李 昱*

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)液化石油氣（LPG）產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，其中民用液化石油氣是主要的消費(fèi)品。目前鋼質(zhì)焊接氣瓶是民用LPG 最普遍的輸送方式，隨著鋁內(nèi)膽車用纖維纏繞儲(chǔ)氫氣瓶快速發(fā)展，高密度聚乙烯內(nèi)膽玻璃纖維全纏繞氣瓶（簡(jiǎn)稱“IV 型LPG 氣瓶”）也有著廣闊的應(yīng)用前景。

目前國(guó)內(nèi)IV 型非金屬內(nèi)膽纏繞氣瓶應(yīng)用還處于起步階段，相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有出臺(tái)，目前國(guó)內(nèi)只有唯一的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CATSI 02005—2019《液化石油氣高密度聚乙烯內(nèi)膽玻璃纖維全纏繞氣瓶》。該標(biāo)準(zhǔn)中有一項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目是人工時(shí)效試驗(yàn)，該試驗(yàn)分3 個(gè)階段，分別是耐鹽霧試驗(yàn)、耐二氧化硫試驗(yàn)及耐紫外線老化試驗(yàn)。人工時(shí)效試驗(yàn)是通過(guò)人為制造的鹽霧環(huán)境、二氧化硫環(huán)境及紫外線老化環(huán)境，對(duì)氣瓶進(jìn)行耐老化強(qiáng)度驗(yàn)證。

2021 年，在上海市市場(chǎng)監(jiān)督管理局2021-18《液化石油氣塑料內(nèi)膽復(fù)合氣瓶檢測(cè)技術(shù)研究》項(xiàng)目的支持下，上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院氣瓶閥門檢測(cè)中心對(duì)紫外線老化試驗(yàn)設(shè)備及方法進(jìn)行了研究。IV 型LPG 氣瓶由高分子材料內(nèi)膽、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料承載層和防撞擊外殼3 個(gè)部分組成，由于紫外光是引起高密度聚乙烯老化的主要因素，玻璃纖維的老化又是其中最重要的問(wèn)題，隨著老化時(shí)間增加，光照輻射對(duì)玻璃纖維的破壞程度加劇，力學(xué)性能保留率呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。因此玻璃纖維紫外老化評(píng)價(jià)技術(shù)是研究玻璃纖維老化的必要方法，進(jìn)行IV 型LPG 復(fù)合氣瓶耐紫外線老化性能試驗(yàn)有著非常重要的意義。

1 氣瓶紫外線老化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求

目前市場(chǎng)上的成品紫外線老化試驗(yàn)箱適用的產(chǎn)品基本為皮革、紡織、橡膠等產(chǎn)品，沒(méi)有特定針對(duì)IV 型LPG 氣瓶的試驗(yàn)設(shè)備。UV 燈管也僅排布于試驗(yàn)箱的頂部，數(shù)量大多為6 只，對(duì)于試樣的紫外線老化試驗(yàn)是采取頂部直接照射的方式，這樣的燈管布局容易被遮擋，對(duì)物體的紫外輻射范圍不夠全面。

而對(duì)于氣瓶紫外線老化試驗(yàn)而言，燈管的選擇和排布對(duì)于測(cè)試條件的設(shè)定是至關(guān)重要的，基于T/CATSI 02 005—2019 中規(guī)定的測(cè)試要求（詳見(jiàn)表1），選用UVA-340 型紫外線燈管。UVA-340 燈管可以模擬陽(yáng)光的光譜范圍為295～365 nm 的短波光譜，在短短幾天的時(shí)間內(nèi)，就可模擬再現(xiàn)戶外幾個(gè)月或幾年內(nèi)發(fā)生的損壞，包括材料老化褪色、失光、強(qiáng)度降低、開(kāi)裂、剝落、粉化和氧化等。

表1 T/CATSI 02 005—2019中暴露周期參數(shù)

