车用LNG气瓶的定期检验技术

夏 莉 李 蔚 鲁雪生 刘金良 广东省特种设备检测研究院

车用LNG气瓶的定期检验技术

夏 莉 李 蔚 鲁雪生 刘金良 广东省特种设备检测研究院

针对车用液化天然气(LNG)气瓶定期检验的特殊要求，制定出定期检验项目及相应的检验方法。重点对车用LNG气瓶静态蒸发率的测试方法进行研究，并给出评判标准。研究成果为车用LNG气瓶的安全应用提供保障，为车用LNG气瓶定期检验标准的制定提供理论依据。

车用LNG气瓶 定期检验 静态蒸发率 评判标准

液化天然气(LNG）作为一种清洁燃料，开始广泛地应用于汽车、船舶、燃气发电装置等各种动力系统，尤其是LNG动力汽车，发展非常迅速[1]。在LNG汽车的燃料系统中，储存LNG的“车用LNG低温绝热气瓶”是关键的设备，它不仅是属于低温压力容器类，而且存储的LNG是易燃易爆介质，更重要的是汽车在道路上行驶，因此设备的安全性尤为重要。为加强和规范车用LNG气瓶的安全监督管理，保障车用LNG气瓶的使用安全，在《车用气瓶安全技术监察规程》中虽对车用LNG气瓶的定期检验提出了要求。但如何检验，目前还没有关于车用LNG气瓶定期检验的国家或行业标准。

本文参照低温绝热气瓶的相关标准并考虑实际车用LNG气瓶的特殊性，初步制定检验项目、方法与合于使用的评判标准，然后再经过实践论证所制定的车用LNG气瓶定期检验规则的合理性，旨在为车用LNG气瓶定期检验标准提供理论基础。

1 定期检验项目与检验周期

为确保车用LNG气瓶的使用安全，主要从两个方面对气瓶性能做出规定：一是对气瓶的强度要进行检定，确保气瓶强度满足使用要求；二是LNG是可燃气体，遇到火源会出现燃烧甚至于爆炸现象；而且LNG是窒息性气体，一旦泄露会对人员造成危害，因此LNG的泄放要满足要求。基于此，参照GB 24159《焊接绝热气瓶》、《车用气瓶安全技术监察规程》等标准规范，制定出定期检验项目，包括：资料审查、外观检查、安全附件及阀门检验、气密性试验、静态蒸发率测试，必要时需测量真空度、漏放气速率、漏气速率及进行无损检测、耐压试验、内部检查。

一般情况，车用LNG气瓶每两年检验一次；车用LNG气瓶在使用过程中，若有严重损伤、发生事故、或对其安全可靠性有怀疑的应提前进行检验。停用时间超过一年的气瓶，重新使用前应进行检验。

2 车用LNG气瓶的定期检验方法

2.1 车用LNG气瓶定期检验的特殊要求

● 2.1.1 检测效率要高

目前，检测的车用LNG气瓶主要是应用在公交车上，每个批次检验的LNG气瓶数量较为庞大，在检测过程中既要严格遵照标准进行各个环节的检测工作，但又不能影响公交车的运营，要求检测不但要准确，而且检测效率要高。

● 2.1.2 绝热性能检测方法

气瓶绝热性能直接影响了瓶内压力变化，继而决定由于安全阀起跳而导致的LNG气体的泄放量，因此要对气瓶的绝热性能进行检测。气瓶的绝热结构为高真空多层绝热，根据相关标准[2]中介绍的用于描述深冷压力容器绝热性能的参数有：真空度、静态蒸发率、漏热量以及维持时间等。其中对于气瓶真空度的测量，由于气瓶上并未设有真空规管，因此不方便在检测现场进行气瓶真空度的测试。而其它三个参数—静态蒸发率、漏热量以及维持时间之间存在相互的转换关系，因此考虑到测量时间与可操作性等因素，选取气瓶的静态蒸发率来代表它的绝热性能。

