汽車用壓縮天然氣鋼瓶的設計與制造

田 野

(沈陽特種設備檢測研究院，遼寧 沈陽 110035)

目前，機動車廢氣污染已經成為城市污染的主要污染源，對人類生存環境造成極大的危害。世界上許多國家都在研制新能源汽車，如電能、氫能、太陽能以及天然氣汽車。但從技術發展的成熟程度和經濟性上來講，天然氣是汽車最理想的替代燃料之一，天然氣儲量豐富，燃氣汽車具有安全、環保等優點。汽車用壓縮天然氣鋼瓶是燃氣汽車的關鍵部件，其性能和質量直接影響到燃氣汽車的使用安全。

1 汽車用壓縮天然氣鋼瓶

1.1 汽車用壓縮天然氣鋼瓶結構特征

汽車用壓縮天然氣鋼瓶按其端部結構可分為三種型式：凸形底汽車用壓縮天然氣鋼瓶(T)、凹形底汽車用壓縮天然氣鋼瓶(A)、雙口形汽車用壓縮天然氣鋼瓶(S)，見圖1。

圖1 汽車用壓縮天然氣鋼瓶瓶體結構型式Fig.1 Structure type of compressed natural gas cylinder for automobile

1.2 汽車用壓縮天然氣鋼瓶的規格參數

根據《氣瓶安全技術監察規程》、《車用氣瓶安全技術監察規程》和GB 17258—2011《汽車用壓縮天然氣鋼瓶》的規定：適用于設計、制造公稱工作壓力為20 MPa，公稱水容積為30～300 L，使用溫度一般地區為-40～65℃，設計使用壽命為15 a的汽車用壓縮天然氣鋼瓶。

如果汽車用壓縮天然氣鋼瓶設計超出現行國家標準范圍的，可由制造單位采用或者參照國際標準或國外先進標準制訂企業標準。企業標準應當經過國家質檢總局委托的國家氣瓶專業標準化機構技術評審和備案后方可用于汽車用壓縮天然氣鋼瓶制造。

2 汽車用壓縮天然氣鋼瓶設計

2.1 汽車用壓縮天然氣鋼瓶的材料選擇

2.1.1汽車用壓縮天然氣鋼瓶主體材料基本要求

汽車用壓縮天然氣鋼瓶一般采用鉻鉬鋼材料制造，鉻鉬鋼具有優良的綜合機械性能，其最大優點是在高強度水平上仍能保持良好的塑性和足夠的韌性，甚至在-40℃條件下還具有出色的韌性。制造汽車用壓縮天然氣鋼瓶材料的主要牌號為30CrMo及34CrMo4。

氣瓶的抗拉強度上限不宜大于880 MPa。限制抗拉強度上限的原因是：氣瓶所充裝的介質為天然氣。盡管天然氣在充裝前經過脫硫、脫水、脫輕油處理，其硫化氫含量較低，但當氣瓶中殘存有水時，水中溶入大量的硫化氫會對鋼材產生應力腐蝕(在溫度低于250℃，干燥的硫化氫不對鋼材起腐蝕作用)。硫化氫遇水產生電離，生成的氫向鋼中擴散，在局部區域聚積達到極限濃度時導致鋼的脆性破壞。

處于拉應力狀態的合金，由于吸收氫(金屬中殘留的氫或氫與金屬生成氫化物)所造成的脆性破壞現象，稱為氫脆。氫脆的斷裂性質為脆性斷裂。關于氫脆的機理，通常認為是氣瓶內部存在初始缺陷或由于化學反應生成了缺口，滑移時由于晶界和夾雜物的存在，在缺口的前沿塑變區內繼續產生一些細微的裂紋或空穴。對于氣瓶而言，隨著材料強度的增加，產生脆性的可能性加大。

