提高CNGV系統壓力可行性與必要性

崔聞天 宋志江 武常生 楊利芬

摘要 我國從1989年3月開始批量推廣天然氣汽車以來，至今已有29個年頭。我國CNGV的工作壓力一直沿用20MPa，導致長期以來我國CNGV運行效率較低，若將其工作壓力從20MPa提升至25MPa，則續行里程可增加近20%。目前，我國的CNG氣瓶無論是在設計、制造工藝、試驗及檢測手段上，還是在氣瓶材料品質上都有了顯著提高，完全具備制造25MPa、30MPa乃至更高工作壓力氣瓶的能力。為提升CNGV的效率，應當隨著技術進步，及時適當提高CNG汽車的工作壓力限值標準。

【關鍵詞】天然氣汽車 壓力提升 可行性 必要性

1931年意大利在世界上率先生產出天然氣汽車以來，至今已有87年;我國在1989年開始推廣生產使用天然氣汽車，至今已達29年。在天然氣汽車發展的近百年歷史中，天然氣汽車的工作壓力一直20MPa，近年來北美和東南亞不少國家已經在使用工作壓力25MPa的氣瓶。而我國CNGV的工作壓力一直沿用20MPa，導致長期以來我國CNGV運行效率較低，若將其工作壓力從20MPa提升至25MPa，則續行里程可增加近20%。目前，我國的CNG氣瓶的制造水平和氣瓶材料品質都有了顯著提高，完全具備制造25MPa、30MPa乃至更高工作壓力氣瓶的能力。為順應天然氣行業發展，提升CNGV的運行效率，必要時可以適當提高CNGV系統的工作壓力。

1 天然氣汽車發展現狀及未來發展趨勢

在全球應對氣候變化和我國治理大氣污染的雙重壓力下，天然氣汽車在環保上有顯著優勢。與汽油和柴油相比，天然氣單位熱值更高，且燃燒產物主要為水和二氧化碳，幾乎不含硫化物、氮氧化物和鉛，對大氣環境的污染（霧霾和溫室氣體）都更小。從經濟上來說，由于天然氣價格比原油低，天然氣相對于汽柴油具有明顯的比較優勢。低油價背景下，天然氣作為交通燃料在運營費用上仍低于汽柴油。相對于電動汽車等其他新能源汽車，天然氣汽車在整車技術成熟度、續航里程、安全性、冷啟動等方面表現更加出色。

2017年我國天然氣汽車保有量已逾600萬輛，其中壓縮天然氣（CNG）汽車573萬輛;加氣站8400座，其中CNG加氣站5300座;均位居世界第一位。但要從天然氣汽車大國提升為天然氣汽車強國，就需要大力推進天然氣汽車的技術進步和創新。在全世界天然氣汽車保有量中，平均每4輛中就有1輛在中國，中國己成為全世界天然氣汽車保有量的第一大國。天然氣汽車近幾年的崛起絕非偶然，它崛起的背后有環保、經濟、技術等多重因素的共同推動。如圖1所示。

2 提高CNGV系統壓力限值的可行性

2.1 提高CNGV系統壓力限值可行性的法律依據

天然氣發動機依其優良的尾氣排放性得到了汽車行業的公認，長期以來困擾裝備天然氣發動機汽車的問題是續駛里程，由于天然氣是氣體，能量密度低，相對于液體燃料汽車攜帶的燃料少，續駛里程較短，采用壓縮天然氣后，汽車的續駛里程有了很大延長，若進一步提高壓縮天然氣的壓力，可以使汽車的續駛里程再增加，目前GB17258-2011《汽車用壓縮天然氣鋼瓶》中規定此類產品的公稱工作壓力為20MPa（表壓），考慮到國內加氣站的加氣能力，確定車用氣瓶的公稱工作壓力為20MPa，若將壓力提高到25MPa后，可將續駛里程提高25%左右。國家氣瓶標委2009年頒布的GB24160-2009《車用壓縮天然氣鋼制內膽環向纏繞氣瓶》該標準規定適用于設計、制造公稱工作壓力為20MPa或25MPa的纏繞氣瓶，國際IS011439《車用壓縮天然氣高壓氣瓶》關于“車用壓縮天然氣（NGV）燃料容器的基本要求”相同，車用氣瓶工作壓力為25MPa，2017年已經頒布實施的GB/T33145-2016《大容積鋼質無縫氣瓶》（站用氣瓶和運氣車氣瓶）已將壓力限值提高到30Mpa，2018年7月1日即將實施的GB/T 35544-2017《車用壓縮氫氣鋁內膽碳纖維全纏繞氣瓶》己將儲氫瓶壓力提高到70MPa，這些標準都為提高CNGV系統壓力限值的可行性提供了法律依據。

