压缩天然气(CNG)气瓶使用及安全分析

前言
   随着我国经济的不断发展，我国的汽车产量和汽车保有量在不断增加，燃油供需矛盾以及汽车尾气带来的城市环境污染问题日益突出，因此，寻找替代能源，开发和发展替代石油的气体燃料汽车对全世界乃至我国都是关系到社会经济，尤其是支柱产业—汽车工业发展的重大战略问题，因而积极探索和发展天然气汽车是解决这些问题的一举两得的有力措施。其中，发展压缩天然气汽车技术是最为现实并且可行的。

  天然气作为一种优质车用燃料，不但价格低廉，运行经济性好，而且发动机的排放污染小、噪声低、磨损小、使用寿命长。因此，积极发展压缩天然气汽车的推广运用能获得较大的社会经济和环境效益。

一、压缩天然气气瓶的生产安全

  压缩天然气气瓶（CNG-1钢质气瓶、CNG-2钢质内胆环向缠绕气瓶）的生产目前主要采用两种生产工艺进行，一种是冲拔成型，另一种是采用无缝钢管旋压封口封底成型，无论采用何种方式进行生产，整个生产过程中都应严格按照工艺要求进行生产加工，防止和杜绝有缺陷的产品流入市场使用。

  对于这两种成型生产方式，本文就其中的无缝钢管旋压成型进行说明，旋压成型主要是对钢管端部进行加热，然后热旋压加工成型，因而产生的主要问题也在瓶体底部和口部，底部缺陷主要为底部夹杂、壁厚不足、或有微裂纹产生等缺陷，避免此类缺陷的产生主要为生产工艺的成熟，不断改进封底生产工艺以达到最优，对底部缺陷的检查主要为超声波测厚仪以及超声波探伤仪，由先进的检测手段检测瓶体底部，防止有缺陷问题的半成品流入下一工序，从源头上控制产品质量，才能保证气瓶的使用安全。口部缺陷主要为裂纹的产生，同样与生产工艺的稳定性有着重要的联系，因此，从生产工艺的改进和优化是提高产品使用安全的首要条件。

  对气瓶生产中关键工序的检验也是造就高质量产品的重要手段，如瓶体壁厚检测、超声波探伤、磁粉探伤、热处理、水压试验、气密性试验以及疲劳试验、爆破试验等，严格做好每一工序的生产和检验，由专人进行检测，同时每一生产过程有工序见证记录资料，检验结果及时打印并出具报告，气瓶敲打移植号，保证产品的可追溯性，确保产品质量始终处于可受控的检验状态。

  压缩天然气气瓶作为压力容器，犹如一个定时炸弹随时可能引发，因此，保证对用户放心的要求，对于产品的生产和检验，我们不容忽视，在生产中保证安全，才能在使用中让用户安全。

  二、压缩天然气气瓶的使用安全

   压缩天然气气瓶的使用安全，这里面涉及的安全问题就着实太多了，主要为存储介质、瓶体材料、瓶阀、使用环境、定期检验，人为因素等方面，下面就这些问题逐一进行说明。

  1、存储介质的安全问题

  压缩天然气气瓶的主要存储介质为天然气，天然气的主要成份为甲烷CH4，无色无臭，常温常压下成气态，比空气轻，易燃易爆。沸点为-161.℃（1atm下），其可燃混合气着火范围较宽，热值和自燃温度较高，在封闭环境中扩散系统小，因此泄漏的天然气易形成可燃混合气，遇明火易爆炸燃烧。

  未经处理的天然气含少量的SO2、H2S，有臭味和毒性，另外还含有硫、水份，这些硫份和水份会对压缩天然气装置造成腐蚀，引起各种阀门和管路连接处腐蚀并影响密封性，甚至使减压器功能失效，燃料供给系统布置不合理等问题，最终导致内外泄漏，成为不安全的火灾或爆炸气源，所以压缩天然气汽车所用的燃料天然气一定要进行充分的脱硫脱水，保证气质达到要求。[1]

