車用LNG氣瓶常見升壓快原因及解決措施

孟新軍

（西安德森新能源裝備有限公司，陜西 西安 710043）

前言

在世界能源日趨緊張，大氣污染極為嚴重的今天，在交通運輸領域，發展天然氣運輸車輛，降低石油消耗，減少排放污染，將是未來發展的趨勢。車用液化天然氣氣瓶作為一種替代汽車油箱盛裝、貯存、供給燃料（液化天然氣），并且可以多次重復充裝使用的低溫絕熱壓力容器被廣泛應用。由于容器夾層材料的緩慢放氣和真空夾層的漏率，容器在使用一定時間后都會由于夾層里面的真空度缺失而導致絕熱性能下降，絕熱性能下降后的容器內部液體吸收熱量后氣化，導致內膽壓力會增高，隨后頻繁的通過安全閥放氣，儲存的液體在不使用的情況下也會快速減少，造成不必要的經濟損失。

1 影響因素分析

本文主要圍繞企業在制造過程中影響LNG氣瓶升壓快的幾個因素進行了實驗分析。具體如下：

（1）絕熱材料的纏繞層數；

（2）吸氣劑類型；

（3）抽真空工藝。

1.1 絕熱材料的纏繞層數

高真空多層絕熱于1951年由瑞典的彼得遜（Peterson）首次研制成功。它是由許多具有高反射能力的輻射屏及具有低導熱率的間隔物的交替層組成。至于夾層中，再抽至高真空，已達到絕熱效果，這樣的高真空狀態使氣體對流傳熱可以忽略不計（當壓力低于10-2Pa時，多層絕熱內氣體的導熱和對流換熱遠遠小于輻射熱）。而輻射傳熱，由于真空夾層中放了多層反射屏，所以有效阻擋了輻射換熱。

當絕熱材料層數增加時，輻射換熱所占比重將減少。但絕熱材料的表面積增加使絕熱材料的放氣率增高，放氣量增大，使夾層中殘余氣體導熱和固體導熱相對增加。當層數增大到一定程度，為避免絕熱材料與外殼內壁接觸，纏繞時的絕熱材料的張力就大，玻璃纖維紙與鋁箔紙的接觸就更緊密，接觸換熱和殘余氣體換熱就增強。故需綜合考慮輻射換熱、固體換熱和殘余氣體換熱等換傳遞途徑。結合文獻[1]中所述高真空多層絕熱中，隨著層數的增加，絕熱性能不一定提高，絕熱材料纏繞層數有一個最佳值，故對其進行試驗研究尋找最佳纏繞層數。

1.1.1 試驗步驟

通過對相同設計結構、相同類型的絕熱材料條件下纏繞不同層數的絕熱材料，夾層抽真空處理后按GB/T 18443.5— 2010進行靜態蒸發率測試。

試驗過程簡述如下：

（1）實際測量試驗瓶內膽外壁周長；

（2）對樣瓶內膽外表面進行全面清潔處理；

（3）在內膽前后封頭外壁上裝載等重量等比例混合的5A+13X分子篩吸附劑；

（4）利用纏繞機將玻璃纖維紙和鋁箔紙組合而成的多層絕熱材料纏繞包扎在試驗瓶內膽外壁上，分別纏繞了22層， 26層和30層；

（5）實際測量絕熱材料纏繞完畢后試驗瓶內膽外壁周長；

（6）焊接試驗瓶環焊縫和其他不可拆密封處；

（7）利用氦檢漏儀對夾層的致密性進行檢測；

（8）夾層致密性檢測合格的試驗瓶轉移至同一真空機組按相同的抽真空工藝進行夾層抽真空作業；

（9）夾層抽真空完成后靜置2天，利用英?？礛PG400復合真空規和VGC502真空計測量試驗瓶瓶口常溫穩態真空度；

（10）按GB/T 18443.5—2010的相關要求，對試驗瓶內膽充裝液氮至額定充裝率。只打開試驗瓶的放空閥靜置48 h，此時測量瓶口冷態真空度。當內膽表壓力接近為零時在放空管路上接入質量流量計，其他閥門均處于關閉狀態。

圖1 層密度與熱導率的關系

試驗過程中的關鍵參數詳見表1。

表1 絕熱材料纏繞關鍵參數匯總

1.1.2 試驗結果分析

該試驗瓶均是在同一批次材料（板材、絕熱材料、液氮）、同一時間進行的各項參數測試。

本試驗中試驗瓶分別纏繞了22層、26層和30層的玻璃纖維紙和鋁箔紙組合而成的多層絕熱材料。通過表1數據可看出，當纏繞26層時靜態蒸發率相對最優，對應的絕熱材料的厚度為10～11 mm。

1.2 吸氣劑類型

吸氣劑對于獲得并保持夾層在低溫下的真空度具有重要作用。夾層的真空壽命在很大程度上取決于吸附劑的特性、裝入量及其是否充分發揮吸附作用。國內外大量實驗表明，金屬材料及多層絕熱材料在100 ℃以上的環境中真空放氣一段時間后，其放氣組分中H2占70% 以上，故H2是造成低溫容器夾層真空度下降的主要原因。若不使用專門的吸氫材料的話，設計的真空壽命無法滿足。

吸氣劑作為延長多層真空絕熱低溫氣瓶真空壽命的核心材料，在低溫氣瓶行業受到廣泛關注。本文主要針對兩種類型的吸氣劑的吸附性能做了對比試驗。特別指出，文獻[2]所提出的液氧容器不能用活性炭作為吸氣劑，液氫容器不能用一氧化鈀作為吸氣劑，否則會存在爆炸的危險。