2.2 提高CNGV系統壓力限值在材質選取的可行性

在材料的選用上，目前國內車用氣瓶材料限定采用優質鉻鉬鋼，并對其化學成份進行了規定，特別是對硫、磷含量進行了更加嚴格的限制。并對此材料調質熱處理后的力學性能進行了強制性的規定。目前國內標準GB24160-2009、GB17258-2011關于材料的化學成分S、P含量規定相同，即S≤0.020%、P≤0.020%，且規定材料的鋼瓶材料的實測抗拉強度不宜大于880 MPa，如果設計上規定抗拉強度上限大于880MPa，氣瓶制造企業應對氣瓶進行硫化物應力腐蝕試驗，得到氣瓶設計鑒定機構批準后，可適當提高材料抗拉強度的上限，但不應大于950MPa，規定對超過抗拉強度950 MPa的鋼，S≤0.010%、P≤0.020%，可見國際標準IS011439只要嚴格控制S、P含量，氣瓶材質的抗拉強度可以進一步提高，抗拉強度提高意味著，氣瓶材質可以承受更高的工作壓力。

2.3 提高CNCV系統壓力限值在設計上的可行性

在設計上，現在的設計方法也比原來更加先進，可以采用先進的有限元應力分析設計法，建立氣瓶的合理力學模型，對鋼瓶可以計算出瓶體的應力分布，保證最小設計壁厚的合理性;對于纏繞瓶可以通過非線性分析，對纏繞瓶的自緊壓力、自緊后零壓力、工作壓力和最小設計爆破壓力下的應力分析，確定纏繞層和內膽中的應力分布。完全可以采用先進的設計方法保證在氣瓶在壓力提高后設計上的安全性。

2.4 提高CNGV系統壓力限值在制造工藝上的可行性

在制造工藝上，現在氣瓶制造上普遍采用旋壓收口技術，瓶體與瓶頭之間過渡圓滑，無結構不連續情形和皺褶產生，從結構上保證了高壓下應力分布的均勻性，避免了因結構不連續造成的應力集中和峰值應力，大大提高了氣瓶端部的耐疲勞性能，提高了實際使用中的安全性，現在的熱處理工藝也比原先更加先進，熱處理過程中的爐內溫度、爐溫的均勻性，更便于控制，保證了氣瓶經熱處理后達到要求的力學性能。為檢驗氣瓶熱處理后的機械性能是否滿足標準及設計的要求將試驗環與鋼瓶同爐進行熱處理，同一批鋼瓶帶一個試驗環，試驗環與其所代表的同批鋼瓶具有相同的公稱直徑和設計壁厚、采用同一爐罐號鋼、同爐熱處理。試驗環兩端封閉以與鋼瓶熱處理狀態一致。目前國內大的氣瓶制造廠在制造國內20MPa氣瓶的同時，也都生產過出口25MPa氣瓶，有了這方面的制造經驗，制造更高壓力的氣瓶己非技術難題。

