2 CNG鋼瓶產(chǎn)生裂紋的預(yù)防措施
2.1 預(yù)防措施的確定
從3種裂紋的產(chǎn)生機(jī)理來看，影響CNG鋼瓶安全的主要因素為鋼瓶內(nèi)CNG的成分、鋼瓶的材質(zhì)、鋼瓶熱處理工藝、鋼瓶內(nèi)的壓力波動等。CNG中H2S與水的存在為應(yīng)力腐蝕裂紋和氫致裂紋的產(chǎn)生提供了條件，壓力波動加速了鋼瓶的疲勞，鋼瓶的材質(zhì)及其熱處理工藝決定著鋼瓶的機(jī)械性能。
國內(nèi)CNG鋼瓶的使用壽命遠(yuǎn)低于國外，國內(nèi)CNG鋼瓶常按10年報廢處理，而國外CNG鋼瓶的使用壽命按國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為15年[5]。主要原因有：國內(nèi)CNG質(zhì)量達(dá)不到國外的高標(biāo)準(zhǔn)，CNG腐蝕性較強(qiáng)，國產(chǎn)CNG鋼瓶的質(zhì)量達(dá)不到國際標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，可由這些主要原因，采取相應(yīng)措施提高鋼瓶的安全性，延長鋼瓶的使用壽命。
2.2 定期對鋼瓶進(jìn)行檢驗(yàn)
與CNG鋼瓶的安全性密切相關(guān)的鋼瓶使用壽命和檢驗(yàn)周期的確定廣受業(yè)內(nèi)人士重視。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11439:2000《用作機(jī)動車燃料的天然氣汽車上存儲用高壓氣瓶》中規(guī)定[5]，鋼質(zhì)氣瓶的使用壽命為15年，鋼瓶檢驗(yàn)周期為3年；采用復(fù)合材料纏繞的氣瓶的使用壽命為15年，檢驗(yàn)周期為3年。目前，國內(nèi)常用CNG鋼瓶采用優(yōu)質(zhì)鉻鉬鋼(30CrMo)制造。國家標(biāo)準(zhǔn)GB 17258—1998《汽車用壓縮天然氣鋼瓶》未對鋼瓶使用壽命進(jìn)行規(guī)定，實(shí)踐中常按10年報廢處理，每2年檢驗(yàn)一次[6]。
定期對鋼瓶的腐蝕情況進(jìn)行檢測，可以了解鋼瓶的狀況，保障鋼瓶處于安全使用期，且便于對裂紋腐蝕采取相應(yīng)防范措施。通過檢查可發(fā)現(xiàn)腐蝕常發(fā)生在鋼瓶底部，由積聚在鋼瓶底部的H2S溶液引起。據(jù)此，可采取經(jīng)常轉(zhuǎn)動鋼瓶的措施，避免局部腐蝕造成嚴(yán)重破壞。
2.3 控制CNG中H2S、水分的質(zhì)量濃度
① 控制H2S的質(zhì)量濃度
國內(nèi)汽車用CNG行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 7546—1996《汽車用壓縮天然氣》中規(guī)定[7]，H2S的質(zhì)量濃度(101.325kPa、20℃條件下)不高于20mg/m3。該值與管道天然氣標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的H2S質(zhì)量濃度相同。但由于CNG鋼瓶的工作壓力為20MPa，因此SY/T 7546—1996《汽車用壓縮天然氣》規(guī)定的H2S質(zhì)量濃度仍偏高。美國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定CNG中H2S的質(zhì)量濃度不高于5mg/m3。因此，可在技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件允許下進(jìn)一步脫硫，降低H2S質(zhì)量濃度。
② 控制水分的質(zhì)量濃度
