1、复合材料压缩天然气车用气瓶1、项目背景1.1 CNG 气瓶介绍压缩天然气（CNGCompressed Natural Gas） 作为汽车动力源已有几十年历史。作为 CNG 储存容器的气瓶是 CNG 动力的关键部件。1.1.1CNG 气瓶使用要求CNG 气瓶的使用条件在 CNG 容器的标准中都有明确规定：CNG 气瓶使用寿命不超过20 年； CNG 气瓶的工作压力：车用气瓶为 20MPa，站用瓶为 25MPa。设计安全系数为2.25 3.0。其设计的使用温度为 15。由于环境温度的变化，当温度升高时，允许其工作压力达到 125%；气体压力循环的最大数目为 7501000 次/ 年。汽车运行时的外
2、部环境温度可在-40 +82之间变化，容器内所包含的气体温度不超过 57。按 NGV 的要求，压缩天然气的杂质和其它有害气体含量的规定为：H 2S 和硫化物的分压最大为 344.5Pa，或者 H2S 的含量小于 20Ppm，不合有甲醇；水蒸气含量为：在车辆工作的特定的地理位置，压缩天然气的气体压力下，燃料罐内无水蒸气冷凝发生。美国消防协会规定，在站用瓶的储气条件下，水蒸气含量为 16mg/m3（15，15MPa），并规定CO2 的分压为 0.048MPa。1.1.2 CNG 气瓶的资质认证CNG 气瓶的资质认证试验用于证明气瓶的设计在其使用寿命范围内是否是安全的。对于每个新设计的气瓶要求进行内
3、容广泛的试验过程和试验项目；但是为了修正已有的气瓶设计，则可采用简化的试验运行。资质认证试验的具体试验项目如下：（1）水爆试验：该项试验主要用于验证各类容器的设计是否基本正确，对于钢质气瓶，试验其安全系数的大小是否与设计的一致；对于纤维复合材料增强的各类气瓶，还将验证其增强复合材料的应力比。 （2）室温循环试验：该项试验主要用于证实 CNG 容器或内衬满足其使用寿命要求而不发生泄漏，同时也为了证实气瓶是否具有安全破坏的特征，即在破裂前发生泄漏。（3）环境循环试验：该项试验主要用于检验 CNG 容器或内衬是否可以承受在使用条件下可能遇到的各种流体如酸、碱等溶液的侵害；酸性溶液对玻璃纤维和芳纶纤维
4、增强的复合材料性能具有明显的影响，其它液体也会侵蚀增强纤维和树脂基体；压力循环将会促进基体树脂的裂纹张开：从而有助于流体溶入复合材料层内。在环境循环试验中，还使气瓶承受一系列的模拟砂子冲击的低能冲击，以检验在流体中暴露之前气瓶保护涂层的耐久性。 （4）阻燃试验：该项试验主要用于证实燃料容器系统包括气瓶、压力释放装置在经受火烧或极限温度时，燃料容器内的气体会泄放；压力释放装置在压力、温度或压力与温度的综合作用下会发生作用，也就是说不管气瓶是在完全充气还是部分充气，燃料容器系统在火中都必须是安全的。 （5）裂纹容限试验：这一试验主要用于模拟刀割、刨削等使用中可能出现的损伤或缺陷，证明容器不会因存在
5、适当的损伤而发生泄漏或破裂。 （6）坠落试验：坠落试验用于模拟燃料容器在安装使用之前的搬运、装卸中可能引入的损伤或缺陷。并通过试验证实：这些损伤和缺陷，在容器的使用寿命中不会发生泄漏和破裂。坠落时容器可呈水平、垂直和 45方向落下。 （7）穿透试验：正如众所周知的枪击试验那样，本试验在于证实，即使一个高能的冲击物使气瓶简体复合材料增强体穿透，燃料容器也不会发生碎状破裂。 （8）渗透试验：本试验主要用于检验以非金属内衬或焊接非金属内衬所制成的全塑复合材料燃料容器不允许存在有超出标准规定所限制的天然气渗漏损失。 （9）天然气循环试验：本试验主要用于证实由于天然气气流所产生的静电或者由于天然气的迅速
6、压缩和膨胀所引起的温度瞬变，不会引起气瓶的损伤。 （10）加速应力破裂试验：本试验主要用于证实气瓶的增强纤维和树脂体系可以持续暴露在高温高压下而无衰变。 （11）关于断裂性能的要求，及非破坏检验方法进行确定缺陷大小的有关试验：其目的在于寻找在金属容器和内衬中的裂纹、缺陷，包括疲劳敏感位置的鉴别，在破裂前的泄漏性能（1eak beforcbreak：LBB）和临界裂缝的大小（critical flaw sizes）。 1.1.3 复合材料 CNG 气瓶优势介绍由于 CNG 汽车的逐渐推广，CNG 气瓶将具有十分广阔的前景。CNG 气瓶可用合金钢瓶，也可以是复合材料气瓶。CNG 复合材料气瓶是在金
