㊀第１０期㊀㊀收稿日期:２０２１－０２－１８
李蔚ꎬ张耕ꎬ谭粤ꎬ夏莉ꎬ杨刚ꎬ徐瑶
(广东省特种设备检测研究院ꎬ广东佛山㊀５２８０００)
摘要：介绍了ＬＮＧ气瓶的使用情况以及复合材料ＬＮＧ气瓶中的应用发展概况ꎬ简述了现阶段面临的实际问题和基本情况ꎮ从气瓶产品本身出发ꎬ结合气瓶行业发展情况ꎬ从选材㊁设计㊁制造㊁检验环节探讨了复合材料ＬＮＧ气瓶的合理性以及可行性问题ꎬ提出了未来发展的展望和研究的思路ꎮ
关键词：复合材料ꎻＬＮＧ气瓶ꎻ液化天然气
中图分类号:ＴＢ３３２ꎻＴＥ８㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀㊀文章编号:１００８－０２１Ｘ(２０２１)１０－００６３－０２
㊀㊀通常气体液化后体积会变成原来的几千分之一ꎬ便于贮藏和运输ꎮ现实中某些气体如氢(－２５３ħ)㊁氮(－１９６ħ)㊁天然气(－１６２ħ)等的临界液化温度很低ꎬ在加压的同时必须进行深度冷却ꎬ实现液化ꎮ而低温绝热气瓶作为一种十分常见的储运低温冷冻液化气体的特种设备ꎬ目前被广泛应用于化工㊁机械和国民经济的各个领域ꎮ
目前ꎬ使用卧式低温绝热气瓶承装天然气燃料的液化天然气(ＬＮＧ)公交车因为其燃料环保㊁经济高效㊁行驶平稳的特点ꎬ并有助于改善城市空气质量而被广泛的推广应用ꎮ截止２０１５年年底我国ＬＮＧ汽车保有量约为２３万辆ꎻ根据国家天然气发展十三五规划ꎬ到２０２０年ꎬ我国ＬＮＧ汽车的保有量将达到４０~５０万辆ꎮ目前ꎬＬＮＧ气瓶生产企业达８０余家ꎬ２０１２年我国车用气瓶产量为４.７６３１万个ꎬ２０１４－２０１６年受天然气价格影响ꎬＬＮＧ汽车销量不及预期ꎬＬＮＧ车用气瓶销量数据不佳ꎬ２０１７年我国ＬＮＧ汽车产销量又出现跳跃式增长ꎬ车用气瓶年产量达到１０.５１２３万个[１]ꎬ２０１２－２０１７年中国ＬＮＧ车用气瓶产量见图
１ꎮ
图１㊀２０１２－２０１７年中国ＬＮＧ车用气瓶产量
㊀㊀随着我国天然气资源的不断发现㊁天然气进口量的增加以及各地ＬＮＧ加气站的不断建设ꎬＬＮＧ汽车有了更广阔的发展前景ꎮ随着各地大力推广ＬＮＧ公交车㊁客车等城市公交体系以及ＬＮＧ重型卡车ꎬ此ＬＮＧ车用气瓶的中国市场已经蓄势待发ꎮ２０１５年我国车用气瓶市场需求达到１５.８万个ꎬ２０１７年达到３４.６万个ꎬ２０１２－２０１７年中国ＬＮＧ车用气瓶需求量见图２ꎮ㊀㊀未来ꎬ东南沿海地区将以ＬＮＧ汽车为主ꎬ包括浙江㊁福建㊁广东㊁上海㊁海南和广西等地ꎮ广东各城市都有ＬＮＧ加气站的建设规划ꎬ其中广州规划２０２０年建ＬＮＧ加气站１２６座ꎬ东莞规划２０２０年建８１座ꎮ深圳也出台政策对ＬＮＧ重卡给予补贴ꎬ以推动ＬＮＧ能源的使用ꎮ未来的车用ＬＮＧ瓶的数量将出现爆发
式增长ꎮ现阶段的ＬＮＧ车载气瓶一般是由不锈钢制造的具有内外双层结构的容器ꎬ其中内胆负责承压并装在ＬＮＧ液体ꎬ外壳与内胆形成夹层并添加多层绝热材料并高真空处理成为绝热层ꎬ不锈钢耐低温性能好㊁可加工性高ꎬ应用得相对比较成熟ꎮ但另一方面ꎬ由于不锈钢材质有密度大ꎬ传热效果好等特点ꎬ气瓶有着自身过重ꎬ绝热效果不佳等劣势
