車載LNG氣瓶結構原理、現有檢測方法和經濟成本，提出車載LNG氣瓶絕熱性能檢測流程如圖1所示，依據有以下幾個方面:

（1）靜態蒸發率反映的是車載LNG氣瓶的綜合絕熱性能，如果合格，產品就可以繼續使用；

（2）靜態蒸發率不合格的原因之一是產品內部結構存在問題，只能由專業的生產廠家才能解決，代價較高，需要停止使用，采取報廢或返廠維修措施；

（3）夾層真空度是影響靜態蒸發率不合格的主要原因，車載LNG氣瓶隨著使用時間的延長最容易導致夾層真空度不合格；

（4）車載LNG氣瓶的內容器在出廠前經過了嚴格的檢漏，一般不會有泄漏發生，但外容器在使用過程中容易受到碰撞、沖擊、振動等外力作用，存在泄漏隱患，一旦發現夾層真空度下降，有必要對氣瓶進行氦質譜檢漏；

（5）車載LNG氣瓶真空夾層中填充了低溫吸附劑，吸附劑失效后容易導致LNG介質充裝后低溫夾層真空度不合格；

（6）由于使用過程中的材料放氣、檢測誤操作等導致的真空失效，可以采取重新抽空的方式實現真空獲得和維持，且維修周期和成本較低，易實現。

圖1　車載LNG氣瓶絕熱性能檢測流程圖

3.3檢測方法分析

3.3.1靜態蒸發率

靜態蒸發率測試基本原理依據GB/T 18443中規定的流量計法，但是為了提高檢測效率，降低檢測成本，擬采取四個方面的改進措施。

（1）建立批量化、自動化檢測線，以實現大規模檢測，分攤檢測成本；

（2）研制小型便攜式檢測設備或移動式檢測車，實現上門檢測，以滿足大客戶檢測需求；

（3）增加壓力泄放裝置，實現車載LNG氣瓶內容器壓力的快速泄放，縮短壓力平衡時間，提高檢測效率；

（4）增加流量計出口壓力調節裝置，降低測量過程中環境大氣壓力變化對測量結果的影響，縮短累積測量時間，提高檢測效率。

3.3.2夾層真空度

夾層真空度測試的基本原理依據GB/T 18443中規定的間接法，為了提高檢測效率，簡化操作流程、降低檢測誤操作的風險，擬采取三個方面的改進措施。

（1）研制集抽空、測量和數據處理一體化的專業化、自動化檢測設備，實現非專業人員經過簡單培訓就可操作，縮短檢測人員培訓周期的同時，確保檢測結果的準確性；

（2）針對夾層真空度僅是間接影響絕熱性能，及定期檢測精度要求相對較低的實際需求，在保證檢測結果準確的前提下，降低抽空系統極限壓力、儀器測量精度、測量管道本底漏放氣速率等輔助測量條件的要求，減小測量設備成本，縮短測量時間；

（3）開展夾層真空度與介質溫度變化關系研究，為夾層真空度測量結果修正提供解決方法和試驗數據。

3.3.3漏率

漏率測試的基本原理依據GB/T 18443中規定的無分流檢測法和分流檢測法開展。在開展漏率檢測時，應先將氣瓶內膽恢復到常溫，夾層壓力抽至低真空狀態，以便將干擾因素降低，防止數據失真。

3.4判別指標確定

目前，國內尚無有關車載LNG氣瓶絕熱性能定期檢測的判別依據，但在國家質量監督檢驗檢疫總局給出了固定式真空絕熱壓力容器定期檢測過程中的夾層真空度和靜態蒸發率判別指標，在TSGR 7001-2013的附錄A中給出了汽車罐車和罐式集裝箱的真空絕熱罐體等移動式真空絕熱壓力容器在定期檢測過程中的夾層真空度判別指標，如表1所列［14］。在固定式真空絕熱深冷壓力容器、低溫液體罐式集裝箱和低溫液體汽車罐車中，給出了漏率判別指標，定期檢測漏率判別指標可參照執行［20-22］，如表2所列。

