蒋娴文，廉蓉，王华栋

（1.陕西国德电气制造有限公司，陕西 西安 710075；2.陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

测试试验

大容积车用LNG气瓶开发介绍

蒋娴文1，廉蓉2，王华栋2

（1.陕西国德电气制造有限公司，陕西 西安 710075；2.陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

文章介绍了500L＜V＜1000L大容积车载LNG气瓶结构原理，分析了大容积车载LNG气瓶型式试验要求，提出了应对常见失效模式的解决措施，总结了大容积车载LNG气瓶技术开发关键要点。

大容积车载LNG气瓶；型式试验；失效模式；解决措施

CLC NO.:U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-159-03

前言

随着我国经济的迅速发展和汽车保有量的高速增长，正面临汽车能源需求与环境保护的双重巨大压力。发展清洁能源汽车已成为降低汽车排放污染和调整能源结构的必然选择，液化天然气（LNG）是目前全球公认的清洁能源，它具有节能、环保、安全、可靠、经济效益突出等众多优点。国内汽车用发动机燃料开始由柴油向天然气转变，而油箱也转化成一个或多个液化天然气车载瓶。

LNG车载燃料系统主要由LNG燃料气瓶、连接管路、汽化装置、减压装置、安全装置及增压系统等组成。车载LNG气瓶是车载燃料系统的核心部件，随着近几年我国天然气汽车的发展，目前市场上有容积从155L至500L各种规格气瓶，但最大单瓶容积为500L，一般多瓶组合供气系统最常见配置为2×450L，2×500L。随着近几年LNG汽车在市场上的推广使用，目前多瓶LNG供气系统自重大、成本高、系统操作繁琐等弊端也逐渐显露，但在现有的LNG气瓶规格下，进行降重、降成本及提升操作性难度较大。在此背景下，国家法规TSG R0006-2014《气瓶安全技术监察规程》对气瓶公称容积修改为0.4L～3000L，气瓶标准委员会针对车用LNG气瓶规格最大容积由500L扩充至1000L。可见车载LNG气瓶向大容积发展已经成为天然气汽车发展需求的一种必然趋势。

大容积车载LNG气瓶虽然与原来小容积车载LNG气瓶结构原理相似，由内胆、外壳、绝热结构、支撑系统和刚性组件组成；但大容积气瓶容积增大，重量更重，长度更长，为保证大容积车载LNG气瓶使用的安全可靠性，气瓶标准委员会对大容积气瓶的安全性能试验提出了更严格的要求。本文简述了大容积气瓶安全型式试验要求，分析了大容积气瓶常见的失效模式以及应对措施，总结出大容积气瓶开发关键技术要点。

1、大容积车载LNG气瓶结构原理

大容积车载LNG气瓶，其存储介质为液化天然气，设计温度为-196℃，工作压力为1.59MPa，公称容积为500L～1000L，其绝热方式采用高真空多层缠绕式。大容积车载LNG气瓶系统结构由气瓶、框架、拉带、外置气化器、阀门及外部管路等零部件组成（详见图1），其气瓶由内胆、外壳、绝热结构、支撑系统和刚性组件组成（详见图2）。LNG气瓶是一个绝热性能超卓的双层容器，结构为里面是一个不锈钢内胆，内胆通过支承件与外壳连接，用来储存液化天然气，能够承受较大的压力，内部有加注喷淋管、液位传感器等；内胆外面再套一个不锈钢外壳，称之为外壳，外壳保护内胆并对整个瓶体起支撑作用，具有高强度及良好绝热性能的支承系统将内胆悬挂在外壳之内。内胆和外壳的夹层之间由绝热材料和超高真空形成一个绝热空间，来阻止内胆中液化天然气的蒸发。

图1 大容积车载LNG气瓶系统结构示意图

图2 大容积车载LNG气瓶结构示意图

对于大容积LNG车载气瓶的结构开发，标准要求最大变化是允许气瓶设置自增压结构。此项规定的变化，使气瓶实际结构和型式试验结构相一致，型式试验更接近实际使用工况，型式试验验证后的气瓶结构可靠性更高。