表1 列出了對(duì)于氣瓶在紫外線環(huán)境中的暴露周期、輻照度和黑標(biāo)溫度要求，LPG 氣瓶在能源多樣化的今天仍占有一席之地，其最大的優(yōu)勢(shì)為儲(chǔ)運(yùn)便攜。比如在沒(méi)有通燃?xì)獾泥l(xiāng)鎮(zhèn)，LPG 便是人們賴以生存的能源。在戶外環(huán)境中，LPG 也是首選的能源，而絕多數(shù)戶外環(huán)境的潮濕是由露水，而非雨水造成的。因此紫外線老化需要模擬戶外潮濕的環(huán)境，這就需要用到冷凝機(jī)制即凝露功能。在冷凝循環(huán)中，需要使測(cè)試箱內(nèi)的相對(duì)濕度維持大于98.5%，并保持相對(duì)高溫。

2 氣瓶紫外線老化試驗(yàn)方法技術(shù)路線概述

根據(jù)T/CATSI 02 005—2019標(biāo)準(zhǔn)中6.3.7項(xiàng)的要求，熒光紫外燈加速應(yīng)力破壞試驗(yàn)需按 GB/T 16422.3—2014《塑料 實(shí)驗(yàn)室光源暴露試驗(yàn)方法 第3 部分：熒光紫外燈》 規(guī)定進(jìn)行，試驗(yàn)周期為帶壓（2.1 MPa 的空氣）時(shí)間 10 d，氣瓶泄壓空載狀態(tài)重復(fù)一次，計(jì)算下來(lái)該紫外線老化試驗(yàn)總共需20 d。氣瓶數(shù)量要求為2 只，在進(jìn)行完人工時(shí)效試驗(yàn)之后，1 只氣瓶做爆破試驗(yàn)、另1 只氣瓶做常溫疲勞試驗(yàn)。裝配完外套的氣瓶同樣需要進(jìn)行耐紫外線老化試驗(yàn)，試驗(yàn)條件和步驟一致。按上述條件，氣瓶數(shù)量供需4 只，其中2 只帶外套。如果氣瓶按照每只進(jìn)試驗(yàn)箱進(jìn)行試驗(yàn)的過(guò)程，共需要80 d 才能完成該項(xiàng)試驗(yàn)，為了節(jié)約時(shí)間同時(shí)滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，課題組自主研發(fā)了一臺(tái)耐紫外線老化試驗(yàn)機(jī)。

首先設(shè)備必須足夠大，可以滿足同時(shí)將4 只氣瓶放入紫外線老化箱的需求，這對(duì)紫外線燈的排布是一個(gè)重大考驗(yàn)。因?yàn)榉湃胍粋€(gè)氣瓶，僅需四面排布紫外線燈管就能使氣瓶受到均勻照射，但4 只氣瓶同時(shí)放入試驗(yàn)箱，相互之間有阻擋，不利于均勻輻射。為了使得紫外線照射均勻，課題組在箱體內(nèi)排布了24 支原裝進(jìn)口QLAB 熒光紫外燈作為光源，紫外燈管位于工作室頂部及左右兩面?zhèn)炔?，使得紫外輻射可以直接從中央照射到瓶體外側(cè)，樣品與各個(gè)紫外燈管最近平行距離在45～55 mm 范圍以內(nèi)，保證對(duì)樣品的光照處于最優(yōu)范圍。這樣的布局就可以模擬太陽(yáng)的照射角度和軌跡，盡可能做到模擬自然老化環(huán)境。最終根據(jù)目前LPG 氣瓶的常見(jiàn)外徑320 mm 確認(rèn)了箱體尺寸長(zhǎng)寬高分別為1 000 mm×1 200 mm×1 000 mm，并在高度方向留有足夠余量，詳見(jiàn)圖1。