7、属或塑料内衬外缠绕纤维增强树脂。按结构形式可以分为全缠绕、环缠绕；按内胆材料可分为塑料内胆、铝合金内胆和钛 合金内胆、不锈钢内胆；按内胆壁厚分为承载内胆和非承载内胆；按几何形状分为柱形和、球形。与钢瓶相比，玻璃钢/复合材料气瓶具有以下优点：（1）比强度高复合材料（玻璃钢）比强度为钢的 4 倍，而比模量仅比钢低 22%；比强度为铝的 3倍，比模量仅比铝低 19%。可见用玻璃钢制作 CNG 气瓶重量将大幅下降。若采用薄铝内衬，外以玻璃纤维或碳纤维浸渍环氧树脂后缠绕，其瓶重比绕钢丝者轻 40%；比绕铝丝者轻 10%。因此采用复合材料 CNG 气瓶可以提高汽车的有效载荷，增加行驶速度。（2）破损安全性
8、好玻璃钢重采用大量纤维增强，每平方厘米上的纤维多达几千几万根。从力学观点上看，是典型的静不定体系。当玻璃钢气瓶超载并发生少量纤维断裂时，其载荷会迅速重新分配在未破坏的纤维上，这在短期乃至相当一段时间内不致使气瓶丧失承载能力。（3）减震性好复合材料中纤维与树脂基体界面具有吸震能力，震动阻尼甚高，抗声振疲劳性亦佳。1.2 项目背景分析1.2.1 环境保护和石油能源紧缺近年来，我国汽车工业得到了快速发展。2005 年，我国汽车年产量达到 570.7 万辆，汽车保有量达到约 3500 万辆。据预测，到 2020 年我国汽车总保有量有可能突破 1.5 亿辆。汽车保有量的增长同时带来了燃油消耗总量的快速增
9、加。我国已经成为世界上第二大能源消费国。2004 年我国累计进口原油 1.2 亿吨。据有关人士预计，到 2020 年我国石油需求量将超过 4 亿吨，其中，汽车燃料消耗约 2 亿吨，石油的对外依存度将有可能达到 60%。随着机动车保有量的激增，我国机动车尾气污染问题更显严重，国家环保中心预测，到2010 年我国汽车尾气排放量将可能占空气总污染源的 64%。综上所述，随着我国汽车工业快速发展，环境污染与能源紧缺这两个重要的问题将愈显严峻。解决这些问题的有效途径是：（1）采取政策与技术措施大幅度节约燃料消耗；（2）开发应用各种清洁替代燃料。设想到 2020 年，经过大家努力，全国汽车燃料消耗比预测值
10、节约 20%左右，替代燃料（尤其是可再生的替代燃料）比例也达到 20%左右，能源紧缺与环境污染问题将会得到有效缓解。压缩天然气（CNG）是优选的汽车替代燃料。天然气的主要成分为甲烷，它可以从纯气田的天然气中获得，也可以从油田的石油伴生气中获得。天然气用作汽车燃料主要方式是压缩天然气（CNG）和液化天然气（LNG ）。天然气经过合成技术成为品质优良的柴油（GTL ），天然气还可以用来生产甲醇、二甲醚、氢气，成为汽车的燃料。压缩天然气（CNG ）通常应用于点燃式发动机。它具有较高的辛烷值(RON 高达130),有利于提高发动机的热效率；天然气进入气缸之前以气态与空气较均匀混合，在缸内实现较完全燃烧
11、，有利于 CO、HC 排放物的减少；经过严格脱硫处理的 CNG 硫含量很低，有助于降低硫化物和常规污染物的排放，延长尾气处理催化剂的寿命。CNG 的主要缺点是能量密度及混合气热值均低于汽油，导致发动机的动力性会有所降低，在有限的储气瓶容积下，车辆的续驶里程短；储气瓶往往占用较大空间和重量；CNG 加气站等基础设施建设需要较大的土地面积和资金。1.2.2 天然气储藏丰富天然气在世界的储量相当丰富，因此 CNG 汽车发展很快。根据某些资料介绍，全球CNG 汽车保有量约 480 万辆，加气站约 8800 座。许多国家生产大功率电控车用 CNG 发动机，装备于公交车和重型载重车。据欧美一些专家预测，天
12、然气是最具发展潜力的汽车替代燃料。天然气发动机的低排放优点，也是混合动力汽车优选的内燃机类型。可以预测，在今后 510 年内，CNG 汽车的比例将会明显增长，成为我国汽车的主要品种之一。我国是天然气资源尚较丰富的国家，据全国油气资源评价，我国气层资源蕴藏量为 38万亿立方米，已探明的地质储量为 1.52 万亿立方米。目前世界大多数发达国家天然气的消耗占一次能源 2030%，而我国仅占 2%左右，也就是说，我国天然气的开发利用具有很大的潜力。我国西气东输工程计划到 2010 年覆盖 260 个城市，将为大量推广使用天然气汽车提供资源条件。八十年代以来，尤其是 1999 年全国开展清洁汽车行动以后
13、，我国的天然气汽车发展很快。目前全国的天然气汽车总数约 22 万辆，加气站总数 400 余座。尤其在西部天然气资源丰富、价格便宜的地方，压缩天然气（CNG）汽车增长很快。我国的天然气资源十分丰富，四川、重庆、新疆、陕北、大港及近海油田都有丰富的天然气资源。1.2.3 天然气用作汽车燃料优点天然气用作汽车燃料具有以下优点：（1）有较好的社会效益。机动车尾气是城市大气污染的主要来源之一，其中主要有害成分是一氧化碳（CO ）、碳氢化合物（ HC）、一氧化氮（NO）、和二氧化氮（NO 2）等。世界各国为了减少汽车尾气中有害物质对大气的污染，都制定了汽车排放标准，对其中有害成分的限制越来越严，这就相应提