影響氫脆產生的主要因素如下：

1. 材料因素：氫脆易發生在高強度材料中，鋼的抗拉強度和屈服強度越高，氫脆敏感性越大。鋼的氫脆還與化學成分和組織密切相關，未回火的馬氏體組織最易產生氫脆，鋼中的夾雜物尤其是硫化物極易誘發氫脆。

2. 應力因素：拉應力引起氫脆。

3. 環境因素：鋼中氫含量在0.45 mg/m3以上時，隨著氫含量增加，鋼的脆性增大，而斷裂應力、斷面收縮率和延伸率降低。

但隨著國內鋼廠煉鋼技術的進步，對材料中S、P含量的控制水平提高，在滿足硫化應力腐蝕試驗的前提下，適當提高材料的抗拉強度，放寬材料的使用范圍，有利于增強材料的利用率。因此，GB 17258—2011《汽車用壓縮天然氣鋼瓶》規定如果設計規定的抗拉強度上限大于880 MPa，氣瓶制造企業應對其限定的最高硫磷含量的材料進行耐硫化物應力腐蝕試驗，在提供充分有效的試驗數據前提下，報氣瓶設計鑒定機構批準后，可適當提高材料的抗拉強度上限，但應不大于950 MPa。

GB 17258—2011《汽車用壓縮天然氣鋼瓶》規定了硫化物應力腐蝕試驗。硫化物應力腐蝕試驗是驗證在含硫化氫的酸性水溶液環境中受拉力應力的氣瓶材料抗開裂破壞性能。考慮到對于同一材料牌號在同一個鋼廠的熔煉及軋制水平較穩定，只限于鋼廠變化時才做該試驗，而對于同一材料牌號不同規格的材料不需進行硫化物應力腐蝕試驗。

1. 范圍：規定了在硫化氫的酸性水溶液中受拉力的車用壓縮天然氣鋼瓶材料抗開裂破壞性能試驗，適用于抗拉強度大于880 MPa的氣瓶。

2. 試驗要求：硫化物應力腐蝕試驗除了應符合本附錄的各項要求外，其余按GB/T 4157《金屬在硫化氫環境中抗特殊形式環境開裂實驗室試驗》規定的方法A拉伸試驗執行。

3. 試驗方法：取耐硫化物應力腐蝕試驗的縱向拉伸試樣3件。拉伸試樣應從一只成品氣瓶的筒體中部縱向截取，其制備形狀及尺寸見圖2。

D=3.81±0.05，mm；G=25.4，mm；R/min=15，mm圖2 硫化物應力腐蝕試驗拉伸試樣Fig.2 Tensile test of sulfide stress corrosion test

4. 試驗條件：試驗溶液是由0.5%(質量分數)的三水合乙酸鈉(CH3COONa·3H2O)，用乙酸調初始pH至4.0的酸性緩沖溶液。試驗溶液應在室溫下用分壓為0.414 kPa的硫化氫試驗氣體(用氮氣混合)連續飽和。

5. 試驗過程：對浸在試驗溶液里的拉伸試樣施以恒定的拉伸應力載荷，拉伸應力應為最小屈服應力保證值的60%。

6. 試驗結果判定：拉伸試樣通過144 h應不發生斷裂。

2.1.2 《車用氣瓶安全技術監察規程》和GB 17258 —2011《汽車用壓縮天然氣鋼瓶》對瓶體材料的一般規定

1. 瓶體材料應采用電爐或吹氧堿性轉爐冶煉的無時效性鎮靜鋼。

2. 瓶體材料應選用優質鉻鉬鋼。

3. 瓶體材料應符合相關標準的規定，并有質量合格證明書。鋼瓶制造單位在鋼瓶制造前應按爐罐號對材料進行化學成分分析，分析方法按GB/T 223《鋼鐵及合金化學分析方法》或GB/T 4336《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發射光譜分析方法》執行。