表1　移動式真空絕熱壓力容器夾層真空度定期檢測判別指標

依據車載LNG氣瓶的絕熱方式、實際使用狀態以及容積等條件，初步給出的車載LNG氣瓶夾層真空度及靜態蒸發率定期檢測判別指標如表3所列，有六個方面的確定原則:

（1）車載LNG氣瓶普遍采用高真空多層絕熱，需要依據表1和表2中的真空多層絕熱方式制定判別指標；

（2）車載LNG氣瓶安裝在重卡和公交車等移動工具上，應參考移動式壓力容器制定判別指標；

（3）車載LNG氣瓶的容積明顯小于各種壓力容器，依據真空絕熱深冷設備容積越小真空度要求越高的原則制定判別指標；

（4）依據多年的真空絕熱深冷設備夾層真空度檢測經驗，填充低溫介質后真空絕熱深冷設備的夾層真空度一般會降低1～2個數量級；

（5）車載LNG氣瓶用于貯存LNG介質，其溫度明顯高于貯存LOX、LN2、LAr介質的絕熱氣瓶，裝有介質后的夾層真空度指標應該松一些；

（6）車載LNG氣瓶的靜態蒸發率指標在2%/d左右，相對于真空絕熱壓力容器指標在0.2%/d左右明顯偏高，TSGR7001-2013中規定為兩倍的額定蒸發率判別指標較松，應該更嚴格一些。

表2　固定式真空絕熱壓力容器夾層真空度及日蒸發率定期檢測判別指標

表3　車載LNG氣瓶夾層真空度及靜態蒸發率定期檢測判別指標

4　定期檢測方法驗證和推廣工作

車載LNG氣瓶絕熱性能定期檢測一直是特種設備監管行業的一個盲區，近年來隨著車載LNG氣瓶市場保有量的急劇增加，越來越引起監管部門和使用者的關注，社會媒體也曾報道有關使用者投訴車載LNG氣瓶無法開展定期檢測的新聞事件。國家低溫容器質量監督檢驗中心作為一個長期從事真空絕熱深冷設備絕熱性能檢測的國家級檢測機構，是我國真空絕熱深冷設備行業部分國家標準的制定單位之一，近年來，正積極利用自身技術優勢，已經與甘肅、山東、內蒙等部分檢測機構合作開展車載LNG氣瓶絕熱性能定期檢測方法研究、制定和驗證工作，但由于我國尚缺少統一的檢測標準，尚未實現普遍推廣和應用，初步擬定的定期檢測方法和判別依據的正確性和合理性尚有待廣泛的工程實踐去檢驗。

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ANALYSISOFPERIODIC INSPECTIONMETHOD FOR THE ADIABATIC PERFORMANCEOF LNG IN VEHICLE

DING Dong，CHEN Lian，SUN Dong-hua，ZHU Jian-bing
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou730000，China）

On the long term storage of LNG by using vacuum insulation technology in vehicle LNG adiabatic cylinder to achieve energy conservation and emissions reduction requirements，low temperature insulation performance is one of the important basis to measure the comprehensive performance of the product.At present，low temperature performance of the on-board LNG adiabatic cylinder hasbeen detected before the factory，the relevant testingmethodsand standardshavebeen established in the country，the detectionmethod and theevaluation basisare provided.However，the periodic detection of on-board LNG adiabatic cylinder has always been the shortboard of the industry，the relevantstandards and regulationsare notperfect，there exists the security risks.This paper isbased on theannualoutputof the LNG heat insulated cylinder，the quantity of themarket，the use of the statusquo，analysisof the currentperiodical detection situation of on-board LNG adiabatic cylinders，put forward regular testmethods，judging basis and validation requirments，etc.of theon-board LNG cylindersadiabatic insulation performance.

on-board LNG adiabatic cylinder；periodic detection；heat-insulating property

TB61+1

A

1006-7086（2016）03-0157-06

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.03.007

2015-12-18

丁棟（1982-），男，陜西興平市人，工程師，從事航天產品泄漏檢測和低溫壓力容器絕熱性能檢測工作。Email:dingdong118@sina.com。