  目前，大多数压缩天然气气源中都含有硫化氢等酸性物质，特别是四川、重庆等气源质量不佳的地方。硫化氢溶于水后，会造成钢材的电化学腐蚀，产生氢鼓包现象。即使没有水分，压缩天然气中的硫化氢在高压力作用下，也会对气瓶造成腐蚀破坏。在SY 0092-98《汽车用压缩天然气加气站设计规范》中，对压缩天然气的硫化氢、水分等杂质含量都有严格限定，但如果压缩天然气生产工艺中脱硫、脱水装置失效，或加气站经营者对硫化氢、水分指标把关不严，就可能导致压缩天然气中硫化氢、水分含量超标。硫含量超标对于汽车用压缩天然气钢瓶、钢内胆车用压缩天然气缠绕气瓶的破坏作用尤为严重。[2]

  国际标准ISO11439：2000《车用天然气高压气瓶》中4.5气体成分对天然气的要求有具体规定，我国标准GB17820-1999《天然气》对天然气的使用也有相应要求，因此充装压缩天然气的气瓶应充装技术要求达标的天然气，减少对气瓶的腐蚀，延长气瓶使用周期。

  2、瓶体材料的安全问题

   压缩天然气气瓶材料的选择参照GB18248-2008《气瓶中无缝钢管》，气瓶原材料主要选择铬钼钢无缝钢管，采用调质热处理。压缩天然气钢质气瓶的工作压力较高，天然气中又含有一定量的H2S 和水分，因而钢瓶的氢腐蚀倾向较大。据有关资料，高强度钢在高压下，在干燥的H2S 气体中有裂纹的扩展倾向。当钢瓶硬度较高时(HBC 34) 即使气体中H2S 浓度为0.1 mg/ L ，长时间(1 948 h)可发生断裂。大量研究表明，材料屈服强度在900～1 000 MPa 以上，材料对氢腐蚀极为敏感，材料抗H2S 腐蚀能力随材料强度升高而变坏。如果金属表面存在缺口引起应力集中，容易诱发裂纹。钢的屈服强度越高，其材料断裂临界应力强度因子越低，裂纹扩展速率随钢的强度增加而迅速增大，同时由于车用瓶存在较频繁的振动，因而也是加快裂纹扩展的一个原因。另外，气瓶表面质量也值得重视。由于氢对缺口极为敏感，哪怕非常细小的尖锐缺口也会导致应力集中，加速氢腐蚀进程，最终导致气瓶爆炸。

  对于钢质气瓶，要求钢的纯净度好，韧性高，延伸性能好，钢的表面质量好。如果选用的钢断裂韧性很高，临界裂纹尺寸大于壁厚，使用中，即使发生裂纹扩展，裂纹穿透壁厚仍达不到临界裂纹尺寸，只会发生泄漏而不会发生因裂纹达到临界尺寸引起的爆炸，即“只漏不爆”。因此气瓶制造厂不单对钢厂提出用于钢质气瓶的钢号和相应制造、验收技术标准要求，而且还应对钢中有害杂质元素(如

  S、P、O) 含量、钢的表面质量和力学性能指标提出严格控制要求。如将硫、磷含量限制在0. 01 %；提高钢交货时的δ5 和Akv 指标，将δ5 提高到不小于18 %;要求钢表面不得有任何气泡、裂纹、结疤、折叠、分层、夹杂；表面光洁,不得有任何麻点和凹坑，表面不得进行修补； 适当降低含碳量， 如选用30CrMo 等材料，将材料热处理后的实际最大抗拉强度值控制在不大于880 MPa ,对于经调质处理的材料，屈服应力的最大保证值不得大于最小抗拉强度的85 %，屈服应力实测值和抗拉强度实测值之比不得大于92 %。[3]

  3、瓶阀的安全问题

  在车用压缩天然气气瓶的定期检验中常常会发现气瓶有泄漏现象。检验中发现，有相当一部分气瓶存在瓶阀结构不够合理、与瓶身连接处密封不好等现象。这样的情况在车用压缩天然气全复合材料气瓶中尤为普遍。带有泄漏问题的车用压缩天然气气瓶一旦进入实际运营中，属于带病工作，在一定的条件下必然会发生爆炸等事故。