4. 瓶體材料可選用牌號為34CrMo4或30CrMo兩種材料。若選用其他材料，其化學成分限定見表1，其允許偏差應符合GB/T 222《鋼的成品化學成分允許偏差》的規定。對于非有意加入的合金元素釩、鈮、鈦、硼、鋯的總含量不得超過0.15%。

表1 鋼瓶瓶體材料化學成分 /%(質量分數)

5. 氣瓶制造單位，應當按照爐罐號對制造氣瓶瓶體的金屬材料進行化學成分復驗，按照材料批號進行力學性復驗，按照相應標準的規定進行無損檢測、低倍組織復驗。氣瓶在制造過程中經過熱處理改變材料力學性能，其所用的材料復驗時可以不進行力學性能復驗。

6. 采用氣瓶標準規定以外的材料或者新研制的材料試制車用氣瓶，其制造單位應當向國家質檢總局提出試制申請，按照經批準的數量試制氣瓶，在經過國家質檢總局委托的相關技術組織或者技術機構進行技術評審，技術評審的結果經過國家質檢總局批準后，方可正式投入制造。

現行氣瓶標準以外的材料或者新研制的材料，其材料制造單位應當按照經過技術評審的企業標準供貨。

2.2 汽車用壓縮天然氣鋼瓶的設計

2.2.1汽車用壓縮天然氣鋼瓶設計的一般規定

GB 17258—2011《汽車用壓縮天然氣鋼瓶》對汽車用壓縮天然氣鋼瓶的設計作了如下規定：

1. 筒體的壁厚設計計算應以水壓試驗壓力Ph為準。水壓試驗壓力應為公稱工作壓力的1.5倍。(注：GB 17258—1998版標準規定水壓試驗壓力為5/3倍的工作壓力，是出自DOT標準。然而國際標準ISO11439以及纏繞瓶國家標準GB 24160—2009中，水壓試驗壓力均為公稱工作壓力的1.5倍，GB 17258—2011版標準參照了ISO11439標準。)

2. 設計計算瓶體壁厚所選用的屈服應力保證值不得大于抗拉強度保證值的90%。

3. 應對瓶體材料的最大抗拉強度進行限定，鋼瓶瓶體材料的實測抗拉強度不宜大于880 MPa。

2.2.2筒體設計壁厚

筒體的設計壁厚S應按公式(1)計算，同時應符合公式(2)的要求，且不得小于1.5 mm。

(1)

(2)

注：1. 標準采納ISO 11439的內容，而ISO 11439標準規定氣瓶的設計參照ISO 9809標準，即公式采納了ISO 9809中的設計計算公式；2. 設計應力系數降低使得計算壁厚增加，保障產品安全；3. 國內氣瓶生產廠家還沒有全部達到在線超聲水平，無損檢測手段有限，壁厚計算不能完全等同ISO 9809薄壁計算的要求；4. 根據ISO9809-1與EN1964-1標準的較小值得設置推算，設定另一個較小值的比較值取0.71，減少的設計的偏差。

2.2.3端部設計

1. 端部結構有4種型式：1)帶瓶口半球形，見圖3a；2)半球形，見圖3b；3)碟形，見圖3c；4)凹形，見圖3d。

2. 碟形端部結構應滿足下列要求：1)r≥0.075D0；2)當0.22≤H/D0<0.4時，S1≥1.5S；3)當H/D0≥0.4時，S1≥S。

3. 設計采用凹形端部結構時，端部結構設計尺寸應符合下列要求：1)S1≥2S；2)S2≥2S；3)r≥0.075D0；4)H≥0.12D0。

4. 氣瓶凹形端部的環殼與筒體之間應有過渡段，過渡段與筒體的連接應圓滑過渡。

圖3 端部結構型式圖Fig.3 End structure pattern diagram

2.2.4瓶口設計

1. 氣瓶瓶口螺紋應采用錐螺紋，錐螺紋應符合GB 8335《氣瓶專用螺紋》或相關標準的規定，有效螺紋數不小于8扣。

瓶口螺紋及類型應滿足客戶市場的要求，而GB 8335有一定的局限性。由于現在國內外的車用氣瓶市場急劇擴大，車用氣瓶的要求也出現多樣化。而瓶閥連接瓶口的螺紋也有多樣化的需求。例如目前有采用EN629標準、DIN477標準和BS341標準的螺紋，所以應擴大國標中螺紋的范圍。

