天然氣汽車(chē)氣瓶現(xiàn)狀及其安全可靠性一、概述

隨著世界經(jīng)濟(jì)的進(jìn)展，全世界的汽車(chē)產(chǎn)量和汽車(chē)保有量都在不斷增加；目前全世界的汽車(chē)產(chǎn)量已超過(guò)5000萬(wàn)輛，汽車(chē)保有量已達(dá)7億輛，汽車(chē)運(yùn)行消耗石油量占全世界石油產(chǎn)量的一半以上；依據(jù)國(guó)外1994年的討論報(bào)告及世界上石油的隱藏資源和消耗量的猜測(cè)，全世界的石油資源僅能夠供人類(lèi)使用約50年；即到21世紀(jì)中葉，汽車(chē)以石油作燃料的時(shí)代將會(huì)結(jié)束。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速進(jìn)展，我國(guó)的汽車(chē)產(chǎn)量和保有量也在快速增加；1995年我國(guó)汽車(chē)保有量為1100萬(wàn)輛，1998年達(dá)到1300萬(wàn)輛，到2000年我國(guó)汽車(chē)保有量將達(dá)2000萬(wàn)輛；屆時(shí)我國(guó)的石油消耗量的1/4-1/3需國(guó)外進(jìn)口；到2010年，當(dāng)我國(guó)的汽車(chē)保有量達(dá)到4400-5000萬(wàn)輛時(shí)，我國(guó)的石油資源短缺會(huì)更加嚴(yán)峻。我國(guó)現(xiàn)已探明的石油資源僅能夠開(kāi)采30年，因此石油資源的短缺會(huì)制約我國(guó)汽車(chē)工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的進(jìn)展。

可以看出：查找替代能源，開(kāi)發(fā)和進(jìn)展替代石油的氣體燃料汽車(chē)對(duì)全世界尤其是對(duì)我國(guó)都是關(guān)系到社會(huì)經(jīng)濟(jì)，尤其是支柱產(chǎn)業(yè)-汽車(chē)工業(yè)進(jìn)展的重大戰(zhàn)略問(wèn)題。

我國(guó)的自然?氣資源非常豐富，四川、重慶、新疆、陜北、大港及近海油囚都有豐富的自然?氣資源。僅以重慶為例，2000年規(guī)劃和累計(jì)探明儲(chǔ)量為4787億m2，現(xiàn)年開(kāi)采力量為50億m2，豐富的自然?氣資源為研制推廣自然?氣汽車(chē)供應(yīng)了極好的前提條件。

汽車(chē)保有量增多的另一嚴(yán)峻問(wèn)題是排放帶來(lái)的大氣環(huán)境污染。以石油為燃料的汽車(chē)排放的污染物達(dá)140多種，占大氣環(huán)境污染的60%一70%；燃油汽車(chē)排出的一氧化碳可使人缺氧中毒，乃至窒息死亡；碳?xì)浠衔飳?duì)人體有麻醉作用，同時(shí)與氮氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致化學(xué)煙霧污染；氮氧化物對(duì)人體呼吸系統(tǒng)具有劇烈的刺激作用，侵害肺部，使生命陷入危急狀態(tài)；同時(shí)汽車(chē)排出的碳?xì)浠衔?、一氧化碳還危及人類(lèi)生存的地球上空的臭氧層；燃油汽車(chē)的排放污染已成為世界上的主要公害之一；是造成酸雨，光化學(xué)反應(yīng)，臭氧層破壞，溫室效應(yīng)以及使人類(lèi)致癌、心血管、神經(jīng)性等疾病的嚴(yán)峻污染源。

1998年世界衛(wèi)生組織公布的全世界污染最嚴(yán)峻的10個(gè)城市中，中國(guó)的北京、蘭州、重慶等都在其中，并且蘭州處污染之冠。其中北京市的汽車(chē)排放對(duì)大氣污染物CO、HC、NOx的分擔(dān)率分別為80．3%、79．1%、54．8%，重慶市汽車(chē)排放對(duì)大氣的污染物CO、HC、Nox的分擔(dān)率為79．5%、34%、44%，廣州、天津、南京等城市的大氣污染狀況也基本相同。全國(guó)640座大中城市大氣質(zhì)量符合國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的不到1%，所以進(jìn)展低污染的燃?xì)馄?chē)，是愛(ài)護(hù)生態(tài)環(huán)境，改善我國(guó)城市大氣質(zhì)量和人們生活條件的迫切需要。也是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)進(jìn)展的必定。

