車用液化天然氣氣瓶閥門的安全性比較探析

李峰 董娟

摘要：液化天然氣汽車符合國家綠色節能與推進新能源汽車產業發展兩大戰略的總體要求，是我國推進國家綠色可持續發展兩大戰略的延伸，車用液化天然氣氣瓶閥門是車用液化天然氣氣瓶的重要組成，有必要對其安全性進行深入探析。

Abstract： Liquefied Natural Gas meets the requirements of the National Strategies for Green Energy Conservation and the promotion of the development of the new energy automobile industry， and is an extension of our national strategies for the promotion of green and sustainable development， the valve is an important part and it is necessary to analyze its safety.

關鍵詞：汽車;液化天然氣瓶;閥門;安全

Key words： vehicle;liquefied natural gas;valve;safety

中圖分類號：U472.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0160-02

0? 引言

隨著世界經濟的飛速發展，汽車持有量的急劇增加在給人們帶來了極大便利的同時，由于其消耗大量的石油資源、排出大量的有害氣體，對人類的生存環境造成較大的危害，成為環境的主要污染源。為解決這一問題，人們一直在尋求改變能源結構、采用低污染的汽車代用燃料的途徑。

天然氣汽車因其良好的排放特性及豐富的燃料儲量而成為各種代用燃料汽車的首選。按照天然氣的化學成分和形態，天然氣汽車可分為壓縮天然氣和液化天然氣汽車兩種。液化天然氣，采用低溫液態、常壓存儲運輸，所攜帶的有效燃料將比壓縮天然氣汽車高出2～3倍，可減少燃料系統的尺寸及質量，增大車輛有效載荷及一次加氣后的續駛里程。LNG汽車受到行業的關注，主要是因為液化天然氣汽車具有能量密度大、運輸方便、甲烷含量高，比壓縮天然氣更純凈、安全性能好、冷能可回收利用等幾大優勢。

液化天然氣不但適用于城市公交車，也適用于大型貨運車輛和城際大巴，尤其是長途車輛，液化天然氣代表著天然氣汽車發展的主流方向。近年來，隨著環保政策的大力推行，使用清潔燃料的天然氣汽車增加了許多。

但液化天然氣閥門在使用過程中同時包含耐壓（4MPa）與低溫（-162℃）兩種工況，如對其操作不當，可能導致燃料泄漏、車禍甚至爆炸的事故。所以液化天然氣瓶閥門是非常重要的安全部件之一。

為保證液化天然氣氣瓶閥在氣瓶鑒定的周期內能夠安全可靠的實現其設計功能，需要從設計制造、使用環境、安裝及操作使用三個方面考慮其安全性。

1? 設計制造

1.1 外形設計

液化天然氣氣瓶閥門使用的系統可大致分為氣瓶、管道和閥門三部分，其中氣瓶內膽與外殼之間為真空層，且填充了良好的絕熱材料、管道外也纏繞有絕熱材料，而閥門由于外形復雜，同時需要人工操作，無法進行絕熱處理，其在整個系統中會成為明顯的熱源，氣瓶內熱量的損失不僅將使氣瓶內的液態天然氣氣化后由安全閥排放至大氣，造成燃料的浪費，如果熱損失的速率過快可能造成氣瓶內壓力急劇升高，存在氣瓶破裂的隱患。設計時應通過盡量減小閥門體積的方法來減小系統的熱損失。

氣瓶瓶體與管道均為管狀結構，在氣瓶內的低溫與環境的高溫交變作用下，其各部分的變形均勻一致。閥門由于要實現開閉功能，形狀結構復雜，存在結構的突變，這種結構上的突變在因溫度變化而變形時，可能在閥門材料內產生巨大的內應力，造成閥門因強度或疲勞破裂。閥門在設計時，外形變化處應盡量圓滑過渡，同時在可能出現應力破壞處適當補強。

1.2 材料選取

液化天然氣氣瓶內介質溫度為-162℃，最大耐壓為4MPa，閥門主體使用的金屬材料在與液態天然氣接觸后出現低溫脆性，造成閥門的強度與壽命降低。同時理論上能夠使用于低溫的材料，在低溫時可能發生相變，造成材料的機械性能變化。金屬材料組織在低溫下的穩定性對于閥門的安全性同樣至關重要，且容易被忽略。

天然氣雖然經過脫硫、脫水處理，但其中可能仍會殘留一定量的硫化物與水。閥門的金屬材料長期與硫化物接觸，將發生腐蝕。一方面腐蝕會減小閥體的壁厚，降低閥體的強度，造成破裂;另一方面腐蝕物會從金屬基體上脫落，成為系統內的雜質，影響閥門的運動與密封。

液化天然氣氣瓶閥門可能選取非金屬材料作為動密封與靜密封的材料。非金屬的類型可能為塑料或橡膠。使用塑料密封時，往往需要將塑料材料壓縮至產生部分塑性變形，相對于金屬材料，塑料更容易發生蠕變造成泄漏。為防止這種故障，往往需要對塑料材料進行改性，在塑料材料內填充玻璃纖維或二硫化鉬等物質。使用橡膠材料密封時，橡膠材料只發生彈性變形，不易發生變形，但其在高壓條件下的急速泄壓過程中可能發生撕裂，同時橡膠材料容易與天然氣或天然氣中所含的雜質發生溶脹，使閥門的使用壽命降低。

