車用LNG氣瓶常見升壓快原因及解決措施

孟新軍

（西安德森新能源裝備有限公司，陜西 西安 710043）

前言

在世界能源日趨緊張，大氣污染極為嚴(yán)重的今天，在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，發(fā)展天然氣運(yùn)輸車輛，降低石油消耗，減少排放污染，將是未來發(fā)展的趨勢。車用液化天然氣氣瓶作為一種替代汽車油箱盛裝、貯存、供給燃料（液化天然氣），并且可以多次重復(fù)充裝使用的低溫絕熱壓力容器被廣泛應(yīng)用。由于容器夾層材料的緩慢放氣和真空夾層的漏率，容器在使用一定時(shí)間后都會(huì)由于夾層里面的真空度缺失而導(dǎo)致絕熱性能下降，絕熱性能下降后的容器內(nèi)部液體吸收熱量后氣化，導(dǎo)致內(nèi)膽壓力會(huì)增高，隨后頻繁的通過安全閥放氣，儲(chǔ)存的液體在不使用的情況下也會(huì)快速減少，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

1 影響因素分析

本文主要圍繞企業(yè)在制造過程中影響LNG氣瓶升壓快的幾個(gè)因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。具體如下：

（1）絕熱材料的纏繞層數(shù)；

（2）吸氣劑類型；

（3）抽真空工藝。

1.1 絕熱材料的纏繞層數(shù)

高真空多層絕熱于1951年由瑞典的彼得遜（Peterson）首次研制成功。它是由許多具有高反射能力的輻射屏及具有低導(dǎo)熱率的間隔物的交替層組成。至于夾層中，再抽至高真空，已達(dá)到絕熱效果，這樣的高真空狀態(tài)使氣體對(duì)流傳熱可以忽略不計(jì)（當(dāng)壓力低于10-2Pa時(shí)，多層絕熱內(nèi)氣體的導(dǎo)熱和對(duì)流換熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輻射熱）。而輻射傳熱，由于真空夾層中放了多層反射屏，所以有效阻擋了輻射換熱。

當(dāng)絕熱材料層數(shù)增加時(shí)，輻射換熱所占比重將減少。但絕熱材料的表面積增加使絕熱材料的放氣率增高，放氣量增大，使夾層中殘余氣體導(dǎo)熱和固體導(dǎo)熱相對(duì)增加。當(dāng)層數(shù)增大到一定程度，為避免絕熱材料與外殼內(nèi)壁接觸，纏繞時(shí)的絕熱材料的張力就大，玻璃纖維紙與鋁箔紙的接觸就更緊密，接觸換熱和殘余氣體換熱就增強(qiáng)。故需綜合考慮輻射換熱、固體換熱和殘余氣體換熱等換傳遞途徑。結(jié)合文獻(xiàn)[1]中所述高真空多層絕熱中，隨著層數(shù)的增加，絕熱性能不一定提高，絕熱材料纏繞層數(shù)有一個(gè)最佳值，故對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)研究尋找最佳纏繞層數(shù)。

1.1.1 試驗(yàn)步驟

通過對(duì)相同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、相同類型的絕熱材料條件下纏繞不同層數(shù)的絕熱材料，夾層抽真空處理后按GB/T 18443.5— 2010進(jìn)行靜態(tài)蒸發(fā)率測試。

試驗(yàn)過程簡述如下：

（1）實(shí)際測量試驗(yàn)瓶內(nèi)膽外壁周長；

（2）對(duì)樣瓶內(nèi)膽外表面進(jìn)行全面清潔處理；

（3）在內(nèi)膽前后封頭外壁上裝載等重量等比例混合的5A+13X分子篩吸附劑；

（4）利用纏繞機(jī)將玻璃纖維紙和鋁箔紙組合而成的多層絕熱材料纏繞包扎在試驗(yàn)瓶內(nèi)膽外壁上，分別纏繞了22層， 26層和30層；

（5）實(shí)際測量絕熱材料纏繞完畢后試驗(yàn)瓶內(nèi)膽外壁周長；

（6）焊接試驗(yàn)瓶環(huán)焊縫和其他不可拆密封處；

（7）利用氦檢漏儀對(duì)夾層的致密性進(jìn)行檢測；

（8）夾層致密性檢測合格的試驗(yàn)瓶轉(zhuǎn)移至同一真空機(jī)組按相同的抽真空工藝進(jìn)行夾層抽真空作業(yè)；

（9）夾層抽真空完成后靜置2天，利用英?？礛PG400復(fù)合真空規(guī)和VGC502真空計(jì)測量試驗(yàn)瓶瓶口常溫穩(wěn)態(tài)真空度；