圖1 紫外線箱體俯視圖（單位：mm）

其次輻照強(qiáng)度需要可調(diào)節(jié)范圍，雖然標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的輻照范圍為0.83 W·m-2·nm-1，但經(jīng)過(guò)多年實(shí)驗(yàn)室經(jīng)驗(yàn)證明，技術(shù)是日新月異不斷創(chuàng)新的，標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)隨之不斷變化，試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)不能局限在一個(gè)定值，因此最終該臺(tái)設(shè)備可以通過(guò)程序的調(diào)整，設(shè)定輻射強(qiáng)度在0.4 ～1 W/m2內(nèi)可調(diào)節(jié)，為后續(xù)的產(chǎn)品及標(biāo)準(zhǔn)留有余量。

最后還要考慮凝露功能的實(shí)現(xiàn)，目前市場(chǎng)上現(xiàn)有的成品僅能在底部供水，無(wú)法模擬濕氣影響。因此課題組在箱體頂部區(qū)域設(shè)置了多個(gè)噴淋頭，可以通過(guò)先在水槽內(nèi)注水，保證凝露要求，然后通過(guò)噴淋頭實(shí)現(xiàn)以冷凝或噴淋的方式模擬濕氣影響。水噴淋在模擬由于溫度劇變和雨水沖刷所造成的熱沖擊或機(jī)械侵蝕是非常有效的。整體可在該試驗(yàn)箱內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的陽(yáng)光和濕度模擬過(guò)程，并可通過(guò)加熱器提高溫度，該設(shè)備的功能更加全面，模擬效果更加真實(shí)可靠。

對(duì)于箱體的材質(zhì)，課題組選用的樣品架及箱體架均為不銹鋼材質(zhì)，該材質(zhì)耐腐蝕易清洗，設(shè)備密封條采用硅膠材料，具有韌性好，高溫環(huán)境下不易變形、老化的優(yōu)點(diǎn)。

3 氣瓶紫外線老化試驗(yàn)過(guò)程

為了驗(yàn)證自主研發(fā)紫外線耐老化設(shè)備的可行性，選用某家氣瓶生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的4 只型號(hào)規(guī)格為FYSPG-27.4-B 的IV 型LPG 氣瓶進(jìn)行耐紫外線老化試驗(yàn)。瓶體外徑為316 mm，瓶體長(zhǎng)度為465 mm，容積為27.4 L，詳見(jiàn)圖2。

圖2 IV型LPG氣瓶紫外線耐老化試驗(yàn)

氣瓶先充裝空氣至壓力為2.1 MPa 后進(jìn)行如下試驗(yàn)，然后泄壓，并在空瓶狀態(tài)下重復(fù)下述試驗(yàn)：

（1）60 ℃下4 h 干燥狀態(tài)紫外線照射試驗(yàn)；

（2）50 ℃下4 h 無(wú)光照凝露狀態(tài)試驗(yàn)；

（3）50 ℃下5 h 的干燥狀態(tài)紫外線照射試驗(yàn)；

（4）25 ℃下1 h 無(wú)光照凝露狀態(tài)試驗(yàn)。

整個(gè)過(guò)程可在程序控制面板上進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，如表2 所示，光照、凝露、淋雨以及光照雨淋4 種模式可任意選擇。使用時(shí)，在接通電源前先將試樣放在樣品架上，關(guān)閉箱門。接通水源，使加水處于預(yù)備期，開(kāi)啟注水電磁閥，將水加至設(shè)定水位，從而保證加濕滿足凝露要求；然后開(kāi)啟紫外燈管和噴淋頭，由紫外燈管模擬陽(yáng)光，通過(guò)冷凝或噴淋的方式模擬濕度影響，用于檢查試樣耐受陽(yáng)光輻射的能力，再現(xiàn)陽(yáng)光、雨水和露水對(duì)氣瓶產(chǎn)生的影響。