2、大容积车载LNG气瓶型式试验要求

由于大容积车载LNG气瓶可以设置自增压结构，供气系统可设置外部增压器，所以大容积车载LNG气瓶型式试验时，分单瓶结构（仅气瓶和阀门等组合部件）试验和整套系统型式试验，整套系统包括气瓶和阀门等组合部件、框架、外置增压器以及管路系统。

大容积车载LNG气瓶安全性能试验包括：振动试验、火烧试验、3m高度跌落试验、10m高度跌落试验。其中振动试验、火烧试验，可以整体系统进行的试验代替气瓶单独进行的试验；10m跌落和3m跌落试验应对单瓶和整体系统分别进行试验。

另外大容积气瓶型式试验对静态蒸发率、振动试验、火烧试验、跌落试验做出了新的要求，并新增加了反复充装试验和维持时间试验项目。

2.1 静态蒸发率试验和维持时间试验

气瓶标准委员会要求的大容积LNG气瓶静态蒸发率为≤2.4%/d，由于气瓶容积增大，实际试验测得的大容积气瓶都比500L以下容积气瓶静态蒸发率低，以目前市场上最普遍的750L气瓶和500L气瓶为例测得结果见表1。气瓶静态蒸发率和气瓶维持时间都是衡量气瓶绝热性能优劣的重要指标，气瓶静态蒸发率又和气瓶维持时间是相关联的，大容积气瓶静态蒸发率低自然维持时间就会更长。影响气瓶绝热性能的一个关键因素就是气瓶支撑结构，气瓶的前后支撑结构决定了外部向气瓶内胆导热路径长短，漏热量的大小，直接影响着气瓶静态蒸发率的高低和气瓶维持时间长短。在大容积LNG气瓶结构设计时，需选择高强度且具有良好绝热性能的支承方式。

表1

2.2 振动试验

车载LNG气瓶振动试验是对气瓶内胆与外壳的支撑结构、气瓶管路系统、外置增压器及气瓶安装框架等附件的支撑强度、焊接强度以及疲劳强度的综合考量。大容积LNG气瓶与小于500L气瓶振动试验条件最大变化就是振动加速度由3g变为5g，因此对气瓶的支撑结构设计提出了更高的要求。振动试验最常见的失效模式就是在振动试验频率8~40Hz范围内气瓶顶部检测点出现波峰点，造成共振破坏。常见的共振破坏失效模式主要有：支撑结构断裂，外封头焊缝开裂，夹层增压管断裂，外部管路断裂等。为避免振动试验共振破坏，必须通过改变设计结构，尽可能增大气瓶固有频率。固有频率计算公式为：

式中，k为物体的刚度系数，单位N/m；

m为物体的质量，单位kg。

由以上公式可知，若要增大气瓶系统固有频率，可以减轻气瓶系统重量和增大气瓶整体系统刚性。气瓶重量主要取决于气瓶壁厚，而气瓶壁厚主要由设计压力决定，为证气瓶强度，气瓶重量很难减轻，只能增强气瓶内部支撑结构和增大框架固定结构刚度。

通过前期试验针对振动试验提出以下几点解决措施：

1) 气瓶结构设计时，需考虑波峰点处振动加速度量级放大效应，气瓶内部支撑结构强度计算需取1.6~2倍的安全系数；

2)气瓶框架设计为整体结构，增加整套系统的刚性；

3)气瓶框架与振动台面之间尽可能多设连接螺栓，以增加整体连接刚性，降低气瓶顶部振动量级扩大倍数。

4)在瓶体内部结构设计时，不能单一的追求气瓶支撑强度，而忽略了支撑结构的漏热量，应在气瓶绝热性能和强度之间找到一个合适平衡点。

2.3 火烧试验

火烧试验的目的是检验车载LNG气瓶在外部高温环境下绝热系统性能的安全可靠性。气瓶的真空绝热性能是气瓶主要质量和安全指标，只有气瓶具有良好的绝热性能，才可能在火灾意外事故时，争取足够的救助时间。火烧试验也是对气瓶设计安全阀型号以及排放性能选取合理性的检验。内胆应设置至少两只安全阀，主、副安全阀入口接管应为独立通道与内胆气相空间直接连通，每只安全阀的排放能力应能单独满足安全泄放的要求。安全阀前不允许装设截止阀。