ꎮ
图２㊀２０１２－２０１７年中国ＬＮＧ车用气瓶需求量
１㊀复合材料ＬＮＧ气瓶的现状
通常情况ꎬＬＮＧ气瓶通常选用金属材料作为气瓶内胆材
质ꎬ在ＩＳＯ２１０２８－１<
lng汽车Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｖｅｓｓｅｌｓ
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Ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ
ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｍａｔｅｒｉａｌｓａｔｃｒｙｏｇｅｎｉｃｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－Ｐａｒｔ１:Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｂｅｌｏｗ－８０ħ>中ꎬ由于液化天然气的临界液化温度在－１６２ħꎬ所以标准推荐使用的内胆材料为不锈钢㊁铝合金㊁铜合金三种ꎮ相比较而言ꎬ铝合金㊁铜合金的热导率更大ꎬ焊接收缩率更高ꎬ所以在实际产品应用中使用较少ꎮ面对市场上越来越强烈的高端化㊁轻量化的产品需求ꎬ耐低温㊁低热导率㊁高强度的复合材料ＬＮＧ气瓶成为了未来潜在的发展方向之
一ꎮ
复合材料具有低质量㊁高强度㊁高耐蚀性以及方便设计等多种优点ꎬ在航空航天㊁机械工程等各个领域有着广泛应用ꎮ而复合材料气瓶由于具有高强度㊁高质量密度㊁失效模式安全㊁较好的抗腐蚀及疲劳等性能等一系列特点ꎬ已经被广泛地应用于航天技术中ꎮ并在高压气瓶领域ꎬ有着较为成熟的应用ꎬ像呼吸气瓶㊁储氢气瓶等用途中都基本采取的复合材料气瓶ꎮ
对于全复合材料低温气瓶ꎬ复合材料内胆结构不仅仅要起到承载介质的作用ꎬ还需要对低温液体具有良好的密封的作用ꎬ同时兼具较好的绝热保温性能和真空维持性能ꎮ因此ꎬ研究复合材料的低温性能ꎬ包括低温力学性能㊁低温载荷㊁化学相容性以及低温下的导热系数和出气率等具有重要意义ꎮ目前ꎬ
３６ 李蔚ꎬ等：复合材料ＬＮＧ气瓶的现状及未来展望
山㊀东㊀化㊀工
许多学者已经论证了聚合物基复合材料作为气瓶材料应用的必要性和可行性[２]ꎮ同时ꎬ对无衬低温复合气瓶的低温包容性和化学相容性的研究也取得了重要成果ꎬ为低温复合气瓶的研究奠定了坚实的基础ꎮ进一步研究开发低温复合气瓶是节能环保㊁降低成本㊁提高气瓶性能的内在要求ꎬ也是必然趋势ꎮ因此ꎬ研究无衬里低温复合气瓶具有重要意义ꎮ
在航空航天领域当中[３]ꎬ低成本航天器(ＥＬＶ)和可重复使用航天器(ＲＬＶ)具有对材料更高的要求ꎮ