表2 程序參數(shù)設(shè)定

圖3 是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)的耐紫外線試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)過(guò)程中的面板情況，輻照度、黑標(biāo)溫度、凝露狀態(tài)、濕度等參數(shù)都可以直接通過(guò)面板讀取，操作方便。氣瓶耐紫外線試驗(yàn)不僅是考察陽(yáng)光輻照對(duì)于氣瓶的影響，還需要考量雨水和露水對(duì)于IV 型LPG 復(fù)合氣瓶的影響。UV 熒光紫外燈可以再現(xiàn)陽(yáng)光的影響，與此同時(shí)冷凝和水噴淋系統(tǒng)就可以再現(xiàn)雨水和露水的影響。二者相加就可以模擬陽(yáng)光、潮濕和溫度對(duì)材料的破壞作用。不同地區(qū)的日照強(qiáng)度和溫濕度不一樣，以新疆為例，日照時(shí)間長(zhǎng)，太陽(yáng)直射溫度高，在不需要人為干擾的情況下就能使氣瓶表面達(dá)到60 ℃。因此在整個(gè)的測(cè)試循環(huán)中，溫度也必須是可控的，畢竟LPG 氣瓶規(guī)定使用溫度為-40 ～60 ℃。在每個(gè)循環(huán)中，溫度都可控制在一個(gè)設(shè)定點(diǎn)，黑板溫度計(jì)可以監(jiān)控溫度，溫度提高可以加速老化的進(jìn)程。

圖3 紫外線試驗(yàn)過(guò)程控制面板顯示圖

圖4 是耐紫外線老化結(jié)束后的氣瓶狀態(tài)及控制面板的最終顯示情況，光照和凝露的工作溫度和持續(xù)時(shí)間都可以在操作面板中得到記錄和保存。經(jīng)過(guò)紫外線試驗(yàn)后的氣瓶，肉眼基本無(wú)法看到氣瓶外表面有纏繞層脫落或纏繞層發(fā)黃等現(xiàn)象，需要驗(yàn)證氣瓶的耐紫外線老化性能，還需要對(duì)其進(jìn)行后續(xù)的壓力循環(huán)試驗(yàn)及爆破試驗(yàn)。

圖4 耐紫外線老化后的程序面板和試驗(yàn)后的氣瓶

經(jīng)驗(yàn)證，國(guó)內(nèi)某企業(yè)生產(chǎn)的IV 型LPG 氣瓶經(jīng)過(guò)480 h 的耐紫外線老化試驗(yàn)后，2 只氣瓶進(jìn)行了0.3 ～3.2 MPa 的常溫壓力循環(huán)12 000 次（如圖5 所示），試驗(yàn)結(jié)果無(wú)滲透、無(wú)破裂、無(wú)泄漏；另2 只氣瓶進(jìn)行了水壓爆破試驗(yàn)（如圖6 所示），爆破壓力分別為9.3 MPa 和8.7 MPa（標(biāo)準(zhǔn)要求不低于6.3 MPa）。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，這4 只復(fù)合氣瓶的壓力循環(huán)強(qiáng)度和爆破強(qiáng)度均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 耐紫外線老化試驗(yàn)后的氣瓶疲勞試驗(yàn)

圖6 耐紫外線老化試驗(yàn)后的氣瓶爆破試驗(yàn)

4 IV型LPG復(fù)合氣瓶和傳統(tǒng)鋼質(zhì)LPG焊接氣瓶比對(duì)

傳統(tǒng)的鋼質(zhì)LPG 氣瓶強(qiáng)度是通過(guò)壁厚來(lái)保證，同時(shí)還需要焊接工藝和無(wú)損檢測(cè)工藝的技術(shù)支持。而IV 型LPG 氣瓶的強(qiáng)度完全由纏繞纖維和纏繞固化工藝來(lái)保證，因此IV 型LPG 氣瓶需要通過(guò)材料耐老化性能的測(cè)試來(lái)驗(yàn)證其強(qiáng)度。這也就是為什么傳統(tǒng)的鋼質(zhì)LPG 氣瓶，其產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5842—2022《液化石油氣鋼瓶》中沒(méi)有材料耐腐蝕性能的原因，只要通過(guò)測(cè)厚就能直接得到氣瓶的腐蝕狀況數(shù)據(jù)。但這并不意味著傳統(tǒng)鋼瓶比IV 型LPG 氣瓶更安全。鋼質(zhì)LPG氣瓶的安全性驗(yàn)證僅包括爆破試驗(yàn)、壓力循環(huán)試驗(yàn)、水壓氣密性試驗(yàn)這3 項(xiàng)破壞性試驗(yàn)。眾所周知，鋼材是一種易受腐蝕而老化的材料，即使鋼質(zhì)LPG 氣瓶外部有防護(hù)漆作為保護(hù)層，但在運(yùn)輸過(guò)程中難免會(huì)受到磕碰。何況在海邊等鹽霧腐蝕環(huán)境下，鋼瓶的耐腐蝕能力急劇下降，壁厚減薄明顯。但根據(jù)TSG 23—2021《氣瓶安全技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，液化石油氣鋼瓶定期檢驗(yàn)周期為4 年，在使用過(guò)程中即使有腐蝕現(xiàn)象，使用者無(wú)法及時(shí)對(duì)氣瓶進(jìn)行壁厚測(cè)定，這就導(dǎo)致使用過(guò)程存在風(fēng)險(xiǎn)。