2.4 跌落试验

大容积车载LNG气瓶跌落试验包括：10m单瓶跌落、10m整体系统跌落、3m单瓶跌落和3m整体系统跌落。跌落试验目的是为检验整体系统及气瓶在冲击条件下的完整性。跌落试验前,气瓶应装满与LNG等重量的液氮，气瓶处于完全冷却状态，试验前关闭放空阀。地面为坚固、平整的水平水泥地面。对于带有外置增压器及气瓶固定支座的气瓶，无论实际安装支架的轮廓尺寸如何，试验时所用固定支座的轮廓在管路系统端至少应大于气瓶护罩轮廓250mm以上，以验证气瓶与外置增压器及气瓶固定支座发生相对位移时管道是否破裂。

大容积车载LNG气瓶在冲击条件下，失效模式主要有夹层增压管路断裂和外部阀门管路断裂。在气瓶内部夹层增压管设计时，需保证增压管在三个方向有足够柔性，缓解在外部冲击条件下内胆与外壳之间的相对位移量。外部管路系统需尽量较少悬臂结构，合理设置管架支撑。

2.5 反复充装试验

大容积车载LNG气瓶需根据设计要求的最低充装饱和蒸汽压力和安全阀开启压力设计合理的安全空间，安全空间应保证气瓶充装额定的最低充装压力下的饱和LNG后，内压力升至安全阀开启压力时，内胆不满液。

安全空间计算方法如下：

式中，

Fs——安全空间容积占内胆公称容积的百分比，%；

ρ1——最低充装压力下的饱和LNG的密度，kg/m3；

ρ2——安全阀开启压力下的饱和LNG的密度，kg/m3；

计算结果应向上圆整至整数。

大容积车载LNG气瓶应具备自动限充功能保证气瓶的安全空间。自动限充功能试验就是在瓶内LNG任意残留的状态下再次充装时，验证瓶内实际安全空间是否满足设计安全空间要求。

3、结语

大容积车载LNG气瓶的研发，标志着车载瓶进入了一个新的技术领域。大容积车载LNG气瓶静态蒸发率、振动试验、火烧试验、跌落试验、反复充装试验和维持时间试验等型式试验，是模拟大容积车载LNG气瓶实际运行工况下强度、刚度和安全可靠性的全面检验。本文分析了大容积车载LNG气瓶常见的失效模式并提出了解决措施，总结了车载LNG气瓶结构技术开发关键要点，为大容积车载LNG气瓶的研发提供了参考依据。

[1] GB/T 150.1～4-2011,压力容器[S].北京:中国标准出版社,2011.

[2] TSG R0006-2014,气瓶安全技术监察规程.北京：新华出版社,2014.

[3] TSG R0009-2009,车用气瓶安全技术监察规程.北京:新华出版社, 2009.

[4] TSG R7002-2009,气瓶型式试验规则.北京:新华出版社,2009.

Introduction of large volume-LNG vehicular tank

Jiang Xianwen1, Lian Rong2, Wang Huadong2
( 1.Shaanxi Guode Electric Co.,Ltd., Shaanxi Xi'an 710075; 2.Shaanxi Heavy-Duty Truck Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

This paper introduces the structure and principle of 500L＜V＜1000L volume LNG vehicular tank，makes analysis of the type test requirements about large volume-LNG vehicular tank，brings forward the solutions responded to a common failure mode，and summarizes the key points of large volume-LNG vehicular tank research and development.

large volume-LNG vehicular tank; type test; failure mode; solutions

U467.3

A

1671-7988(2016)07-159-03

蒋娴文，毕业于西安工程科技学院机械工程及自动化专业，现就职于陕西国德电气制造有限公司，从事高压开关壳体、压力容器、高铁传动箱等产品的设计及工艺工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.050