提高CNGV系统压力可行性与必要性

崔闻天 宋志江 武常生 杨利芬

摘要 我国从1989年3月开始批量推广天然气汽车以来，至今已有29个年头。我国CNGV的工作压力一直沿用20MPa，导致长期以来我国CNGV运行效率较低，若将其工作压力从20MPa提升至25MPa，则续行里程可增加近20%。目前，我国的CNG气瓶无论是在设计、制造工艺、试验及检测手段上，还是在气瓶材料品质上都有了显著提高，完全具备制造25MPa、30MPa乃至更高工作压力气瓶的能力。为提升CNGV的效率，应当随着技术进步，及时适当提高CNG汽车的工作压力限值标准。

【关键词】天然气汽车 压力提升 可行性 必要性

1931年意大利在世界上率先生产出天然气汽车以来，至今已有87年;我国在1989年开始推广生产使用天然气汽车，至今已达29年。在天然气汽车发展的近百年历史中，天然气汽车的工作压力一直20MPa，近年来北美和东南亚不少国家已经在使用工作压力25MPa的气瓶。而我国CNGV的工作压力一直沿用20MPa，导致长期以来我国CNGV运行效率较低，若将其工作压力从20MPa提升至25MPa，则续行里程可增加近20%。目前，我国的CNG气瓶的制造水平和气瓶材料品质都有了显著提高，完全具备制造25MPa、30MPa乃至更高工作压力气瓶的能力。为顺应天然气行业发展，提升CNGV的运行效率，必要时可以适当提高CNGV系统的工作压力。

1 天然气汽车发展现状及未来发展趋势

在全球应对气候变化和我国治理大气污染的双重压力下，天然气汽车在环保上有显著优势。与汽油和柴油相比，天然气单位热值更高，且燃烧产物主要为水和二氧化碳，几乎不含硫化物、氮氧化物和铅，对大气环境的污染（雾霾和温室气体）都更小。从经济上来说，由于天然气价格比原油低，天然氣相对于汽柴油具有明显的比较优势。低油价背景下，天然气作为交通燃料在运营费用上仍低于汽柴油。相对于电动汽车等其他新能源汽车，天然气汽车在整车技术成熟度、续航里程、安全性、冷启动等方面表现更加出色。

2017年我国天然气汽车保有量已逾600万辆，其中压缩天然气（CNG）汽车573万辆;加气站8400座，其中CNG加气站5300座;均位居世界第一位。但要从天然气汽车大国提升为天然气汽车强国，就需要大力推进天然气汽车的技术进步和创新。在全世界天然气汽车保有量中，平均每4辆中就有1辆在中国，中国己成为全世界天然气汽车保有量的第一大国。天然气汽车近几年的崛起绝非偶然，它崛起的背后有环保、经济、技术等多重因素的共同推动。如图1所示。

2 提高CNGV系统压力限值的可行性

2.1 提高CNGV系统压力限值可行性的法律依据

天然气发动机依其优良的尾气排放性得到了汽车行业的公认，长期以来困扰装备天然气发动机汽车的问题是续驶里程，由于天然气是气体，能量密度低，相对于液体燃料汽车携带的燃料少，续驶里程较短，采用压缩天然气后，汽车的续驶里程有了很大延长，若进一步提高压缩天然气的压力，可以使汽车的续驶里程再增加，目前GB17258-2011《汽车用压缩天然气钢瓶》中规定此类产品的公称工作压力为20MPa（表压），考虑到国内加气站的加气能力，确定车用气瓶的公称工作压力为20MPa，若将压力提高到25MPa后，可将续驶里程提高25%左右。国家气瓶标委2009年颁布的GB24160-2009《车用压缩天然气钢制内胆环向缠绕气瓶》该标准规定适用于设计、制造公称工作压力为20MPa或25MPa的缠绕气瓶，国际IS011439《车用压缩天然气高压气瓶》关于“车用压缩天然气（NGV）燃料容器的基本要求”相同，车用气瓶工作压力为25MPa，2017年已经颁布实施的GB/T33145-2016《大容积钢质无缝气瓶》（站用气瓶和运气车气瓶）已将压力限值提高到30Mpa，2018年7月1日即将实施的GB/T 35544-2017《车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》己将储氢瓶压力提高到70MPa，这些标准都为提高CNGV系统压力限值的可行性提供了法律依据。

2.2 提高CNGV系统压力限值在材质选取的可行性

在材料的选用上，目前国内车用气瓶材料限定采用优质铬钼钢，并对其化学成份进行了规定，特别是对硫、磷含量进行了更加严格的限制。并对此材料调质热处理后的力学性能进行了强制性的规定。目前国内标准GB24160-2009、GB17258-2011关于材料的化学成分S、P含量规定相同，即S≤0.020%、P≤0.020%，且规定材料的钢瓶材料的实测抗拉强度不宜大于880 MPa，如果设计上规定抗拉强度上限大于880MPa，气瓶制造企业应对气瓶进行硫化物应力腐蚀试验，得到气瓶设计鉴定机构批准后，可适当提高材料抗拉强度的上限，但不应大于950MPa，规定对超过抗拉强度950 MPa的钢，S≤0.010%、P≤0.020%，可见国际标准IS011439只要严格控制S、P含量，气瓶材质的抗拉强度可以进一步提高，抗拉强度提高意味着，气瓶材质可以承受更高的工作压力。

2.3 提高CNCV系统压力限值在设计上的可行性

在设计上，现在的设计方法也比原来更加先进，可以采用先进的有限元应力分析设计法，建立气瓶的合理力学模型，对钢瓶可以计算出瓶体的应力分布，保证最小设计壁厚的合理性;对于缠绕瓶可以通过非线性分析，对缠绕瓶的自紧压力、自紧后零压力、工作压力和最小设计爆破压力下的应力分析，确定缠绕层和内胆中的应力分布。完全可以采用先进的设计方法保证在气瓶在压力提高后设计上的安全性。