自然?氣、液化氣等氣體燃料，不僅資源豐富，價(jià)格僅為汽柴油的50%一60%；更主要是自然?氣是一種清潔燃料，其排放污染物比汽油、柴油等石油燃料低得多；與燃油車(chē)相比，其排放污染物中CO2可降低24．0%，CO可降低90%一97%，NOx可降低30%一40%，HC可降低70%一80%，SO可降低70%一80%，SO2可降低99．9%，微粒排放可削減40%；無(wú)Pb及鉛化物的微粒污染。

此外，采納自然?氣作燃料的汽車(chē)，還可以削減發(fā)動(dòng)機(jī)積碳和磨損，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命，削減發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油消耗，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的修理費(fèi)用；自然?氣的密度是空氣的0．58-0．62，一旦發(fā)生泄漏，在空氣中集中較快；自然?氣的燃點(diǎn)和爆炸極限比燃油高，點(diǎn)火能量亦高于汽油，這些因素使燃?xì)馄?chē)比燃油汽車(chē)更加平安。

人類(lèi)對(duì)能源的選擇主要取決于成本、儲(chǔ)量和環(huán)境愛(ài)護(hù)三個(gè)方面；自然?氣儲(chǔ)量豐富，燃?xì)馄?chē)具有平安、經(jīng)濟(jì)、削減污染等一系列優(yōu)點(diǎn)；所以進(jìn)展燃?xì)馄?chē)是提高我國(guó)大路運(yùn)輸效率，促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)進(jìn)展，促進(jìn)形成一系列新的產(chǎn)業(yè)的一項(xiàng)綜合工業(yè)；這正是世界各國(guó)競(jìng)相進(jìn)展自然?氣汽車(chē)(NGV)的緣由所在。

二、燃?xì)馄?chē)的國(guó)內(nèi)外進(jìn)展簡(jiǎn)況

目前，世界各國(guó)都非常重視壓縮自然?氣(CNG)作為汽車(chē)新能源的討論、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。美國(guó)UPS(聯(lián)合物資運(yùn)輸服務(wù)公司)于1987年開(kāi)頭研制CNG作代用燃料的汽車(chē)，初步試驗(yàn)結(jié)果表明：自然?氣作為汽車(chē)燃料是一種燃燒潔凈、價(jià)格廉價(jià)而又使用平安的氣體。同時(shí)UPS公司認(rèn)為，CNG用作汽車(chē)燃料可產(chǎn)生重大經(jīng)濟(jì)效益，目前該公司已改裝CNG汽車(chē)將近1萬(wàn)輛。美國(guó)現(xiàn)已有500多個(gè)加氣站，有近500萬(wàn)輛汽車(chē)使用CNG作燃料，1994年在美國(guó)的運(yùn)輸系統(tǒng)中，CNG的消耗量占總能源的消耗量的0．2%，但預(yù)期到2000年其CNG的使用量將比現(xiàn)在增加71倍；1994年，其CNG氣瓶的市場(chǎng)銷(xiāo)售額為：鋼質(zhì)氣瓶為5千萬(wàn)美元，復(fù)合材料氣瓶為7千萬(wàn)美元；1997年復(fù)合材料氣瓶銷(xiāo)售額已上升到2億美元。美國(guó)為了鼓舞自然?氣汽車(chē)的進(jìn)展，從1990年開(kāi)頭各州相繼制定了一系列政策法規(guī)，并出臺(tái)一些優(yōu)待政策，促進(jìn)燃?xì)馄?chē)的進(jìn)展，目前美國(guó)已有加氣站近600座，正在運(yùn)行的CNG汽車(chē)超過(guò)15萬(wàn)輛。

為解決城市環(huán)境污染和石油替代能源問(wèn)題，日本正大力進(jìn)展自然?氣汽車(chē)；從60年月初，日本豐田等公司就開(kāi)頭討論燃?xì)馄?chē)。90年月初，其技術(shù)日漸成熟，迄今己生產(chǎn)CNG和LPG汽車(chē)近萬(wàn)輛。近5年來(lái)，以日本燃?xì)鈪f(xié)會(huì)為中心全力推動(dòng)自然?氣汽車(chē)的討論和開(kāi)發(fā)；1992年日本通產(chǎn)省資源能源廳又制定了作為環(huán)境對(duì)策的一般自然?氣汽車(chē)的基礎(chǔ)建設(shè)方案(生態(tài)站2000方案)，方案到2000年，建立加氣站2000個(gè)，普及自然?氣汽車(chē)2萬(wàn)輛。

俄羅斯是討論和應(yīng)用自然?氣汽車(chē)的較早的國(guó)家之一，不論是供氣裝置的討論成果，還是鋼內(nèi)襯環(huán)向復(fù)合材料增加的氣瓶開(kāi)發(fā)，都有獨(dú)到之處?；A(chǔ)部件的討論成果和豐富的自然?氣資源極大地促進(jìn)了俄羅斯燃?xì)馄?chē)的進(jìn)展，目前在俄羅斯有800多個(gè)加氣站，運(yùn)行的燃?xì)馄?chē)己近40萬(wàn)輛

