夏 莉 李 蔚 魯雪生 劉金良 廣東省特種設(shè)備檢測研究院

車用LNG氣瓶的定期檢驗技術(shù)

夏 莉 李 蔚 魯雪生 劉金良 廣東省特種設(shè)備檢測研究院

針對車用液化天然氣(LNG)氣瓶定期檢驗的特殊要求，制定出定期檢驗項目及相應(yīng)的檢驗方法。重點對車用LNG氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率的測試方法進行研究，并給出評判標準。研究成果為車用LNG氣瓶的安全應(yīng)用提供保障，為車用LNG氣瓶定期檢驗標準的制定提供理論依據(jù)。

車用LNG氣瓶 定期檢驗 靜態(tài)蒸發(fā)率 評判標準

液化天然氣(LNG）作為一種清潔燃料，開始廣泛地應(yīng)用于汽車、船舶、燃氣發(fā)電裝置等各種動力系統(tǒng)，尤其是LNG動力汽車，發(fā)展非常迅速[1]。在LNG汽車的燃料系統(tǒng)中，儲存LNG的“車用LNG低溫絕熱氣瓶”是關(guān)鍵的設(shè)備，它不僅是屬于低溫壓力容器類，而且存儲的LNG是易燃易爆介質(zhì)，更重要的是汽車在道路上行駛，因此設(shè)備的安全性尤為重要。為加強和規(guī)范車用LNG氣瓶的安全監(jiān)督管理，保障車用LNG氣瓶的使用安全，在《車用氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中雖對車用LNG氣瓶的定期檢驗提出了要求。但如何檢驗，目前還沒有關(guān)于車用LNG氣瓶定期檢驗的國家或行業(yè)標準。

本文參照低溫絕熱氣瓶的相關(guān)標準并考慮實際車用LNG氣瓶的特殊性，初步制定檢驗項目、方法與合于使用的評判標準，然后再經(jīng)過實踐論證所制定的車用LNG氣瓶定期檢驗規(guī)則的合理性，旨在為車用LNG氣瓶定期檢驗標準提供理論基礎(chǔ)。

1 定期檢驗項目與檢驗周期

為確保車用LNG氣瓶的使用安全，主要從兩個方面對氣瓶性能做出規(guī)定：一是對氣瓶的強度要進行檢定，確保氣瓶強度滿足使用要求；二是LNG是可燃氣體，遇到火源會出現(xiàn)燃燒甚至于爆炸現(xiàn)象；而且LNG是窒息性氣體，一旦泄露會對人員造成危害，因此LNG的泄放要滿足要求?；诖?，參照GB 24159《焊接絕熱氣瓶》、《車用氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》等標準規(guī)范，制定出定期檢驗項目，包括：資料審查、外觀檢查、安全附件及閥門檢驗、氣密性試驗、靜態(tài)蒸發(fā)率測試，必要時需測量真空度、漏放氣速率、漏氣速率及進行無損檢測、耐壓試驗、內(nèi)部檢查。

一般情況，車用LNG氣瓶每兩年檢驗一次；車用LNG氣瓶在使用過程中，若有嚴重損傷、發(fā)生事故、或?qū)ζ浒踩煽啃杂袘岩傻膽?yīng)提前進行檢驗。停用時間超過一年的氣瓶，重新使用前應(yīng)進行檢驗。

2 車用LNG氣瓶的定期檢驗方法

2.1 車用LNG氣瓶定期檢驗的特殊要求

● 2.1.1 檢測效率要高

目前，檢測的車用LNG氣瓶主要是應(yīng)用在公交車上，每個批次檢驗的LNG氣瓶數(shù)量較為龐大，在檢測過程中既要嚴格遵照標準進行各個環(huán)節(jié)的檢測工作，但又不能影響公交車的運營，要求檢測不但要準確，而且檢測效率要高。

● 2.1.2 絕熱性能檢測方法

氣瓶絕熱性能直接影響了瓶內(nèi)壓力變化，繼而決定由于安全閥起跳而導(dǎo)致的LNG氣體的泄放量，因此要對氣瓶的絕熱性能進行檢測。氣瓶的絕熱結(jié)構(gòu)為高真空多層絕熱，根據(jù)相關(guān)標準[2]中介紹的用于描述深冷壓力容器絕熱性能的參數(shù)有：真空度、靜態(tài)蒸發(fā)率、漏熱量以及維持時間等。其中對于氣瓶真空度的測量，由于氣瓶上并未設(shè)有真空規(guī)管，因此不方便在檢測現(xiàn)場進行氣瓶真空度的測試。而其它三個參數(shù)—靜態(tài)蒸發(fā)率、漏熱量以及維持時間之間存在相互的轉(zhuǎn)換關(guān)系，因此考慮到測量時間與可操作性等因素，選取氣瓶的靜態(tài)蒸發(fā)率來代表它的絕熱性能。