2.5 提高CNGV系統壓力限值在試驗及檢測手段上的可行性

在各種試驗及檢測手段上，國內外標準都規定了基本上相同的試驗方法與合格要求，試驗方法包括拉伸試驗、沖擊試驗、冷彎試驗、壓扁試驗、硫化物應力腐蝕試驗、金相實驗、水壓爆破試驗、氣密性試驗、疲勞試驗、火燒試驗纏繞層的力學性能試驗等。鋼瓶兩頭的螺紋加工至所需尺寸后要對鋼瓶進行磁粉探傷，檢測瓶身有無裂紋、沙眼等缺陷。瓶身檢測無缺陷后進行瓶口磁粉探傷檢測，保證螺紋質量，以防使用中螺紋失效造成危害。瓶口螺紋檢測完成后，對瓶口螺紋進行防銹處理，超聲波探傷主要是對鋼瓶的壁厚是否均勻進行檢測，如果產品的壁厚不均勻，極易產生應力集中造成重大的產品質量隱患。鋼瓶逐支進行100%超聲檢測，瓶體兩端旋壓成型部分進行100%磁粉檢測。由上可見只要制造出來更高壓的氣瓶通過這些試驗及檢測要求，也完全可以保證在使用過程中的安全性。

3 提高CNGV系統壓力限值的必要性

眾所周知，推廣天然氣汽車對于治理大氣污染、保障國家能源安全、（2017年我國石油對外依存度己逾67%）、增加天然氣的消費量在調整能源結構等方面居功至偉（ 2017年，我國交通用天然氣占比約為15%）。而我國CNGV的保有量又占天然氣汽車保有量的95%左右。但，CNG汽車的能量密度低，續行里程較短，是其一個明顯的不足之處。若將其工作壓力從20MPa提升至25MPa，則續行里程可增加近20%。換言之，出租車和公交車的續駛里程均可以從200公里增加到約240公里。這將是天然氣汽車行業一個大的進步。

把長管拖車氣瓶的儲存壓力限值從20MPa提高到25-30MPa，可以提高約20%-36%的天然氣運輸量。世界上大多數地區都實施著25MPa壓力限值。換言之，在完成相同運輸量的條件下可以節省20%-36%的長管拖車駕駛員。例如目前全國有一萬輛長管拖車，儲運壓力升級后就可以節省2000-3600名駕駛員和相同數量的押車人員。此外，長管拖車的價格不妨按60萬元人民幣來計算，則相當于節約了12億元人民幣的購車費用。這必將產生巨大的經濟與社會效益。

4 我公司開發25MPaCNG運輸設備實例

我公司己按IS011120-2015標準開發了出口國際市場了長管拖車與管束式集裝箱等CNG運輸設備，有了設計制造這方面的成功經驗，我公司開發的產品主體材料采用高強度鋼管，抗拉強度達到970MPa以上，在公稱工作壓力25MPa下，由于材質強度提高，壁厚更薄，同時，規定相應的主體材料化學成分及熱處理后的機械性能，確定硬度檢測、水壓試驗、超聲檢測等相應要求。由于天然氣屬于脆性氣體，我公司對試樣瓶進行了抗氫脆性能檢測以及抗SSC性能檢測。為進一步保證本大容積高強度輕量化氣瓶的安全使用，我公司在標準所要求的抗氫脆性能及抗SSC性能檢測外，補充了爆破試驗及疲勞試驗。其中爆破試驗爆破壓力及破口形狀與尺寸均符合標準要求;疲勞試驗加壓循環至15000次的過程中瓶體無泄漏和損壞，符合標準要求，在此基礎上進行批量生產，出口的產品得到了用戶廣泛好評。

5 結束語

展望未來，天然氣作為一種清潔能源，在中國前景光明，天然氣配套的一系列行業也必將得到快速發展，提高CNGV系統壓力也符合國際潮流，且提高CNGV系統壓力無論是在設計上、制造上、還是安全性上都不是問題，提高CNGV系統壓力可以提高天然氣汽車續航里程，增加CNG運輸設備的容重比，必將給天然氣行業帶來一系列的社會效益與經濟效益。

參考文獻

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