简而言之ꎬ就是具备低成本和轻量化ꎮ轻质高强复合材料在飞机等航空航天应用领域已成为主要部件的常用材料ꎬ因此复合材料低温燃料箱也成为目前航天探索和研究的未来方向ꎮ复合材料低温燃料箱的应用可以显著降低飞行器的重量从而节约飞机的成本ꎬ其质量比铝合金燃料箱轻约２０％~４０％ꎬ比传统钢制燃料箱优势则更为明显ꎬ可以满足飞机未来最小净起飞质量的要求ꎮ近年来ꎬ可重复使用运载火箭用液氧㊁液氢和液化天然气轻量化燃料箱的研究越来越受到重视ꎮ到目前为止ꎬ国外对低温复合燃料箱的研究已经比较深入ꎬ取得了很多研究成果ꎬ而国内对此的研究尚处于起步阶段ꎮ
也因如此ꎬ航天领域的复合材料低温燃料箱研究进程要远快于气瓶ꎮ复合材料气瓶的研究可从两个方面着手：复合材料本身的低温性能研究和气瓶本身的研究ꎮ对于车载ＬＮＧ复合材料气瓶ꎬ目前的研究大多集中在复合材料的气密性和低温性能方面ꎬ而对于内外材料均为复合材料的气瓶研究较少ꎮ国内现阶段对于低温复合材料气瓶的研究也主要集中在复合材料相关的防渗性能和低温行为方面ꎬ对气瓶整体结构设计和分析的研究较少ꎬ针对整体工程应用的气瓶产品性能和实际情况更是没有涉足ꎮ
实际上ꎬ经过十余年的积累和发展ꎬＬＮＧ作为清洁能源已经大量推广应用ꎬ在未来的车用ＬＮＧ瓶的数量也将持续大量增长ꎮ但现阶段的ＬＮＧ车载气瓶一般是由不锈钢制造的具有内外双层结构的容器ꎬ其中内胆负责承压并装在ＬＮＧ液体ꎬ外壳与内胆形成夹层并添加多层绝热材料并高真空处理成为绝热层ꎬ不锈钢耐低温性能好㊁可加工性高ꎬ应用得相对比较成熟ꎮ但另一方面ꎬ由于不锈钢材质有密度大ꎬ传热效果好等特点ꎬ气瓶有着自身过重ꎬ绝热效果不佳等劣势ꎬ所以与现在国家大力推广的高压储
氢气瓶等无论从能源替代效果㊁储能密度㊁环保意义等均不占绝对优势ꎮ综合而论ꎬ目前国内ＬＮＧ气瓶的性能评价方法较为老旧ꎬ检验机构不足以支撑对于复合材料ＬＮＧ高压气瓶的较为贴合的性能评价需求ꎮ作为未来ＬＮＧ气瓶的重要发展趋势ꎬＬＮＧ气瓶性能评价平台的建立㊁形成符合实际情况的评价方法和标准至关重要ꎬ这也有将长久服务于能源结构多元化㊁清洁化的转型升级ꎮ因此ꎬ深入研究低温复合材料气瓶ꎬ完善其合理的设计和分析方法具有重要意义ꎬ我们可以借鉴汽车储氢气瓶和低温储罐的研究方法来研究ＬＮＧ气瓶ꎮ国内已有基于ＡＮＳＹＳ有限元软件针对复合材料ＬＮＧ车载气瓶ꎬ提出了其设计思路和模拟验证思路的相关研究[４－５]ꎬ可以实现有限元仿真的方法模拟气瓶的工况ꎬ分析计算气瓶在给定的不同工况下是否满足使用条件ꎮ
２㊀复合材料ＬＮＧ气瓶的未来展望
结合ＧＢ/Ｔ３４５１０－２０１７«汽车用液化天然气气瓶»和目前ＬＮＧ气瓶轻量化㊁大容积化㊁高端化的ＬＮＧ气瓶趋势ꎮ提出对于复合材料ＬＮＧ气瓶发展的思路探索和未来展望ꎬ从选材环节开始ꎬ内胆材料选择轻量㊁耐低温㊁天然气介质相容(阻燃耐火)的高强复合材料ꎬ借鉴氢能源应用领域广泛应用的树脂固化纤维缠绕型式高压储氢气瓶ꎬ外壳材料选取放气率低㊁热导率低的低成本材料ꎬ真空夹层中的绝热材料及吸附材料满足阻燃特性和产品设计环节要求的真空维持性能和绝热性能ꎮ设计上ꎬ气瓶由内胆㊁外壳以及夹层中绝热层和阀门管路系统组成ꎬ在不同用途中选择不同结构型式和支撑方式ꎬ车载宜采用卧式
