高承压、低成本的车用35 MPa玄武岩纤维缠绕复合材料气瓶

为了提高压缩天然气(CNG)汽车的续驶里程,将CNG气瓶工作压力由20 MPa提高到35 MPa,同时采用高强度、低成本、储量丰富的新型缠绕纤维——玄武岩纤维来替代传统碳纤维和玻璃纤维,设计出车用35 MPa玄武岩纤维缠绕复合材料气瓶。通过薄膜理论和网格分析法计算出复合材料气瓶内衬和纤维缠绕层基本结构参数,利用ANSYS Workbench ACP模块建立1/2气瓶模型,数值模拟了气瓶在各种工况下的强度和稳定性。结果表明:(1)铝合金内衬在35 MPa工作压力下,最大应力位于封头和筒身的过渡段,其值为166.19 MPa,小于铝合金内衬屈服强度的60%即177.6 MPa;(2)环向缠绕层和螺旋缠绕层在爆破压力119 MPa下的最大应力分别为3 742.6 MPa和3 490.6 MPa,满足玄武岩增强纤维抗拉强度(3 000～4 840 MPa)的范围,符合DOT-CFFC铝合金内衬全缠绕复合材料气瓶的相关要求;(3)新型材料玄武岩纤维可以替代碳纤维和玻璃纤维缠绕在CNG气瓶上,能够满足气瓶的承压要求,安全可靠。结论认为,将目前常用的车用CNG气瓶工作压力由20 MPa提高到35 MPa可行,该研究成果有助于天然气汽车的应用推广。     

2011年第10期导读

<正>随着我国汽车保有量的不断增加,推广燃气汽车不仅符合应用天然气资源的经济发展战略,还可有效缓解能源短缺和大气污染。本期车用压缩天然气气瓶的研究概况一文,综述了近年来国内车用压缩天然气(CNG)气瓶的研究理论和方法,对CNG气瓶的失效机理进行了分析。在应力分析方面刊登了基于ANSYS/PVAS的加氢反应器催     

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车用压缩天然气（ＣＮＧ）储气瓶有全钢（ＮＧＶ２—１），或铝内衬加筒身段环向纤维增强复合材料气瓶（ＮＧＶ２—２），钢或铝内衬加外层整体纤维增强复合材料气瓶（ＮＧＶ２—３）和塑料内衬加纵环向纤维增强复合材料气瓶（ＮＧＶ２—４）４种类型。复合材料气瓶中，ＮＧＶ２—４复合材料气瓶代表未来压缩天然气储气装置的发展方向。文中介绍了这３种ＣＮＧ复合材料气瓶内衬和增强纤维的基本技术要求，复合材料气瓶的性能试验项目和鉴定检验规定。最后简要说明了西安向阳航天工业总公司开发研制的容量为３０、５０、９０、１１０、４００Ｌ５种规格的ＮＧＶ２—４复合材料气瓶的情况。另外，西安市１８路公共汽车上已安装试用了５０Ｌ和９０Ｌ的气瓶，成都市的夏利和奥拓出租车上也已安装使用了５０Ｌ的气瓶。从公共汽车和出租车所安装的气瓶的使用情况来看，气瓶状态良好，改装方便，易操作。     

表面损伤对全复合材料车用天然气气瓶强度的影响

针对车用全复合材料天然气气瓶在使用中存在的一些表面损伤，利用有限元软件进行了表面损伤对全复合材料气瓶强度影响的研究。在某型全复合材料气瓶的几何构成及制造工艺的基础上，建立了分析的有限元模型。通过统计和分析表面存在的一些损伤，设计了相关的表面损伤类型以及尺寸，并进行了气瓶的强度分析。结果表明：①由于表面损伤的存在，使损伤处不能承受载荷，而与表面损伤相邻的内层纤维受力明显增加；②对于相同尺度的表面损伤，轴向表面损伤对气瓶应力的影响比周向表面损伤显著；③筒身上的损伤相对于其他部位表面损伤要安全。分析结果可为气瓶的强度设计以及检验提供有效的评价指标和方法。     

对CNG加气机加气后压力稳定性分析

随着车用CNG(压缩天然气)的普及和推广,对CNG汽车的加气是一个必不可少的环节,国家标准中规定车载CNG加气的最高压力为20MPa,但CNG加气机的加气压力与车载气瓶的压力之间存在着不一致,通过对加气机的结构和工作原理介绍,分析加气机与气瓶之间的压力稳定性影响因素,提出针对性的改进建议和意见,使加气压力更具稳定性。     