石油資源非常貧缺而自然?氣非常豐富的意大利，從本世紀(jì)30年月就開(kāi)頭討論進(jìn)展燃?xì)馄?chē)；目前不僅形成了生產(chǎn)出口燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)的聞名的Lavato公司；同時(shí)有280個(gè)加氣站，25萬(wàn)多輛燃?xì)馄?chē)在運(yùn)行。和意大利狀況類(lèi)似即貧油富氣的新西蘭、阿限廷等國(guó)的燃?xì)馄?chē)進(jìn)展也較快，目前新西蘭已建成380多個(gè)加氣站，15萬(wàn)輛燃?xì)馄?chē)在運(yùn)行；阿根廷已建成260個(gè)加氣站，1．5萬(wàn)輛燃?xì)馄?chē)在運(yùn)行；加拿大已建成180個(gè)加氣站，3萬(wàn)多輛燃?xì)馄?chē)在運(yùn)行。

中國(guó)同樣是貧油富氣，因此我國(guó)政府非常重視燃?xì)馄?chē)的進(jìn)展，國(guó)家科技部已召開(kāi)過(guò)兩次清潔燃料汽車(chē)研討會(huì)和展覽會(huì)；1999年4月又召開(kāi)了清潔燃料汽車(chē)行動(dòng)會(huì)，會(huì)上進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)：無(wú)論是從改善空氣質(zhì)量的需要，還是從能源的合理利用上，大力推廣燃?xì)馄?chē)都具有非常重要的意義。并強(qiáng)調(diào)苔先在占城市汽車(chē)保有量約10%，卻占城市汽車(chē)總運(yùn)行里程40%一50%的公共汽車(chē)和出租汽車(chē)行業(yè)，大力推廣燃?xì)馄?chē)，以期取得肯定的環(huán)保效果。并進(jìn)一步開(kāi)發(fā)新標(biāo)準(zhǔn)的燃?xì)馄?chē)產(chǎn)品，充實(shí)公交和出租汽車(chē)行業(yè)，充分發(fā)揮其環(huán)保效益。目前已確定全國(guó)12個(gè)燃?xì)馄?chē)的試點(diǎn)城市，現(xiàn)已有近100個(gè)加氣站，6000多輛燃?xì)馄?chē)在運(yùn)行。到2000年，燃?xì)馄?chē)會(huì)有長(zhǎng)足的進(jìn)步和進(jìn)展。

進(jìn)展燃?xì)馄?chē)的重要和關(guān)鍵零部件之一是加氣站的高壓氣瓶和燃?xì)馄?chē)用的壓縮自然?氣(CNG)氣瓶，氣瓶的性能和質(zhì)量凹凸不僅會(huì)影響到燃?xì)馄?chē)的進(jìn)展，而且直接影響到燃?xì)馄?chē)的使用平安，必需做到萬(wàn)無(wú)一失。

三、壓縮自然?氣汽車(chē)（CNGV）氣瓶的討論和進(jìn)展概況

國(guó)外對(duì)CNGV鋼瓶的研制工作起步較早；無(wú)縫鋼質(zhì)氣瓶的生產(chǎn)始于1897年美國(guó)的CPI公司；這種元縫鋼質(zhì)氣瓶不僅用于CNG汽車(chē)的加氣站和載貨車(chē)上，作為氣體燃料容器，鋼質(zhì)容器的制造工藝和性能也日漸完善，規(guī)格尺寸也較齊備。容積從10L到400L的各種規(guī)格的氣瓶都在生產(chǎn)，以適合于各種用途的需要，大規(guī)格的氣瓶多用于站用瓶，使用壓力為25MPa，超大規(guī)格氣瓶多用于流淌加氣站上的安裝氣瓶。最近幾年來(lái)，對(duì)鋼質(zhì)無(wú)縫氣瓶的討論主要集中在熱處理工藝上，包括加熱方法、加熱爐、淬火入液方式和淬火介質(zhì)的選擇，以及為增加氣瓶工作的牢靠性而采納的附加強(qiáng)化方法等。德國(guó)、日本、意大利等均有類(lèi)似的鋼瓶生產(chǎn)公司；這類(lèi)鋼質(zhì)瓶，當(dāng)其工作壓力為20MPa，水容積為50L時(shí)，其瓶子的重量為58-62kg。鋼質(zhì)氣瓶具有價(jià)格廉價(jià)、工作牢靠、疲憊壽命高、密封性好等特點(diǎn)，目前仍得到了廣泛應(yīng)用；而重量大、耐蝕性不足是鋼質(zhì)瓶的缺點(diǎn)；這一不足影響了鋼質(zhì)氣瓶在橋主和輕型客車(chē)上的應(yīng)用。