1.2.1 試驗步驟

（1）試驗樣瓶內膽外表面清潔處理后，在內膽前后封頭外壁上裝載等重量等比例混合的5A+13X分子篩吸附劑；

（2）試驗樣瓶纏繞相同層數的玻璃纖維紙和鋁箔紙組合而成的多層絕熱材料；

（3）在外封頭相同位置處裝載等重量的進口Ag400和國產Ag400；

（4）夾層致密性檢測合格后轉移至同一真空機組按相同的抽真空工藝進行夾層抽真空作業；

（5）為規避試驗樣瓶瓶口真空度因員工操作上的誤差，在試驗樣瓶封頭處開有真空檢測口，直連英福康MPG400復合真空規。試驗樣瓶真空封結后間隔1天測試一次夾層靜態真空度，持續一月。

吸氣劑對比試驗過程關鍵數據詳見表2。

表2 吸氣劑對比試驗過程關鍵數據（常溫狀態）

1.2.2 試驗結果分析

（1）從表2中可看出，經過一個月時間的瓶口真空度檢測，兩種類型試樣表現出明顯差異性。進口Ag400的常溫態真空度和漏放氣速率均優于國產Ag400。

（2）從圖2中可看出，真空度變化趨勢與溫度變化趨勢相一致。進口Ag400的常溫態真空度優于國產Ag400。

圖2 樣瓶真空度-時間-溫度曲線圖

（3）從圖3、圖4可看出，漏放氣速率基本在一個月后趨于穩定，進口Ag400的漏放氣速率優于國產Ag400且均優于國家標準要求?？梢娺M口Ag400對液化天然氣氣瓶真空壽命的維持更具貢獻價值。

圖3 樣瓶漏放氣速率-時間曲線圖

圖4 樣瓶1月4日至1月25日漏放氣速率-時間曲線圖

1.3 抽真空工藝

高真空多層絕熱氣瓶由于其較小的夾層空間、夾層側各種材料（金屬器壁、多層絕熱材料、玻璃鋼等）的放氣以及層與層之間較大的抽氣阻力等因素的影響，為使其獲得并維持足夠長時間的真空壽命，就必須選擇可行有效地抽真空工藝。本文所涉及兩種內加熱抽真空工藝，工藝執行過程數據詳見圖5。

圖5 抽真空過程真空度-時間曲線圖

抽真空過程關鍵步驟簡述如下：

（1）控制氮氣置換的時機。氮氣置換前需對氮氣加熱到（150±5）℃方可開啟氮氣置換閥進行置換；

（2）氮氣的純度要求比較高，且必須潔凈；

（3）氮氣流量需合理控制，避免氣流過大沖壞夾層絕熱材料；

（4）充氮氣結束后需停止抽真空數小時，使夾層空間及其材料充分受熱。

1.3.1 過程數據分析

（1）由圖5可看出，樣瓶2每次置換抽真空后主管道的極限真空度均比樣瓶1的低，證明每次氮氣置換效果更明顯；

（2）由圖5可看出，樣瓶2的置換時機與次數與樣瓶1不同，最終造成極限真空度較低；

（3）由圖5可看出，樣瓶2總的抽真空時間比樣瓶1的要短，提高了抽真空效率的同時也提高了設備的利用率，降低了生產能耗；

（4）根據文獻[3]中所述，在實際工程應用中，人們對泄漏的風險意識大于對材料放氣的風險意識，這是一種不合理的風險認識。本文認為，在滿足一定要求的內膽與夾層漏率的條件下，盡可能的提高其漏放氣速率指標，可有效提高其真空壽命。

圖6 樣瓶漏放氣速率-時間曲線圖

2 解決措施分析及結論

針對本文第2條所述的影響因素，對應解決措施分析如下：

（1）根據容器設計結構，綜合考慮輻射換熱、固體換熱和殘余氣體換熱等換熱傳遞途徑，試驗尋找最佳纏繞多層絕熱材料層數。本文以LNG氣瓶為試驗載體，最佳的纏繞層數為26層，厚度為10～11 mm。

（2）吸氣劑的種類、放置量直接影響后期真空壽命能否有效維持。從本文試驗的兩種吸氣劑可明顯看出其吸附性能的差異，進口Ag400的吸附性能優于國產Ag400。故而對對真空壽命的影響存在差異。后續還應合理開展此類試驗研究，為真空壽命的維持提供強力保障。

（3）抽真空工藝的好壞直接影響到夾層側材料的放氣速率，夾層側材料中有害氣體（H2O、H2）是否有效置換，吸氣劑的吸附量是否充足等，最終表征到絕熱性能是否能夠維持LNG的正常工作。故因以產品結構、絕熱材料類型、抽真空設備為前提，合理優化抽真空工藝，在抽真空過程中最大能力的排出有害氣體，減少吸氣劑的負載及延長真空壽命。本文通過兩種抽真空工藝的對比可得出：合理有效地抽 真空工藝不僅可以提升漏放氣速率指標，產品的絕熱性能，還可提高抽真空效率，縮短抽真空周期，降低生產能耗。

3 結束語

企業在生產制造過程中，通過對各因素的深入分析制定合理有效地解決措施可在生產制造過程中改善產品的絕熱性能，減少升壓快故障氣瓶，為企業的產品質量及客戶的使用感受提供更好的保障。