车用35MPa玄武岩纤维增强复合材料气瓶自紧工艺研究

为了研究和分析玄武岩纤维增强金属内胆压力容器在自紧作用下的容器性能，以工作压力为35MPa的玄武岩纤维增强绕复合材料气瓶为研究对象，依据经典网格理论建立气瓶有限元模型，分析自紧工艺对玄武岩纤维增强复合材料气瓶应力大小及分布影响，根据《DOT-CFFC》标准，提出最佳自紧压力。研究表明：自紧后，玄武岩纤维增强复合气瓶纤维层在35MPa工作压力下的应力强度明显高于自紧前，气瓶纤维强度利用率大幅度提高；在60～80MPa工作压力下随着自紧压力增加，气瓶内衬的最大Von-Mises应力减小，内衬受力降低，纤维层最大Von-Mises应力增大，纤维增强作用提高；当自紧压力为64.89MPa时，气瓶的承载性能最佳，此时气瓶的内衬承载能力和纤维层利用率比自紧前分别提高了37.63%、33.22%；爆破压力下自紧压力不影响气瓶内衬和纤维层应力大小。该研究成果能大幅提高玄武岩复合材料气瓶的承载能力，有助于天然气汽车的应用推广。     

射线数字成像检测技术在复合材料氢气气瓶上的应用试验与研究

氢燃料电池汽车的市场前景广阔,氢气气瓶是氢燃料电池汽车供应系统的重要部件,开展定期检验是保障气瓶使用安全的主要方式.针对目前法规要求的检验方法无法有效应用于车用压缩氢气气瓶检验的现状,通过对相关标准进行的对比分析和替代试验研究,验证了射线数字成像检测技术用于氢气气瓶检测的可行性,指出进行车用压缩氢气气瓶射线数字成像在线...     

复合材料CNG气瓶充气温升的数值模拟

为得到复合材料CNG气瓶充气时的温度变化规律,通过Fluent17.0对30 MPa下气瓶的充气过程进行了数值模拟,分析得出充气过程中的内部气体的温度分布及变化规律和壁面温升规律,并对相同条件下外壁面加入导热介质的气瓶进行模拟结果分析。结果表明:气瓶高温区域分布在瓶尾的封头段,低温区分布在进口位置,进口处的温度分布呈现羽流状;气体温度持续上升,但与时间成非线性关系;气瓶的纤维层最高温升的速率有明显的提高,而其平均温升的速率提升幅度较小,但内胆层的温升速率随着充装进行有小幅降低;壁面的温升与充气时间一直不成线性关系;导热胶泥使得气瓶壁面温升保持稳定,且在充气结束时其温度有所降低。     

车用天然气缠绕气瓶安全分析

发展天然气汽车符合国家节能与新能源汽车发展战略的要求,车用天然气缠绕气瓶是天然气汽车的重要专用装置。做好车用天然气缠绕气瓶的安全性分析,消除其安全隐患可为减少或杜绝车用气瓶发生重、特大安全事故提供保障。根据《车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶》企业标准的有关规定,介绍了钢瓶的材料、设计、制造、力学性能试验和各种检测方法等,对车用天然气缠绕气瓶在设计、制造和使用中容易发生的安全隐患及原因进行了分析,并提出了相应的解决措施。     

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中国成都市区现实已建有31座压缩天然气加气站。在成都市区运行的公交汽车和出租车基本上都已实现了用压缩天然气（CNG）作为车用替代燃料，并取得了较好的经济效益和社会效益。但近一年来加气行业的效益大幅下滑，从而明显开始制约压缩天然气作车用替代燃料这个新兴市场的发展。造成这种状况的原因，除去非经营性支出增加外，还有更深层次的原因。章介绍了成都市车用CNG市场的现状，分析了存在的问题，并对车用CNG价格体系的构建进行了研究，结论是：只有合理的价格体系和合理的政府干预才能促进车用CNG市场的健康持续发展，从而更好地实现环保，清洁，节能的最终目的。     

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压缩天然气（CNG）储气瓶，是天然气汽车十分重要的部件。压缩天然气气瓶一般为钢制圆筒压力容器，但由于气瓶质量大，且易发生爆炸性事故而造成严重的后果。因此，复合式气瓶成为汽车用天然气瓶的一个重要发展方向。金属内胆外加复合材料缠绕的复合式压缩天然气瓶具有刚度大、气密性好、重量轻、成型工艺简单及生产成本低廉等优点。在力学分析的基础上，得出了复合式压缩天然气瓶的玻璃纤/环氧复合材料维缠绕层数，并结合浇注体力学性能、弹性粘贴层厚度及缠绕工艺的对比，最终研制出能满足使用要求的复合式天然气瓶。     

车用液化天然气焊接绝热气瓶定期检验中的问题及处理原则

车用液化天然气焊接绝热气瓶是安全风险较大的车载特种设备,按照《气瓶安全技术监察规程》规定必须进行定期检验。本文详细论述了车用液化天然气焊接绝热气瓶定期检验中发现的瓶体缺陷、瓶体附件缺陷、气瓶附件及配件泄漏、其他配件缺陷等问题,并对这些问题产生的原因进行了分析,提出了改进措施及处理原则。     