為了提高氣瓶的容重比，減輕同樣容積下氣瓶的重量，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了不同內(nèi)襯的復(fù)合材料氣瓶的討論。這類(lèi)氣瓶綜合了復(fù)合材料的高比強(qiáng)度、可設(shè)計(jì)性以及內(nèi)襯的良好氣密性、優(yōu)良的耐蝕性等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其達(dá)到高承壓力量、高疲憊壽命、質(zhì)輕、耐腐等優(yōu)良性能的完善結(jié)合，這也使得對(duì)復(fù)合材料CNG氣瓶的研制開(kāi)發(fā)成為國(guó)內(nèi)外的一大熱點(diǎn)。

在同樣容積和壓力下，依其內(nèi)襯的種類(lèi)和外層復(fù)合材料的選材不同，復(fù)合材料CNG氣瓶比鋼質(zhì)氣瓶的重量可減輕1/3-2/3；二者相比較，明顯復(fù)合材料CNG氣瓶在汽車(chē)運(yùn)行節(jié)能上更具有優(yōu)勢(shì)；同時(shí)復(fù)合材料在受到撞擊或高速?zèng)_擊發(fā)生破壞時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生具有危急性的碎片，從而降低或避開(kāi)了對(duì)人員和車(chē)輛的損害。近年來(lái)，隨著復(fù)合材料正材料成本的降低，成型工藝的不斷改進(jìn)，使得復(fù)合材料CNG氣瓶在國(guó)內(nèi)外倍受青睞，尤其在轎車(chē)和輕型車(chē)上的應(yīng)用極具競(jìng)爭(zhēng)力。

在復(fù)合材料CNG氣瓶的研制和開(kāi)發(fā)方面，美國(guó)的SCI公司、I*incoln公司和HydrosPin公司走在世界的前列，他們已開(kāi)發(fā)出10余種不同規(guī)格的復(fù)合材料氣瓶。Lincoln公司的全塑復(fù)合材料氣瓶(內(nèi)襯采納高密度聚乙烯)是世界一流的；在這類(lèi)氣瓶上Linclon公司采納了名為T(mén)UFFSHELL系統(tǒng)的專(zhuān)利技術(shù)，這一系統(tǒng)能汲取氣瓶拱部(或稱(chēng)弧形肩部位)的震驚與沖擊，該系統(tǒng)是采納了能抗損傷的玻纖和可汲取沖擊能的聚氨酯塑料組合制成，使氣瓶有可能適用于各種更惡劣的使用條件。但是由于性能和價(jià)格等方面的緣由，國(guó)外金屬內(nèi)襯復(fù)合材料CNGV氣瓶的生產(chǎn)和銷(xiāo)售量遠(yuǎn)大于全塑復(fù)合材料CNGV氣汽。

中國(guó)汽車(chē)工業(yè)總公司重慶汽車(chē)討論所對(duì)CNGV鋼瓶的熱處理工藝、力學(xué)性能、斷裂韌性、內(nèi)外表面的強(qiáng)化方法及其它影響鋼質(zhì)氣瓶的因素進(jìn)行了系統(tǒng)討論，取得了一些有意義的、有應(yīng)用價(jià)值的成果。同時(shí)對(duì)鋼質(zhì)內(nèi)襯環(huán)向復(fù)合材料增加的氣瓶進(jìn)行了系統(tǒng)的討論，對(duì)氣瓶設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和受力狀況進(jìn)行了有限元分析；對(duì)氣瓶進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)氣瓶的制造工藝進(jìn)行了全面分析，提出了優(yōu)化制造工藝；對(duì)鋼內(nèi)襯和復(fù)合材料層在疲憊試驗(yàn)中的模量匹配問(wèn)題進(jìn)行了深化討論，綜合考慮了表面的壓應(yīng)力、疲憊應(yīng)力、鋼和玻纖的彈性模量及其在疲憊中的應(yīng)變量和變形匹配，提出和完善復(fù)合材料層的張力纏繞工藝。

國(guó)家建材局北京玻璃鋼討論設(shè)計(jì)院曾開(kāi)展了無(wú)焊縫鋁合金內(nèi)襯復(fù)合材料CNG氣瓶的研制工作。對(duì)鋁合金內(nèi)襯的選材、成型方法及復(fù)合材料的選材、性能及成型工藝等做了大量的試驗(yàn)工作，取得了初步的進(jìn)展，并