  4、使用环境的安全问题

  (1) 化学品侵蚀

  车用压缩天然气气瓶在实际运行环境中，可能遭受酸雨等化学物质的侵蚀。这些物质会与气瓶表面的材料发生化学反应，即会对有缠绕层的车用压缩天然气气瓶造成缠绕层纤维的断裂、溶解、松动或者产生应力腐蚀裂纹等，对于钢瓶则直接造成壁厚减薄、产生凹坑等后果。

  (2) 大气侵蚀

  车用压缩天然气缠绕气瓶的纤维缠绕层如果长期暴露在阳光及大气中，其外表面涂层的状况会变化，可能导致缠绕纤维松动、断裂，从而降低车用压缩天然气气瓶的强度，影响其安全性能。

  (3)外力作用

  车用压缩天然气气瓶在使用、搬运等过程中，由于操作不当或者汽车本身发生事故等影响，可能造成车用压缩天然气气瓶受到冲击、碰撞、磨损、过热等损伤，导致车用压缩天然气钢瓶表面受损，或造成车用压缩天然气缠绕气瓶表面纤维层松动、断裂、树脂破碎等后果，会降低车用压缩天然气气瓶的安全性能。

  5、定期检验的安全问题

  建立压缩天然气气瓶检查的完善体系，严格执行GB19533—2004《汽车用压缩天然气钢瓶定期检验与评定》的规定。钢瓶的首次检验和第二次检验为每三年进行一次，第二次检验后每两年进行一次；对出租车用钢瓶的检验每两年进行一次，第二次检验的有效期为一年。如果气瓶被重新安装，且处在腐蚀环境，或被火烧过，则气瓶必须经重新检测后方可使用。

  （1）私自改装燃气设备

  目前，随着汽油、柴油价格的提高，燃气与燃油的成本差异已经比较明显，前者较低。因此，有些单位或者个人为汽车改装了燃气设备。有些改装的车用压缩天然气 气瓶甚至是几年前使用的旧车用压缩天然气气瓶。有些由不具备车用气瓶安装单位许可资质的改装单位或个人改装的车用压缩天然气气瓶，甚至旧车用压缩天然气气瓶、报废车用压缩天然气气瓶的重新使用，必然为车用压缩天然气气瓶埋下安全隐患。

  （2）加气站安全措施不到位

  加气站是将管线输送来的天然气处理后，加入车用压缩天然气气瓶的中介。目前，有些城市的加气站仍存在员工安全管理制度落实不力、安全意识淡薄、操作规程掌握不规范等诸多问题。大多数加气站周围环境较复杂，受出入车辆火花、穿钉鞋摩擦所致火花、静电火花等可能存在的火源威胁。车用压缩天然气气瓶在这样的加气站充装压缩天然气时，可能受到火灾或爆炸事故的影响。

  （3）充装过度频繁

  在车用压缩天然气气瓶的使用过程中，尤其是车用压缩天然气全复合材料气瓶的使用过程中，疲劳破坏往往是最致命的。相关标准对车用压缩天然气气瓶的使用寿命有所规定，但这些规定是建立在正常充装基础上。实际运营中，某些原因会造成车用压缩天然气气瓶每日的充装次数多于设计计算中设定的充装次数，在这种情况下就有必要适当缩短其使用寿命，否则会给车用压缩天然气气瓶的安全性带来危害。

  （4）气瓶超压工作

  目前,有些地区天然气加气站的建设跟不上压缩天然气汽车的发展速度，为了加一次气多跑一段里程，汽车在充装天然气时压力大于20 MPa (规定不能超过20 MPa) ,这种情况必须严令禁止。在加气站加气设备中应设置自动限压充气装置，确保不发生超压充气的现象。

  （5）气瓶安装不正确

  在车辆上安装压缩天然气气瓶时，应尽可能安装在汽车上相对安全的区域，保证位置合适，与车体保持合理的间距，并且与车体间设置可靠固定的隔热装置，即安装在载货车、汽车发生撞击时道路砂石冲击产生危害最小的地方。将储气瓶安装在舱内,均应在储气瓶外安装安全隔离栅。