● 2.1.3 避免气瓶拆装

在检验过程中如采用的测试方法需要拆装气瓶将会带来以下问题：气瓶的拆装工作量大，经济与人工成本增加；车用LNG气瓶是需要由具有气瓶安装资质的单位进行安装的，因此还牵涉到拆装资质问题；气瓶的拆装将增加检验时间，影响公交车运营；另外，每次拆装都要更换密封件，如不更换或更换方法不恰当，就会使气瓶的密封性变差，导致出现可燃气体泄漏的安全隐患。由此可见，在对车用LNG气瓶进行定期检验的过程中应该尽量避免气瓶的拆装。

基于上述对车用LNG气瓶定期检验的特殊要求，采用宏观排查与重点检验相结合的检验方式，这样既可以保证检验效率也可以保证检验准确度。具体检验方案是：对每一只气瓶进行资料审查、外观检查、安全附件及阀门检验、气密性试验等；而对绝热性能测试时，首先采用红外热成像的办法逐台对气瓶的保冷情况进行检测，然后重点对宏观检测结果中跑冷较严重的气瓶进行静态蒸发率的测试。在所有检测项目中耗时最长、检测难度最大的就是静态蒸发率的测试。

2.2 静态蒸发率的测试方法

根据GB18443.5[4]，静态蒸发率为深冷储运设备在额定充满率下，静置达到热平衡后，24h内自然蒸发损失的深冷液体质量与内容器有效容积下深冷液体质量的百分比。在该标准中给出两种静态蒸发率的测试方法：一种是流量计法，一种是称重法。同时借鉴GB18443.6[4]中管道漏热量测量的表面温度法，当找出漏热量和静态蒸发率之间的关系后，也可以得到气瓶的静态蒸发率，因此又多了一种静态蒸发率的测试方法，即GB18443.6[4]中规定的表面温度法。

● 2.2.1 流量计法

流量计法首先采用气体质量流量计测量单位时间内被检件中液体蒸发后通过流量计的气体质量流量，然后利用测出的气体质量流量计算测试蒸发率和静态蒸发率，试验原理图如图1所示。

图1 流量计法实验原理图

● 2.2.2 称重法

采用称重法测量时，气瓶充至额定的充装量后，将气瓶置于衡器上，通过衡器测量气瓶中深冷液体蒸发的质量，利用测量的蒸发量计算测试蒸发率和静态蒸发率。

● 2.2.3 表面温度法

测量气瓶的外表面温度及对应的环境温度，按大空间自然对流计算通过瓶体漏入气瓶的热量；同时按测得的接头空气侧温度与液体温度的差值计算接头的导热漏热量，这两部分漏热之和为气瓶的总漏热量，最后，利用总漏热量计算气瓶的静态蒸发率。