（10）按GB/T 18443.5—2010的相關(guān)要求，對(duì)試驗(yàn)瓶內(nèi)膽充裝液氮至額定充裝率。只打開試驗(yàn)瓶的放空閥靜置48 h，此時(shí)測量瓶口冷態(tài)真空度。當(dāng)內(nèi)膽表壓力接近為零時(shí)在放空管路上接入質(zhì)量流量計(jì)，其他閥門均處于關(guān)閉狀態(tài)。

圖1 層密度與熱導(dǎo)率的關(guān)系

試驗(yàn)過程中的關(guān)鍵參數(shù)詳見表1。

表1 絕熱材料纏繞關(guān)鍵參數(shù)匯總

1.1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

該試驗(yàn)瓶均是在同一批次材料（板材、絕熱材料、液氮）、同一時(shí)間進(jìn)行的各項(xiàng)參數(shù)測試。

本試驗(yàn)中試驗(yàn)瓶分別纏繞了22層、26層和30層的玻璃纖維紙和鋁箔紙組合而成的多層絕熱材料。通過表1數(shù)據(jù)可看出，當(dāng)纏繞26層時(shí)靜態(tài)蒸發(fā)率相對(duì)最優(yōu)，對(duì)應(yīng)的絕熱材料的厚度為10～11 mm。

1.2 吸氣劑類型

吸氣劑對(duì)于獲得并保持夾層在低溫下的真空度具有重要作用。夾層的真空壽命在很大程度上取決于吸附劑的特性、裝入量及其是否充分發(fā)揮吸附作用。國內(nèi)外大量實(shí)驗(yàn)表明，金屬材料及多層絕熱材料在100 ℃以上的環(huán)境中真空放氣一段時(shí)間后，其放氣組分中H2占70% 以上，故H2是造成低溫容器夾層真空度下降的主要原因。若不使用專門的吸氫材料的話，設(shè)計(jì)的真空壽命無法滿足。

吸氣劑作為延長多層真空絕熱低溫氣瓶真空壽命的核心材料，在低溫氣瓶行業(yè)受到廣泛關(guān)注。本文主要針對(duì)兩種類型的吸氣劑的吸附性能做了對(duì)比試驗(yàn)。特別指出，文獻(xiàn)[2]所提出的液氧容器不能用活性炭作為吸氣劑，液氫容器不能用一氧化鈀作為吸氣劑，否則會(huì)存在爆炸的危險(xiǎn)。

1.2.1 試驗(yàn)步驟

（1）試驗(yàn)樣瓶內(nèi)膽外表面清潔處理后，在內(nèi)膽前后封頭外壁上裝載等重量等比例混合的5A+13X分子篩吸附劑；

（2）試驗(yàn)樣瓶纏繞相同層數(shù)的玻璃纖維紙和鋁箔紙組合而成的多層絕熱材料；

（3）在外封頭相同位置處裝載等重量的進(jìn)口Ag400和國產(chǎn)Ag400；

（4）夾層致密性檢測合格后轉(zhuǎn)移至同一真空機(jī)組按相同的抽真空工藝進(jìn)行夾層抽真空作業(yè)；

（5）為規(guī)避試驗(yàn)樣瓶瓶口真空度因員工操作上的誤差，在試驗(yàn)樣瓶封頭處開有真空檢測口，直連英福康MPG400復(fù)合真空規(guī)。試驗(yàn)樣瓶真空封結(jié)后間隔1天測試一次夾層靜態(tài)真空度，持續(xù)一月。

吸氣劑對(duì)比試驗(yàn)過程關(guān)鍵數(shù)據(jù)詳見表2。

表2 吸氣劑對(duì)比試驗(yàn)過程關(guān)鍵數(shù)據(jù)（常溫狀態(tài)）

1.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）從表2中可看出，經(jīng)過一個(gè)月時(shí)間的瓶口真空度檢測，兩種類型試樣表現(xiàn)出明顯差異性。進(jìn)口Ag400的常溫態(tài)真空度和漏放氣速率均優(yōu)于國產(chǎn)Ag400。

（2）從圖2中可看出，真空度變化趨勢與溫度變化趨勢相一致。進(jìn)口Ag400的常溫態(tài)真空度優(yōu)于國產(chǎn)Ag400。

圖2 樣瓶真空度-時(shí)間-溫度曲線圖

（3）從圖3、圖4可看出，漏放氣速率基本在一個(gè)月后趨于穩(wěn)定，進(jìn)口Ag400的漏放氣速率優(yōu)于國產(chǎn)Ag400且均優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)要求?？梢娺M(jìn)口Ag400對(duì)液化天然氣氣瓶真空壽命的維持更具貢獻(xiàn)價(jià)值。