2. 氣瓶瓶口的厚度應保證有足夠的強度，且應保證瓶口在承受上閥力矩和鉚合頸圈的附加外力時不產生塑性變形。

2.2.5附件設計

1. 瓶閥上應設有安全泄放裝置，安全泄放裝置應符合有關標準的要求。

3. 瓶閥與瓶口的螺紋配合應保證在裝配閥后留有2～5螺距螺紋。

3 汽車用壓縮天然氣鋼瓶制造基本過程

汽車用壓縮天然氣鋼瓶的制造方法有兩種：沖拔拉伸法；管子收口法。

3.1 汽車用壓縮天然氣鋼瓶制造的簡要工藝流程

汽車用壓縮天然氣鋼瓶制造的簡要工藝流程見圖4。

圖4 汽車用壓縮天然氣鋼瓶制造簡要工藝流程Fig.4 A brief process for manufacturing compressed natural gas cylinders for automobiles

3.2 汽車用壓縮天然氣鋼瓶制造的典型簡要工藝

我國汽車用壓縮天然氣鋼瓶一般都采用管子收口法制造。

3.2.1下料

用鋸床將無縫鋼管按工藝要求切割成一定尺寸的管段。切料時，管段與鋸床的鋸條要保持一定的垂直度，以保證其兩端面平行，切割面應平整光滑，下料后做材料標記移植，并按材料標記堆放管理。

3.2.2熱收底

在旋壓收底機上裝調好工裝卡具，其定位尺寸應達到工藝圖紙要求。收底用工裝卡具和旋輪應隨時檢修和保養，確保瓶體表面質量。

采用中頻感應加熱，加熱長度應符合工藝要求，加熱溫度約為1200℃，并用火燃作輔助加熱，中頻加熱時應保證管體溫度均勻，加熱部位溫度要均勻，不得有陰陽面，更不許有過燒現象。

收底溫度控制在約1200℃，模具溫度200～300℃，瓶坯收底補償加熱溫度一般不低于1100℃，融合溫度一般不低于1300℃。

底形尺寸應符合產品圖紙的要求。瓶體與瓶底弧形圓滑過度，弧形部不允許有明顯的劃痕、凹坑、鼓包、折疊和裂紋。瓶底外形應隨時用底形樣板檢查。

每只瓶底必須封合，且在底部封合過程中，不應添加任何金屬物。無縫鋼管旋壓收底過程中，如果添加金屬物，金屬物在高溫下經氧化形成的氧化物可能會存在底部縫合處，產生有害的夾雜物，不利于底部的熔合質量。

收底后應逐只檢查瓶底內表面質量，如發現有肉眼可見的凹孔、凸瘤、皺紋的氧化皮等缺陷，按照工藝圖紙技術要求，采用機加工辦法給予清除，瓶底不允許作補焊處理。

瓶底內表面機加是在臥式銑底機上進行，應對中瓶底中心清除缺陷。加工直徑范圍按照工藝執行，并應與未加工處圓滑過渡。瓶底底部機加后必須保證底部厚度大于設計的壁厚。

注：無縫鋼管制成的瓶坯應進行工藝評定，無縫鋼管制成的瓶坯與沖壓氣瓶瓶坯有一定的區別，經沖壓拉拔后的氣瓶瓶坯形狀比鋼管旋壓后的瓶坯要好調整。管制瓶由于管端的局限性，底部成型的厚度依賴于管子的實際厚度其變化不大，且對于凹形底氣瓶，其應力最大的環殼部位的厚度很難增厚，所以要求對管制瓶的瓶坯工藝進行工藝評定。