國家標(biāo)準(zhǔn)GB 17258—1998《汽車用壓縮天然氣鋼瓶》規(guī)定，單位標(biāo)準(zhǔn)體積CNG中水分的質(zhì)量濃度不超過8mg/m3。石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 7546—1996《汽車用壓縮天然氣》要求，汽車用CNG水露點(diǎn)必須比最高操作壓力下最低環(huán)境溫度低5℃。國家標(biāo)準(zhǔn)GB 18047—2000《車用壓縮天然氣》規(guī)定[8]，在汽車駕駛的特定地理區(qū)域內(nèi)，在最高操作壓力下，水露點(diǎn)不應(yīng)高于-13℃；當(dāng)最低氣溫低于-8℃時，水露點(diǎn)應(yīng)比最低氣溫低5℃。美國國家防火協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)NFPA52《關(guān)于壓縮天然氣車輛和車輛燃料系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定[9]，單位標(biāo)準(zhǔn)體積CNG中水分的質(zhì)量濃度不超過8mg/m3；在壓力狀態(tài)下天然氣的水露點(diǎn)必須與車輛運(yùn)行的地理位置相適應(yīng)，以保證容器中沒有凝結(jié)水；在最高操作壓力下，天然氣的水露點(diǎn)必須比當(dāng)?shù)?9%冬季時間的最低溫度低5.5℃以上。
汽車用CNG須嚴(yán)格按照國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)脫水，控制水分的質(zhì)量濃度。在技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件允許下，可參照美國標(biāo)準(zhǔn)，盡量干燥CNG，提高鋼瓶的安全性。
2.4 對鋼瓶制造工藝的要求
目前，我國常采用優(yōu)質(zhì)鉻鉬鋼(30CrMo)制造CNG鋼瓶。國家標(biāo)準(zhǔn)GB 17258—1998(汽車用壓縮天然氣鋼瓶》對鋼瓶材質(zhì)的化學(xué)成分有嚴(yán)格要求[6]。
通常，鋼的碳含量越高，鋼材越容易發(fā)生氫脆斷裂。因此，在滿足強(qiáng)度設(shè)計的要求下應(yīng)盡量降低碳含量，美國要求鋼瓶材質(zhì)的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%～0.35%。此外，鋼材中硫、磷的存在會降低鋼材的各種機(jī)械性能，且夾雜物MnS的帶狀分布會增加氫致裂紋的敏感性，因此控制鋼材中硫、磷的含量極為重要。美國生產(chǎn)的CNG鋼瓶用鋼中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.01%以下，磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.02%以下。
在CNG鋼瓶的熱處理加工工藝中，采用合理的熱處理工藝和淬火介質(zhì)可以獲得良好的韌度，在保證強(qiáng)度的情況下盡可能降低鋼材的屈強(qiáng)比，提高斷裂韌度，這都能提高CNG鋼瓶的安全性。
此外，采用在CNG鋼瓶內(nèi)表面噴涂鋁層后刷富鋅涂料的方法，將腐蝕介質(zhì)與鋼瓶金屬表面隔開，使其失去產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的環(huán)境，也可避免應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生。這也隔斷了氫原子的內(nèi)滲，對氫鼓泡和氫致裂紋的產(chǎn)生也有較好的防護(hù)作用。
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[3] 陳學(xué)東，蔣家羚，楊鐵成，等.濕H2S環(huán)境下典型壓力容器用鋼應(yīng)力腐蝕開裂門檻值的估算[J].壓力容器，2004，21(3)：1-5.
[4] 孫道恒，孫訓(xùn)方，劉先斌.低周疲勞表面裂紋演化進(jìn)程分析[J].材料科學(xué)與工程，2000，18(4)：61-65.
[5] ISO 11439:2000，High Pressure Cylinders for the Onboard Storage of Natural Gas as a Fuel for Automotive Vehicles[S].
[6] GB 17258—1998，汽車用壓縮天然氣鋼瓶[S].
[7] SY/T 7546—1996，汽車用壓縮天然氣[S].
[8] GB 18047—2000，車用壓縮天然氣[S].
[9] NFPA52，Standard for Compressed Natural Gas(CNG) Vehicular Fuel Systems[S].