  对于采用多个气瓶串联供气的情况，每个气瓶应配置一个高压电磁截止阀，使各瓶的高压燃气先受截止阀控制，再串联供气。一旦发生意外，各瓶高压气会受到发动机点火电磁脉冲的控制而被分别关在瓶内，不会喷出燃烧。

  （6）气瓶支架稳定性差

  气瓶支架是天然气储气固定的基础部件，此部件有不少的人认为是一个简单结构部件，无须小题大做。其实不然，目前正在营运的压缩天然气两用燃料汽车因改装厂不同且都是各自设计生产制造。就是同一车型的气瓶支架其结构形式可谓五花八门，没有一个定式，材料的选择也各有不同，然而通过对气瓶的的周期检验发现气瓶支架的结构和选材方面存在着严重的事故隐患。具体问题如下：

  ①气瓶支架用料薄材质差整体刚性太差，拉带耳座同样如此，有的已经发生形变，有的拉带的宽度太窄，有的用料太薄，有的选材钢号太低，紧固后拉带产生形变后气瓶无法固定，且发生多个方向位移，致使高压管子扭曲变形，很有可能将管子扭断，导致高压天然气的大量泄漏。

  ②拉带上用的环首螺栓强度不足，产生变形，此外拉带紧固螺栓设计的方向存在问题（由外向内穿的情况），或者使用螺栓长度太长致使气瓶表面造成物理性损伤而报废。

  ③拉带长度不足采用焊接方式加长使用。

  ④气瓶支架上使用橡胶垫带与支承面粘接不牢固，使用一段时间后发生位移，甚至脱落，气瓶松动与支架支承面摩擦，损伤气瓶表面。

  ⑤气瓶支架及其零部件外表面油漆涂装质量较差，锈迹斑斑或者严重锈蚀无法再继续使用。

  三、预防安全措施

  通过以上各问题进行分析，对车用压缩天然气气瓶的使用安全，应从以下几个方面予以保证。

  首先是提高车用压缩天然气气瓶产品质量，压缩天然气钢瓶属于压力容器，产品质量不符合要求的，严禁进行生产和销售，在生产的每一环节严把质量关，做到产品质量零缺陷。

  其次是提高压缩天然气产品的质量，特别是严格执行硫化氢、水分含量等控制指标，保障气瓶使用安全。

  三是瓶体材料的选择，严格按照国标要进行进行选材，同时对原材料成份进行复验，控制钢材中的S、P含量，在气瓶热处理过程中，采用合理的热处理工艺，在保证强度足够的情况下尽可能降低屈强比，提高断裂韧度，从而提高气瓶安全性。[4]

  四是瓶阀的选择，气瓶阀应有安全装置，保证在气管破裂或密封损坏时能截断主供气道，还应具有防止气瓶压力过高的的功能。[5]

  五是气瓶使用环境的改善。如果将车用压缩天然气气瓶置于后备箱中，容易遭受机油、潮湿、化学品的侵蚀以及外力碰撞作用。这些侵蚀和外力作用会影响气瓶的使用安全，因此，应合理分配车用压缩天然气气瓶的安装位置。如城市公交车，改用压缩天然气气瓶一般置于车顶较安全，即使发生压缩天然气泄漏，也可以保证压缩天然气迅速扩散，可以减少事故发生。还有出租车使用天然气气瓶，出租车上的车用压缩天然气气瓶一般置于后面的密闭空间中，一旦发生泄漏，容易造成压缩天然气聚积，引发爆炸，因而在安装天然气气瓶时应充分考虑气瓶使用环境，保障气瓶使用安全。

  六是气瓶的定期检验，压缩天然气气瓶应按照《气瓶安全监察规程》规定以及GB19533-2004《汽车用压缩天然气钢瓶定期检验与评定》要求，定期对车用压缩天然气气瓶进行检验，检验不符合要求的气瓶应报废停止使用。