3.2.3熱收口

底部密封性試驗合格后，進行熱旋壓收口。收口的工藝與收底基本相同。

3.2.4熱處理

在氣瓶的熱處理加工工藝中，采用合理的熱處理工藝和淬火介質可以獲得良好的韌性，在保證強度的情況下盡可能降低鋼材的屈強比，提高斷裂韌性，這都能提高氣瓶的安全性。

氣瓶瓶體應進行整體熱處理，熱處理應按經評定合格的工藝進行。淬火溫度不應大于930℃，回火溫度不應小于538℃。可用油或水基淬火劑作為淬火介質。用水基淬火劑作為淬火介質時，瓶體在介質中的冷卻速度應不大于在20℃水中冷卻速度的80%。

對于調質的氣瓶，一般采用油或水基淬火劑作為淬火介質，目前水基淬火劑應用最為廣泛。鋼瓶用油淬火的特點是，組織轉變均勻，但淬火時間長，淬透性差；鋼瓶用水基淬火劑淬火的特點是，淬透性好，淬火時間短，但由于冷卻速度快易產生淬火裂紋。所以限定瓶體在水基淬火劑介質中的冷卻速度應不大于在20℃水中冷卻速度的80%。

對熱處理工序一定要有效控制，使鋼瓶力學性能的均勻性、一致性得到保證。

3.2.5瓶口加工

汽車用壓縮天然氣鋼瓶瓶口加工包括以下工序：車瓶口外徑、車端面、鉆中心孔、車螺紋底孔、攻絲。

3.2.6外拋丸、內噴砂處理

噴砂是采用砂機用細砂在高壓下清除氣瓶內外表面的氧化鐵皮。噴砂時要保護瓶口螺紋，以防噴砂造成螺紋損傷。噴槍應均勻地沿體表面噴射，不準停留一處噴射。噴好的鋼瓶不宜接觸水，以防生銹。

對鋼瓶進行噴砂處理，不僅能清除氧化鐵皮，也能在內表面形成局部應力，使鋼瓶內壁處于預壓應力狀態，改善其抗疲勞性能和抗氫脆能力。

1. 外拋丸處理：拋丸前瓶體表面必須干燥。拋丸后瓶體表面應無氧化皮，呈金屬光澤。瓶體表面氧化皮脫落凹坑允許修磨，修磨后的壁厚不得小于設計壁厚。

2. 內噴砂處理：噴砂前瓶體內表面必須干燥無雜物。噴砂后瓶體內表面應無氧化皮，呈金屬光澤，無殘留砂粒。用壓縮空氣吹掃內表面，內表面無灰塵無異物，內表面作防銹處理。

3.2.7質量檢驗

內外表面檢查、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、端部解剖、金相試驗、無損檢測、水壓試驗、氣密性試驗、水壓爆破試驗、疲勞試驗。

3.3 汽車用壓縮天然氣鋼瓶常見的失效模式

汽車用壓縮天然氣鋼瓶常見的缺陷主要有裂紋、鼓皰、夾層、表面損傷和腐蝕造成的壁厚減薄、應力腐蝕、熱損傷等。

4 結束語

本文詳述了汽車用壓縮天然氣鋼瓶的設計原則、材料選擇的要求、制造工藝方法和制造中應注意的問題，解析了汽車用壓縮天然氣鋼瓶在設計和制造上的特點，謹希望為同行提供一點借鑒和參考。

參考文獻：

[1] TSG R0006—2014 氣瓶安全技術監察規程[S].

[2] TSG R0009—2009 車用氣瓶安全技術監察規程[S].

[3] GB/T 17258—2011 汽車用壓縮天然氣鋼瓶[S].

[4] 中國特種設備檢驗協會. 氣瓶檢驗員培訓教材[Z].