● 2.1.3 避免氣瓶拆裝

在檢驗過程中如采用的測試方法需要拆裝氣瓶將會帶來以下問題：氣瓶的拆裝工作量大，經(jīng)濟與人工成本增加；車用LNG氣瓶是需要由具有氣瓶安裝資質(zhì)的單位進行安裝的，因此還牽涉到拆裝資質(zhì)問題；氣瓶的拆裝將增加檢驗時間，影響公交車運營；另外，每次拆裝都要更換密封件，如不更換或更換方法不恰當，就會使氣瓶的密封性變差，導(dǎo)致出現(xiàn)可燃氣體泄漏的安全隱患。由此可見，在對車用LNG氣瓶進行定期檢驗的過程中應(yīng)該盡量避免氣瓶的拆裝。

基于上述對車用LNG氣瓶定期檢驗的特殊要求，采用宏觀排查與重點檢驗相結(jié)合的檢驗方式，這樣既可以保證檢驗效率也可以保證檢驗準確度。具體檢驗方案是：對每一只氣瓶進行資料審查、外觀檢查、安全附件及閥門檢驗、氣密性試驗等；而對絕熱性能測試時，首先采用紅外熱成像的辦法逐臺對氣瓶的保冷情況進行檢測，然后重點對宏觀檢測結(jié)果中跑冷較嚴重的氣瓶進行靜態(tài)蒸發(fā)率的測試。在所有檢測項目中耗時最長、檢測難度最大的就是靜態(tài)蒸發(fā)率的測試。

2.2 靜態(tài)蒸發(fā)率的測試方法

根據(jù)GB18443.5[4]，靜態(tài)蒸發(fā)率為深冷儲運設(shè)備在額定充滿率下，靜置達到熱平衡后，24h內(nèi)自然蒸發(fā)損失的深冷液體質(zhì)量與內(nèi)容器有效容積下深冷液體質(zhì)量的百分比。在該標準中給出兩種靜態(tài)蒸發(fā)率的測試方法：一種是流量計法，一種是稱重法。同時借鑒GB18443.6[4]中管道漏熱量測量的表面溫度法，當找出漏熱量和靜態(tài)蒸發(fā)率之間的關(guān)系后，也可以得到氣瓶的靜態(tài)蒸發(fā)率，因此又多了一種靜態(tài)蒸發(fā)率的測試方法，即GB18443.6[4]中規(guī)定的表面溫度法。

● 2.2.1 流量計法

流量計法首先采用氣體質(zhì)量流量計測量單位時間內(nèi)被檢件中液體蒸發(fā)后通過流量計的氣體質(zhì)量流量，然后利用測出的氣體質(zhì)量流量計算測試蒸發(fā)率和靜態(tài)蒸發(fā)率，試驗原理圖如圖1所示。

圖1 流量計法實驗原理圖

● 2.2.2 稱重法

采用稱重法測量時，氣瓶充至額定的充裝量后，將氣瓶置于衡器上，通過衡器測量氣瓶中深冷液體蒸發(fā)的質(zhì)量，利用測量的蒸發(fā)量計算測試蒸發(fā)率和靜態(tài)蒸發(fā)率。

● 2.2.3 表面溫度法

測量氣瓶的外表面溫度及對應(yīng)的環(huán)境溫度，按大空間自然對流計算通過瓶體漏入氣瓶的熱量；同時按測得的接頭空氣側(cè)溫度與液體溫度的差值計算接頭的導(dǎo)熱漏熱量，這兩部分漏熱之和為氣瓶的總漏熱量，最后，利用總漏熱量計算氣瓶的靜態(tài)蒸發(fā)率。