火灾环境下CNG长管拖车气瓶不同结构泄压装置的响应规律

由于天然气在储运过程中存在着潜在的泄漏和爆炸风险,一旦发生事故就有可能造成人民生命财产的重大损失。因此国内外有关标准法规均要求安装泄压装置,以保证CNG气瓶在超温、超压工况下能安全泄放,降低事故风险。但由于国内外标准对泄压装置设计计算方法和计算公式不同,导致不同的泄压装置在火灾工况下的动作响应规律存在着差异。为此,针对不同结构型式、不同泄放面积的泄压装置,开展了大容积钢质无缝气瓶整体火烧工况的分析研究,以获取CNG长管拖车气瓶在受火工况下温度压力的变化规律,以及不同泄压装置在火烧环境下的响应规律。研究结果表明:(1)大容积钢质无缝气瓶按照API 521-2014、CGA S-1.1和GB 16918—1997设计的泄压装置均能够满足大容积钢制无缝气瓶整体受火安全泄放的要求,考虑到可能引起二次灾害的CNG气体,推荐使用API 521-2014或CGA S-1.1计算最小泄放面积;(2)在火焰被钢板隔绝的情况下,泄压装置的热传导受阻,单爆破片结构往往比爆破片+易熔合金的组合结构先动作;(3)大容积钢质无缝气瓶在火灾环境下,泄放装置开启后,气体温度变化规律受泄放面积的影响较大。结论认为,该研究成果可以为CNG长管拖车气瓶泄压装置的标准制订和选型提供技术支撑。     

基于正交试验的Ⅲ型储氢气瓶内衬结构多因素疲劳性能优化

目的探究铝合金内衬结构参数对Ⅲ型储氢气瓶的整体疲劳性能影响,得到能提高气瓶使用长时性的内衬优化设计方案。 方法基于正交试验结合数值模拟,采用Brown-Miller算法计算复合材料气瓶疲劳寿命。通过相关性分析,综合评估筒身壁厚、长径比和封头椭球比对其疲劳性能的影响,明确筒身壁厚为主要影响因素。基于Goodman平均应力修正方程,分析内衬应力幅随壁厚增加时的变化。并通过常温压力循环试验对优化设计方案进行验证。 结果气瓶实际疲劳寿命与模拟结果高度一致,最终循环次数与模拟结果相差5.7%。气瓶疲劳失效位置出现在内衬筒身段,铝合金内衬疲劳失效先于纤维缠绕层。 结论优化后的复合材料气瓶较标准要求的疲劳寿命提升44.7%,通过正交试验法对Ⅲ型储氢气瓶内衬结构参数的优化是可行的。      

城市燃气与CNG建设项目基准收益率测算及取值——以中国石油天然气股份有限公司为例

为了解决中国石油现暂无统一的城市燃气和车用CNG建设项目基准收益率参数的问题,采用资本资产定价模型法和加权平均资金成本法对这两类项目的基准收益率进行了定量测算,同时结合对相关单位的调研,对基准收益率的取值进行了协调。在定量计算和定性判断的基础上,建议城市燃气和车用CNG建设项目税后基准收益率分别取10%和12%,并阐述了取值的理由。     

加快发展四川CNG汽车

本文在介绍天然气汽车的基本分类、车用压缩天然气的质量要求、CNG汽车的压缩天然气系统组成和供气系统工作流程之后,着重分析了四川具有发展CNG汽车的优势和条件,提出了因地制宜发展四川CNG汽车的基本原则和阶段目标,并为此提出了发展天然气汽车的建议。     

CNG管束式集装箱气瓶有限元分析

随着国民经济的快速发展,压缩天然气逐渐被人们认识、了解和使用,压缩天然气的需求量日益剧增,应用范围不断扩大。管束式集装箱气瓶作为运输压缩天然气的主要物流设备之一,很大程度上解决了我国内陆地区,尤其是天然气管网尚未到达地区及用户的压缩天然气的运输问题。利用有限元方法对CNG管束式集装箱气瓶进行分析,获得承受内压及冲击载荷条件下的应力计算结果,并运用薄膜理论的判定准则进行气瓶强度校核。该分析方法能够对气瓶承受各种载荷进行分析,可以广泛应用到产品设计及技术改造中。     

浅析CNG加气站高压储气方式

为了保障CNG加气站的平稳供气，宜设置天然气储气系统，国内外储气设备主要有气瓶组、高压储气罐、地下储气井。概述了三种储气方式各自的特点；分析了三种储气方式的优缺点和投资成本。对不同规模CNG加气站的储气方式提出了建议。     

加气站的“黑匣子”

一种被称为气站“黑匣子”的“CNG气瓶实时动态监管集成系统”,2006年12月首次在南充市金源加气站投用获得成功。它标志着今后CNG气瓶充装过程的安全有了更加严密的保障体系和措施,使气瓶充装迈入电子化信息实时动态监控的管理平台。国家质量技术监督总局特监局负责人对该系统的运行成功表示祝贺,并要求有关部门     

CNG加气站气体质量问题的分析与对策建议

硫化氢含量和水露点是CNG的重要物理参数,也是CNG加气站生产与销售过程中的主要质量指标。天然气中硫化氢含量及水露点超标,不仅会造成管道气路冰堵,而且还会对加气站设备与车载气瓶产生腐蚀,严重影响CNG加气站和CNG汽车的安全运行。目前,多数CNG加气站的气体品质不稳定,水露点超标是最主要的原因,夏季尤为明显。结合重庆市加气站实际生产情况,分析CNG产品质量问题的主要原因,探寻解决对策,努力确保气质达标。