● 2.2.4 静态蒸发率测试方法的比较

据调查显示，由于各地刚刚开展车用LNG气瓶的定期检验，而且检验标准还不完善，因此对车用LNG气瓶的定期检验方法争论颇多，上述三种方法都有应用，这里对这三种静态蒸发率的测试方法进行比较研究，比较情况见表1。第一，从检测过程中是否有气体排放的角度来看，对于流量计法和称重法来说，检测时都有气体排放到环境中，因为LNG是不允许直接排放到大气中的，因此采用这两种方法进行测试前必须要用液氮（LN2)对LNG进行置换。其次，从检测介质来看，除考虑到上述气体排放因素之外，由于在流量计法中气体流量计仅对单一组份气体的检测较为准确，而对LNG这种多组份气体检测的准确度不高，所以在采用流量计法时要用具有单一组份的LN2置换多组分的LNG。从上面两点可以看出，若采用流量计法和称重法时要先用LN2置换LNG后才能进行测试。第三，从测试是否要求拆装气瓶的角度看，称重法要求必须将气瓶从车上拆卸下来，而其它两种方法可以不用拆卸气瓶，直接实现在线检测。第四，从检测时间来看，三种方法都要求：气瓶在额定充满率下，静置24h达到热平衡后，才能进行测量。流量计法中，热平衡后，还要对气瓶进行24h的蒸发量测试，因此流量计法的测试时间至少需要2天时间；称重法中，稳定后的测试时间也至少需要24h，还要加上气瓶在测试前后都要进行拆装的时间，因此，在采用称重法进行蒸发率测试时，一般需要5～6天时间；对于表面温度法，只要气瓶达到热稳定后，就可以进行测试，测试只需要1h左右的时间，因此表面温度法的总测试时间在1天左右。第五，测试成本。流量计法中，流量计要选用精度比较高的型号，因此价格比较昂贵；另外，在测试过程中流量计要连续采集气瓶蒸发量的数据，也就是说测试全程一台流量计只能对一只气瓶进行测试，多只气瓶同时测试就要购置多台流量计，因此该方法设备成本较高。称重法要求拆装气瓶，因此气瓶拆装的人工成本及密封件的更换成本大幅增加。第六，在测试精度方面。流量计法、称重法中若采用高精度仪器，测试精度就可以得到保证，但表面温度法的测试准确度比较差。表面温度法的测试中，通常气瓶表面温度和环境温度之间的温差很小，这时测温元件的测量误差对测试结果会产生较大影响，另外，气瓶漏热的30%以上出现在气瓶端部的接管处[5]，而这部分传热的几何特性复杂，也很难精确计算，因此表面温度法的测试精度是这三种测试方法中最差的。综合考虑测试精度、测试时间及测试成本，流量计法是一种推荐的车用LNG气瓶静态蒸发率的测试方法（见表1)。

表1 车用LNG气瓶静态蒸发率测试方法比较

● 2.2.5 静态蒸发率的合格标准

目前，由于国家还未推出车用LNG气瓶的定期检验标准，因此车用LNG气瓶静态蒸发率的合格指标就参照TSG R7001-2013《压力容器定期检验规则》中对低温压力容器静态蒸发率定期检验合格标准的规定，即：“实际日蒸发率数值小于2倍额定日蒸发率指标为合格。”

3 定期检验的开展情况

广东省是我国最早推广LNG公交车的地区之一，因此也是最早进行车用LNG气瓶定期检验的省份，在检验方法的研究上也做了大量的探索和研究，形成了较为成熟的车用LNG气瓶的检测方法。目前，已完成7个批次646只车用LNG气瓶的定期检验工作，在检验过程中得到以下几点结论：

1）目前采用的仪器与检测方法经实践证实，准确度较高。

2）宏观跑冷排查与静态蒸发率重点检查相结合的检测方法，可在保证检测准确度的前提下，极大地提高检测效率。

3）按照该检测方法进行检验可以满足车用LNG气瓶安全使用的检测要求。

4 结论

为保障车用LNG气瓶的使用安全，要求对车用LNG气瓶进行定期检验。目前车用LNG气瓶定期检验标准还不完善，因此需要对车用LNG气瓶定期检验进行深入研究。针对车用LNG气瓶定期检验的特殊要求，制定出定期检验项目，并针对检验项目制定出相应的检验方法，其中，重点对车用LNG气瓶静态蒸发率的测试方法进行了研究，并给出合格与否的评判标准。研究成果将为车用LNG气瓶的定期检验提供有力的理论依据。

1 冯志刚.车用LNG气瓶定期检验工艺及评定标准.中国特种设备安全,2013,4：27－30

2 GB/T 18443－2010真空绝热深冷设备性能试验方法

3 GB/T 18443.5－2010真空绝热深冷设备性能试验方法第5部分：静态蒸发率测量

4 GB/T 18443.6－2010真空绝热深冷设备性能试验方法第6部分：漏热量测量

5 徐萌,王彩莉,汪荣顺.国内外低温绝热气瓶应用现状及关键技术.低温工程,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）