圖3 樣瓶漏放氣速率-時(shí)間曲線圖

圖4 樣瓶1月4日至1月25日漏放氣速率-時(shí)間曲線圖

1.3 抽真空工藝

高真空多層絕熱氣瓶由于其較小的夾層空間、夾層側(cè)各種材料（金屬器壁、多層絕熱材料、玻璃鋼等）的放氣以及層與層之間較大的抽氣阻力等因素的影響，為使其獲得并維持足夠長時(shí)間的真空壽命，就必須選擇可行有效地抽真空工藝。本文所涉及兩種內(nèi)加熱抽真空工藝，工藝執(zhí)行過程數(shù)據(jù)詳見圖5。

圖5 抽真空過程真空度-時(shí)間曲線圖

抽真空過程關(guān)鍵步驟簡述如下：

（1）控制氮?dú)庵脫Q的時(shí)機(jī)。氮?dú)庵脫Q前需對(duì)氮?dú)饧訜岬剑?50±5）℃方可開啟氮?dú)庵脫Q閥進(jìn)行置換；

（2）氮?dú)獾募兌纫蟊容^高，且必須潔凈；

（3）氮?dú)饬髁啃韬侠砜刂?，避免氣流過大沖壞夾層絕熱材料；

（4）充氮?dú)饨Y(jié)束后需停止抽真空數(shù)小時(shí)，使夾層空間及其材料充分受熱。

1.3.1 過程數(shù)據(jù)分析

（1）由圖5可看出，樣瓶2每次置換抽真空后主管道的極限真空度均比樣瓶1的低，證明每次氮?dú)庵脫Q效果更明顯；

（2）由圖5可看出，樣瓶2的置換時(shí)機(jī)與次數(shù)與樣瓶1不同，最終造成極限真空度較低；

（3）由圖5可看出，樣瓶2總的抽真空時(shí)間比樣瓶1的要短，提高了抽真空效率的同時(shí)也提高了設(shè)備的利用率，降低了生產(chǎn)能耗；

（4）根據(jù)文獻(xiàn)[3]中所述，在實(shí)際工程應(yīng)用中，人們對(duì)泄漏的風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)大于對(duì)材料放氣的風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)，這是一種不合理的風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識(shí)。本文認(rèn)為，在滿足一定要求的內(nèi)膽與夾層漏率的條件下，盡可能的提高其漏放氣速率指標(biāo)，可有效提高其真空壽命。

圖6 樣瓶漏放氣速率-時(shí)間曲線圖

2 解決措施分析及結(jié)論

針對(duì)本文第2條所述的影響因素，對(duì)應(yīng)解決措施分析如下：

（1）根據(jù)容器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，綜合考慮輻射換熱、固體換熱和殘余氣體換熱等換熱傳遞途徑，試驗(yàn)尋找最佳纏繞多層絕熱材料層數(shù)。本文以LNG氣瓶為試驗(yàn)載體，最佳的纏繞層數(shù)為26層，厚度為10～11 mm。

（2）吸氣劑的種類、放置量直接影響后期真空壽命能否有效維持。從本文試驗(yàn)的兩種吸氣劑可明顯看出其吸附性能的差異，進(jìn)口Ag400的吸附性能優(yōu)于國產(chǎn)Ag400。故而對(duì)對(duì)真空壽命的影響存在差異。后續(xù)還應(yīng)合理開展此類試驗(yàn)研究，為真空壽命的維持提供強(qiáng)力保障。

（3）抽真空工藝的好壞直接影響到夾層側(cè)材料的放氣速率，夾層側(cè)材料中有害氣體（H2O、H2）是否有效置換，吸氣劑的吸附量是否充足等，最終表征到絕熱性能是否能夠維持LNG的正常工作。故因以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、絕熱材料類型、抽真空設(shè)備為前提，合理優(yōu)化抽真空工藝，在抽真空過程中最大能力的排出有害氣體，減少吸氣劑的負(fù)載及延長真空壽命。本文通過兩種抽真空工藝的對(duì)比可得出：合理有效地抽 真空工藝不僅可以提升漏放氣速率指標(biāo)，產(chǎn)品的絕熱性能，還可提高抽真空效率，縮短抽真空周期，降低生產(chǎn)能耗。

3 結(jié)束語

企業(yè)在生產(chǎn)制造過程中，通過對(duì)各因素的深入分析制定合理有效地解決措施可在生產(chǎn)制造過程中改善產(chǎn)品的絕熱性能，減少升壓快故障氣瓶，為企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量及客戶的使用感受提供更好的保障。