2? 使用環境

2.1 化學品侵蝕

液化天然氣氣瓶閥門在實際生產使用或者運行過程中，長期遭受強烈寒風和強酸雨等有害環境的侵蝕。環境中的化學物質會與閥門直接發生化學反應，腐蝕閥門的外表面，引起閥體斷裂、溶解、松動等故障;特別是閥門外形容易積存雨水及環境異物的位置，長時間受到化學腐蝕，將會造成閥體壁厚大幅度的減薄，引起閥體變形或者凹坑等不良后果。

2.2 大氣侵蝕

液化天然氣氣瓶閥門長期直接暴露在強烈陽光及干燥大氣中，外層及表面將被氧化，直接導致發生松動、斷裂，大大降低閥門的使用強度，影響其安全使用性能。

2.3 外力作用

液化天然氣氣瓶閥門在裝配、使用、搬運等運輸過程中，由于操作不當或者汽車本身可能發生安全事故等不良影響，會直接造成閥門受到強烈沖擊、碰撞、磨損、過熱等損傷，導致閥體發生松動、斷裂、等不良后果，大大降低閥門的安全使用性能。

3? 安裝操作

3.1 安裝不規范

閥門與管路使用螺紋連接時，為保證連接處的密封效果，裝配人員往往使用過大的擰緊力矩，當閥門通入低溫介質材料收縮變形，進一步加大了螺紋的受力，造成螺紋材料松弛甚至斷裂。

3.2 私自改裝燃氣設備

目前，隨著國內汽油、柴油產品價格的不斷提高，燃氣與天然氣的使用成本水平差異已經比較明顯。有些單位或者為節約燃料成本，在燃油動力系統上增裝燃氣設備。由于改裝廠家的不規范操作，改裝用的很多是幾年前淘汰的天然氣閥門，甚至將報廢車輛上的燃氣專用閥門重新安裝使用，必然為閥門的使用埋下諸多安全隱患。

3.3 加氣站安全措施不到位

目前，有些單位自有加氣站仍存在人員安全意識淡薄、生產責任管理制度不健全、操作規范落實不力等諸多突出安全問題。大型車輛振動碰撞產生火花等多種原因均易引起爆炸事故。

4? 改進措施

4.1 設計環節

關于車載液化天然氣氣瓶閥門，我國有較為完善的國家標準，必須依據國家標準進行設計。在閥門壓力下的極限作用范圍下（根據整體載荷、位移的有限邊界應力條件圖以及其中含有限元素的網格流程圖，用整體應力模型分析的數學方法，計算閥門在爆破壓力、工作試驗壓力、水壓試驗工作壓力和重新設計最小爆破試驗壓力下，閥門和金屬內膽封頭中的整體應力，根據整體應力模型分析，確定最小可優化的整體結構。同時，計算閥門在公稱水壓試驗工作壓力下的安全泄漏排放量，正確選擇安全泄漏排放裝置。

4.2 安裝環節

車載液化天然氣氣瓶閥門通入的介質為低溫液態，安裝時應嚴格保證閥門要求的安裝方向，防止低溫液態介質在閥體內形成氣穴。閥門不宜突出瓶體過多，防止周轉使用過程中造成磕碰。螺紋連接的擰緊力矩嚴格按照技術要求執行。

4.3 加強材料質量檢驗

閥門作為一個承壓元件，強度是最基本與關鍵的一個指標。影響閥門可靠性和使用時間長短的重要指標就是材料的質量。車載液化天然氣氣瓶閥門的承壓部件均需要鍛造成型，如果制造的質量得不到保證，就會影響到閥門的可靠性和壽命。我國與相關標準大多時候都很低，為了確保材料可以在嚴峻的狀況下工作、作業，就需要在標準中設置多種選擇性附加檢驗項目（比如材質成分分析、材質力學性能、材質硬度等），閥門的殼體檢測要對閥體和閥蓋等全部的閥門外殼實施檢測，其是為了可以探究出閥體和閥蓋之間的致密性以及位于連接區域的質量綜合效果檢驗。每個閥門在生產后都需要展開殼體檢驗，在檢查前，不能夠對閥門噴涂油漆或者其他防滲漏的涂層。設計工作者要按照使用條件來挑選這些材料，若要求不符，就會浪費很多投資。

5? 結束語

列舉了目前車用液化天然氣氣瓶閥門生產制造時常見的一些安全問題及其對車用液化天然氣氣瓶閥門安全生產質量發展帶來的主要影響，涉及到的環節種類較多，如產品設計、工藝、材料、熱處理、檢驗與安全試驗。

一般來說，車用液化天然氣氣瓶閥門設計制造數量大、工序多、加工過程難度較大，且連續性強，每一個加工環節一旦出現質量偏差均會對下一道工序乃至閥門最終加工質量產生較大的影響，因此在兩個關鍵方面必須引起高度重視：對于各制造單位而言，應充分認識到建立質量安全保證體系的重要性，不斷提高質量保證體系生產運轉水平，加強技術人員管理能力，更新生產設備，改進操作方法;車用液化天然氣氣瓶閥門制造監督質量檢驗檢測機構及相關監檢工作人員，需仔細研讀當前相關質量規范、標準，深入現場，及時掌握獲取第一手質量信息，才能準確深刻把握當前車用天然氣氣瓶閥門設計制造的全過程以及質量安全保證體系實際運行過程存在的問題，有針對性的采取措施，同時需充分發揮第三方質量檢驗檢測機構的監督作用，保證監檢工作質量。

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