● 2.2.4 靜態(tài)蒸發(fā)率測試方法的比較

據(jù)調(diào)查顯示，由于各地剛剛開展車用LNG氣瓶的定期檢驗，而且檢驗標準還不完善，因此對車用LNG氣瓶的定期檢驗方法爭論頗多，上述三種方法都有應(yīng)用，這里對這三種靜態(tài)蒸發(fā)率的測試方法進行比較研究，比較情況見表1。第一，從檢測過程中是否有氣體排放的角度來看，對于流量計法和稱重法來說，檢測時都有氣體排放到環(huán)境中，因為LNG是不允許直接排放到大氣中的，因此采用這兩種方法進行測試前必須要用液氮（LN2)對LNG進行置換。其次，從檢測介質(zhì)來看，除考慮到上述氣體排放因素之外，由于在流量計法中氣體流量計僅對單一組份氣體的檢測較為準確，而對LNG這種多組份氣體檢測的準確度不高，所以在采用流量計法時要用具有單一組份的LN2置換多組分的LNG。從上面兩點可以看出，若采用流量計法和稱重法時要先用LN2置換LNG后才能進行測試。第三，從測試是否要求拆裝氣瓶的角度看，稱重法要求必須將氣瓶從車上拆卸下來，而其它兩種方法可以不用拆卸氣瓶，直接實現(xiàn)在線檢測。第四，從檢測時間來看，三種方法都要求：氣瓶在額定充滿率下，靜置24h達到熱平衡后，才能進行測量。流量計法中，熱平衡后，還要對氣瓶進行24h的蒸發(fā)量測試，因此流量計法的測試時間至少需要2天時間；稱重法中，穩(wěn)定后的測試時間也至少需要24h，還要加上氣瓶在測試前后都要進行拆裝的時間，因此，在采用稱重法進行蒸發(fā)率測試時，一般需要5～6天時間；對于表面溫度法，只要氣瓶達到熱穩(wěn)定后，就可以進行測試，測試只需要1h左右的時間，因此表面溫度法的總測試時間在1天左右。第五，測試成本。流量計法中，流量計要選用精度比較高的型號，因此價格比較昂貴；另外，在測試過程中流量計要連續(xù)采集氣瓶蒸發(fā)量的數(shù)據(jù)，也就是說測試全程一臺流量計只能對一只氣瓶進行測試，多只氣瓶同時測試就要購置多臺流量計，因此該方法設(shè)備成本較高。稱重法要求拆裝氣瓶，因此氣瓶拆裝的人工成本及密封件的更換成本大幅增加。第六，在測試精度方面。流量計法、稱重法中若采用高精度儀器，測試精度就可以得到保證，但表面溫度法的測試準確度比較差。表面溫度法的測試中，通常氣瓶表面溫度和環(huán)境溫度之間的溫差很小，這時測溫元件的測量誤差對測試結(jié)果會產(chǎn)生較大影響，另外，氣瓶漏熱的30%以上出現(xiàn)在氣瓶端部的接管處[5]，而這部分傳熱的幾何特性復(fù)雜，也很難精確計算，因此表面溫度法的測試精度是這三種測試方法中最差的。綜合考慮測試精度、測試時間及測試成本，流量計法是一種推薦的車用LNG氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率的測試方法（見表1)。

表1 車用LNG氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率測試方法比較

● 2.2.5 靜態(tài)蒸發(fā)率的合格標準

目前，由于國家還未推出車用LNG氣瓶的定期檢驗標準，因此車用LNG氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率的合格指標就參照TSG R7001-2013《壓力容器定期檢驗規(guī)則》中對低溫壓力容器靜態(tài)蒸發(fā)率定期檢驗合格標準的規(guī)定，即：“實際日蒸發(fā)率數(shù)值小于2倍額定日蒸發(fā)率指標為合格。”

3 定期檢驗的開展情況

廣東省是我國最早推廣LNG公交車的地區(qū)之一，因此也是最早進行車用LNG氣瓶定期檢驗的省份，在檢驗方法的研究上也做了大量的探索和研究，形成了較為成熟的車用LNG氣瓶的檢測方法。目前，已完成7個批次646只車用LNG氣瓶的定期檢驗工作，在檢驗過程中得到以下幾點結(jié)論：

1）目前采用的儀器與檢測方法經(jīng)實踐證實，準確度較高。

2）宏觀跑冷排查與靜態(tài)蒸發(fā)率重點檢查相結(jié)合的檢測方法，可在保證檢測準確度的前提下，極大地提高檢測效率。

3）按照該檢測方法進行檢驗可以滿足車用LNG氣瓶安全使用的檢測要求。

4 結(jié)論

為保障車用LNG氣瓶的使用安全，要求對車用LNG氣瓶進行定期檢驗。目前車用LNG氣瓶定期檢驗標準還不完善，因此需要對車用LNG氣瓶定期檢驗進行深入研究。針對車用LNG氣瓶定期檢驗的特殊要求，制定出定期檢驗項目，并針對檢驗項目制定出相應(yīng)的檢驗方法，其中，重點對車用LNG氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率的測試方法進行了研究，并給出合格與否的評判標準。研究成果將為車用LNG氣瓶的定期檢驗提供有力的理論依據(jù)。

1 馮志剛.車用LNG氣瓶定期檢驗工藝及評定標準.中國特種設(shè)備安全,2013,4：27－30

2 GB/T 18443－2010真空絕熱深冷設(shè)備性能試驗方法

3 GB/T 18443.5－2010真空絕熱深冷設(shè)備性能試驗方法第5部分：靜態(tài)蒸發(fā)率測量

4 GB/T 18443.6－2010真空絕熱深冷設(shè)備性能試驗方法第6部分：漏熱量測量

5 徐萌,王彩莉,汪榮順.國內(nèi)外低溫絕熱氣瓶應(yīng)用現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù).低溫工程,2007,160(6)：63－67

Taking into account of the special requirements of periodic inspection to the liquefied natural gas (LNG) cylinders for vehicles, the periodic inspection items and appropriate testing methods are developed, in which the static evaporation rate measurement is focused on. The testing method and evaluation criterion of the static evaporation rate are researched in detail. The researching results help guarantee the safety application of the LNG cylinders and provide a theoretical basis for the periodic inspection standard of LNG cylinders for vehicles.

Liquef ed natural gas cylinders for vehicles Static evaporation rate Periodic inspection Evaluation criterion

2013－08－30）