目前全球氣瓶的發(fā)展趨勢(shì)是輕量化、安全性、低成本。和傳統(tǒng)的LPG 鋼質(zhì)焊接氣瓶相比，IV 型LPG氣瓶最顯著的變化就是質(zhì)量變輕了。通過(guò)IV 型LPG復(fù)合氣瓶耐紫外線的耐老化試驗(yàn)結(jié)果可以看出，雖然理論上塑料遇到光照會(huì)產(chǎn)生各種老化現(xiàn)象，但通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證可以看出，只要?dú)馄恐圃焐踢x用的材料和制造工藝符合標(biāo)準(zhǔn)要求，即使處于光老化的環(huán)境中，其強(qiáng)度依舊在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，風(fēng)險(xiǎn)可控。IV 型LPG 氣瓶的環(huán)境耐用性能較好，即使在老化環(huán)境中依舊有著出色的表現(xiàn)。

目前由于IV 型LPG 氣瓶在國(guó)內(nèi)處于研發(fā)階段，研發(fā)成本、設(shè)備成本和產(chǎn)品成本相對(duì)于傳統(tǒng)鋼瓶來(lái)說(shuō)略高。但是隨著技術(shù)日益成熟，IV 型復(fù)合LPG 氣瓶的價(jià)格會(huì)比傳統(tǒng)鋼瓶更有優(yōu)勢(shì)。且目前新型的IV 型LPG 復(fù)合氣瓶在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)銷售使用前，都需要通過(guò)T/CATSI 02 005—2019 標(biāo)準(zhǔn)的一系列型式驗(yàn)證后方能投放市場(chǎng)，其安全性都需要通過(guò)沖擊、跌落、耐鹽霧腐蝕、耐紫外線老化等多項(xiàng)使用驗(yàn)證。

5 結(jié)論

（1）基于環(huán)氧樹脂、聚乙烯內(nèi)膽和玻璃纖維的材料性能特點(diǎn)，紫外線老化環(huán)境的模擬對(duì)于IV 型LPG瓶的強(qiáng)度影響至關(guān)重要。

（2）自主研發(fā)的耐紫外線老化試驗(yàn)設(shè)備通過(guò)合理的紫外線燈管排布，有效解決了氣瓶之間相互阻擋，不利于輻射均勻的問(wèn)題，將原本試驗(yàn)時(shí)間的80 d 縮短至20 d，大大節(jié)約了試驗(yàn)時(shí)間和成本。同時(shí)在頂部增加噴淋頭，模擬由于溫度劇變和雨水沖刷對(duì)氣瓶造成的熱沖擊或機(jī)械侵蝕。

（3）從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，目前國(guó)內(nèi)自主研發(fā)制造的IV 型LPG 氣瓶的耐紫外線老化性能可以滿足標(biāo)準(zhǔn)需求。

（4）目前全球氣瓶的發(fā)展趨勢(shì)為輕量化、安全性、低成本，IV 型復(fù)合LPG 氣瓶具有質(zhì)量輕、環(huán)境耐用性能好等優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)將逐漸取代傳統(tǒng)鋼瓶。