ＬＮＧ气瓶型式ꎬ工业应用宜采用立式型式ꎮ积极探索增加容积上限和压力等级ꎬ结合新材料和新型式ꎬ实现更高储存密度的高效储能方式ꎮ在制造环节ꎬ优化现有工艺ꎬ提升复合材料可加工性和产品实际综合性能ꎬ从成型㊁焊接㊁组装㊁返修㊁清洁等环节ꎬ把握产品质量降低产品成本提升性能参数ꎮ实际产品落地之前ꎬ应用ＡＮＳＹＳ有限元软件对材料㊁结构㊁产品进行模拟仿真ꎬ验证其可靠性㊁性能ꎮ实际产品生产后ꎬ在现有检测手段的基础上提升检测能力和检测精度ꎬ积累试验数据和关键参数要求ꎬ不断提高相关产品性能指标ꎮ对于实际产品的验证和应用推广ꎬ在未来ꎬ不仅仅在复合材料ＬＮＧ气瓶的应用场景ꎬ同样在能源转型升级的大背景中ꎬ对于轻量高密度大容积低温液体储能而言都将拥有越来越广阔的市场ꎬ实现真正的能源产业革命ꎬ保障安全提升效率ꎮＬＮＧ气瓶属于使用量巨大的八大类特种设备之一ꎮ按照«特种设备安全法»要求ꎬ需要实施定期检验ꎬ完成检验方可投入下一周期使用ꎻ对于新型号产品需完成产品型式试验方可投产ꎬ一是在设计制造阶段的检验(型式试验及出厂检验)ꎬ二是在役设备的定期检验ꎮ在液化天然气产业中最为关键的上车应用环节ꎬＬＮＧ气瓶作为支撑的储存设备ꎬ由于装备内部装载的介质具有易燃易爆特性ꎬ而且其所处状态或低温ꎬ同时车辆行驶过程属于极为复杂的工况且关乎民生安全ꎬ因此其安全性必然是液化天然气领域乃至全社会关注的焦点ꎮ液化天然气储存装备的安全性㊁可靠性㊁效率高低已然成为决定氢能产业能否稳步发展的关键因素之一ꎮ同时ꎬＬＮＧ金属内胆气瓶已成熟应用多年ꎬ积累了丰富的实践经验ꎬ但极端条件下测试平台及其方法和标准完全不足以满足复合材料ＬＮＧ气瓶极端工况的要求ꎮ所以ꎬ应充分考虑新型产品实际本质安全ꎬ在考核指标中明确测试能力以保证复合ＬＮＧ气瓶产品的安全ꎬ摸清新产品的规律ꎬ才能真正实现液化天然气行业安全快速发展突破ꎮ
３㊀结束语
综上所述ꎬ本文对ＬＮＧ气瓶的使用情况和复合材料ＬＮＧ气瓶的研究现状进行了简要的概括ꎬ结合目前国内外研究现状和产品实际情况ꎬ提出了复合材料ＬＮＧ气瓶的未来发展展望和研究思路ꎮ由于低温绝热气瓶产品结构的特殊性ꎬ同时气瓶作为使用量巨大的特种设备ꎬ产品创新和应用推广具有较大的难度ꎮ但同时气瓶轻量化是大势所趋ꎬ在环保和节能减排的双重大背景下ꎬ打破固有思维定式ꎬ复合材料在低温绝热储能方式中大有可为ꎮ
参考文献
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(本文文献格式：李蔚ꎬ张耕ꎬ谭粤ꎬ等.复合材料ＬＮＧ气瓶的现状及未来展望[Ｊ].山东化工ꎬ２０２１ꎬ５０(１０):６３－６４.)
４６ ＳＨＡＮＤＯＮＧＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２１年第５０卷
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