2.4 提高CNGV系统压力限值在制造工艺上的可行性

在制造工艺上，现在气瓶制造上普遍采用旋压收口技术，瓶体与瓶头之间过渡圆滑，无结构不连续情形和皱褶产生，从结构上保证了高压下应力分布的均匀性，避免了因结构不连续造成的应力集中和峰值应力，大大提高了气瓶端部的耐疲劳性能，提高了实际使用中的安全性，现在的热处理工艺也比原先更加先进，热处理过程中的炉内温度、炉温的均匀性，更便于控制，保证了气瓶经热处理后达到要求的力学性能。为检验气瓶热处理后的机械性能是否满足标准及设计的要求将试验环与钢瓶同炉进行热处理，同一批钢瓶带一个试验环，试验环与其所代表的同批钢瓶具有相同的公称直径和设计壁厚、采用同一炉罐号钢、同炉热处理。试验环两端封闭以与钢瓶热处理状态一致。目前国内大的气瓶制造厂在制造国内20MPa气瓶的同时，也都生产过出口25MPa气瓶，有了这方面的制造经验，制造更高压力的气瓶己非技术难题。

2.5 提高CNGV系统压力限值在试验及检测手段上的可行性

在各种试验及检测手段上，国内外标准都规定了基本上相同的试验方法与合格要求，试验方法包括拉伸试验、冲击试验、冷弯试验、压扁试验、硫化物应力腐蚀试验、金相实验、水压爆破试验、气密性试验、疲劳试验、火烧试验缠绕层的力学性能试验等。钢瓶两头的螺纹加工至所需尺寸后要对钢瓶进行磁粉探伤，检测瓶身有无裂纹、沙眼等缺陷。瓶身检测无缺陷后进行瓶口磁粉探伤检测，保证螺纹质量，以防使用中螺纹失效造成危害。瓶口螺纹检测完成后，对瓶口螺纹进行防锈处理，超声波探伤主要是对钢瓶的壁厚是否均匀进行检测，如果产品的壁厚不均匀，极易产生应力集中造成重大的产品质量隐患。钢瓶逐支进行100%超声检测，瓶体两端旋压成型部分进行100%磁粉检测。由上可见只要制造出来更高压的气瓶通过这些试验及检测要求，也完全可以保证在使用过程中的安全性。

3 提高CNGV系统压力限值的必要性

众所周知，推广天然气汽车对于治理大气污染、保障国家能源安全、（2017年我国石油对外依存度己逾67%）、增加天然气的消費量在调整能源结构等方面居功至伟（ 2017年，我国交通用天然气占比约为15%）。而我国CNGV的保有量又占天然气汽车保有量的95%左右。但，CNG汽车的能量密度低，续行里程较短，是其一个明显的不足之处。若将其工作压力从20MPa提升至25MPa，则续行里程可增加近20%。换言之，出租车和公交车的续驶里程均可以从200公里增加到约240公里。这将是天然气汽车行业一个大的进步。

把长管拖车气瓶的储存压力限值从20MPa提高到25-30MPa，可以提高约20%-36%的天然气运输量。世界上大多数地区都实施着25MPa压力限值。换言之，在完成相同运输量的条件下可以节省20%-36%的长管拖车驾驶员。例如目前全国有一万辆长管拖车，储运压力升级后就可以节省2000-3600名驾驶员和相同数量的押车人员。此外，长管拖车的价格不妨按60万元人民币来计算，则相当于节约了12亿元人民币的购车费用。这必将产生巨大的经济与社会效益。

4 我公司开发25MPaCNG运输设备实例

我公司己按IS011120-2015标准开发了出口国际市场了长管拖车与管束式集装箱等CNG运输设备，有了设计制造这方面的成功经验，我公司开发的产品主体材料采用高强度钢管，抗拉强度达到970MPa以上，在公称工作压力25MPa下，由于材质强度提高，壁厚更薄，同时，规定相应的主体材料化学成分及热处理后的机械性能，确定硬度检测、水压试验、超声检测等相应要求。由于天然气属于脆性气体，我公司对试样瓶进行了抗氢脆性能检测以及抗SSC性能检测。为进一步保证本大容积高强度轻量化气瓶的安全使用，我公司在标准所要求的抗氢脆性能及抗SSC性能检测外，补充了爆破试验及疲劳试验。其中爆破试验爆破压力及破口形状与尺寸均符合标准要求;疲劳试验加压循环至15000次的过程中瓶体无泄漏和损坏，符合标准要求，在此基础上进行批量生产，出口的产品得到了用户广泛好评。

5 结束语

展望未来，天然气作为一种清洁能源，在中国前景光明，天然气配套的一系列行业也必将得到快速发展，提高CNGV系统压力也符合国际潮流，且提高CNGV系统压力无论是在设计上、制造上、还是安全性上都不是问题，提高CNGV系统压力可以提高天然气汽车续航里程，增加CNG运输设备的容重比，必将给天然气行业带来一系列的社会效益与经济效益。

参考文献

[1]周怡沛，周志斌，中国车用CNG市场发展现状、趋势与策略[J].车用发动机，2010 （04）：8-12.

[2]王海涛，徐博，世界天然气汽车市场发展现状和主要地区特性分析[J]，国际石油与经济，2010 （02）：5-9.

[3] DOT-3AAX美国联邦法规标准一无缝钢瓶规范[S].

[4] IS011120-2015水容积150-3000L可重复使用的无缝钢瓶的设计、制造和试验[s].

[5] GB/T33145-2016大容积钢制无缝气瓶[S].