  七是人为因素的控制。由于人为因素控制较多，在此简单就相关要求进行说明，有不尽之处请赐教。

  ①任何单位和个人不能私自改装车用压缩天然气气瓶，必须到有改装资质的单位进行安装，把现成汽油车改装成压缩天然气—汽油双燃料汽车时，应按照QC/T245-1998《压缩天然气汽车专用装置和安装要求》正确安装压缩天然气气瓶。气瓶应安装在车上的的安装位置，并且与车体间要有合理的间距和设置可靠的隔热装置。气瓶不能直接安装在驾驶室或载人车厢内，当只能安装到驾驶室或载人车厢内时，必须有可靠的密封装置，并设置能将泄漏气体排出车外的通气装置，保证良好的的安全性。天然气供气系统装车后，应采用天然气或惰性气体进行整体检漏测试。测试合格后，方可交付使用。[6]

  ②加气站必须有相应的安全措施，防止储气及加气时事故产生。压缩天然气汽车进入加气位置后，发动机必须熄火，驻车制动，关闭所有电器电源。充气完毕后在加气站工作人员指挥下，缓慢驶离，不得猛踩油门，以免意外事故发生。

  ③压缩天然气汽车充装不宜频繁，过度频繁的充气会造成对气瓶的损害，同时减少气瓶使用寿命周期，减低气瓶使用的安全可靠性，因此，在实际充气过程中，应周期性平稳进行充装气体，不宜充装频繁过度。

  ④严禁气瓶超压工作，由于压缩天然气气瓶为压力容器，气瓶工作压力必须与设计时压力保证一致，气瓶超压工作会增大气瓶的危险性。因此气瓶实际工作中，不得超过额定工作压力使用。

  ⑤气瓶安装位置应按照相关规定要求进行安装，应配有专门的保护装置，当密封不良而漏气时，能将漏出的天然气引至不易着火的部位。在某些潜在危险大的部位（如发动机罩内），加装天然气浓度传感器，当天然气浓度接近最低着火极限时予以报警。同时气瓶的安装不得影响汽车通过性，不得接近汽车车体外缘，避免因碰撞引起危险。

  ⑥气瓶支架制作应牢固稳定，在固定气瓶时应牢固可靠，不得有松动或间隙存在，气瓶支架材料选择应选择安全强度较高的材料制作，支架表面也应做相应的除锈防腐处理，保证支架使用的安全和寿命。

  ⑦尽量减少车用压缩天然气气瓶的拆装率，以降低由于频繁拆装气瓶带来的瓶阀螺纹损伤、气路密封性能损坏等弊端，降低车用压缩天然气气瓶泄漏的可能。保证车用压缩天然气气瓶在使用过程中不会受到猛烈的撞击、冲击。若一旦发生这种情况，必须进行检验，判断车用压缩天然气气瓶是否能够继续使用。

  ⑧严格按要求对车用压缩天然气气瓶进行充装，确保车用压缩天然气气瓶充装前瓶内留有一定的余压，避免充装时空气混入引发爆炸事故。气瓶中进了空气或新启用的气瓶，充装前应用天然气“冲洗”，即将天然气充入气瓶使瓶内压力达到0.3 MPa～0.6MPa，然后放出天然气使压力减至0.2 MPa～0.3MPa，如此反复三次再充气至气瓶的额定工作压力。

  ⑨行驶过程中一旦发生漏气，应立即关闭所有电器电源，查出漏气部位和原因，及时处理，如泄露严重，应关闭气瓶阀门，待天然气散发后再做处理，必要时放掉全部天然气。

  ⑩平常加强对压缩天然气汽车的维护和保养，特别是要防止气体管线和管件连接处的泄露。维护和使用时要防止产生静电和电火花。

  四、结束语

  随着经济的不断发展，石油资源的日益紧张，环境污染日益严重，压缩天然气汽车应用将会迅速发展，由于其潜在的危险性，我们对压缩天然气汽车使用及安全的重视和维护将显得更加必要，这不仅是维护人身和财产安全，更重要的是对正确引导压缩天然气汽车的发展和推广有着非常积极的作用。