14、高了汽车发动机的制造难度。使用天然气作为汽车燃料，可以大大地降低发动机废气排放中的各种有害成分，据有关资料显示，天然气作汽车燃料与汽油相比，可减排 CO92%、SO 290%、HC72% 、NOx39% 、CO 224%、粉尘 100%，对改善城市环境有显著作用。当然，天然气汽车的环保效益与汽车的性能、改装装置、改装技术有很大关系，对于在用化油器汽车改装后的效果则差许多，对单一燃气汽车，其排放性能可达到欧洲 3 号、4 号法规限制和美国加州超低排放车标准。（2）有利于缓解能源安全。我国每年需进口大量原油、成品油和 LPG，并且国内仅少数炼厂能生产符合车用标准的 LPG。如用天然气替代汽柴油，以
15、每辆车年均行驶里程 5 万km 计，改装 100 万辆天然气汽车，每年可以替代油品 1000 万 t。因此，从国家能源政策来看，发展 CNG 产业，可调整燃料结构，减少对石油资源的依赖程度，减轻国家石油储备压力。世界上不少国家，如阿根廷、澳大利亚等，发展代用燃料汽车的一个根本出发点就是降低石油资源消耗、平衡能源消费结构。（3）有较高的经济效益。在相同的当量热值时，世界各国一般将车用 CNG 价格与汽柴油价格的比控制在 0.5 左右。如果各类发动机的热效率接近，则天然气汽车的燃料费用大约是汽油车或柴油车的一半，这不仅弥补了由于汽车数量不断增加而引起的液体燃料供应不足，而且运行费用大幅度降低。另外
16、，我国将在近期出台燃油费改税政策，根据交通和车辆税费改革实施方案草案，汽油和柴油的燃料税征收分别为 1 元L、0.8 元L，车用 LPG 和 CNG 按与汽油的热值比例及汽油税率换算，减半征收。如果天然气和汽油的热值分别为 33.4MJ m3、31.8MJm 3，天然气税率约 0.52 元m 3，届时油气差价将在现有基础上增加近 0.5 元，CNG 在价格上将更有竞争力。（4）可延长发动机寿命。天然气容易扩散，在发动机中容易和空气混合均匀，燃烧比较完全、干净；辛烷值高，抗爆性能好，使用时不需添加抗爆剂，不容易产生积碳；不会稀释润滑油，因而使发动机汽缸内的零件磨损大大减少，使发动机的寿命和润滑油
17、的使用期限大幅度增长。所有这些都会降低汽车的保养和运行费用，从而也提高汽车使用的经济性。2、市场分析天然气汽车以低排放、抑制温室效应和摆脱对石油的依赖这三大特性，正在世界范围内得到普及和推广。截止到 2006 年 2 月的统计资料显示，全世界共有 486 万辆天然气汽车。其中，位居世界第一位的是阿根廷，保有量为 145.9 万辆；中国居世界第七位，保有量约 9.7 万辆（见表 212）。近二十多年来，世界天然气需求持续稳定增长，平均增长率保持在 2%。预计到 2020年，天然气在世界能源组成中的比重将会增加到 30%。到 21 世纪中后期，天然气在世界能源结构中的比重将超过石油，成为世界第一大
18、能源。世界许多国家生产大功率电控车用 CNG 发动机，装备于公交车和重型载重车。据欧美一些专家预测，天然气是最具发展潜力的汽车替代燃料。天然气发动机的低排放优点，也是混合动力汽车优选的内燃机类型。可以预测，在今后 510 年内，CNG 汽车的比例将会明显增长，成为我国汽车的主要品种之一。表 212 世界天然气汽车及加注站的普及情况 国家 保有量（台） CNG 加注站 国家 保有量（台） CNG 加注站阿根廷 1459236 1400 孟加拉 44534 106巴西 1035348 1176 委内瑞拉 44146 149巴基斯坦 870000 828 俄罗斯 41780 213意大利 38200
19、0 509 玻利维亚 38855 63印度 204000 198 亚美尼亚 38100 60美国 130000 1340 德国 33000 647中国 97200 357 日本 25000 289伊朗 91314 120 加拿大 20505 222乌克兰 67000 147 其他国家 114324 883埃及 63135 95 合计 4859477 8892哥伦比亚 60000 90天然气汽车在我国发展迅速。截至 2004 年底，我国正式确定的清洁汽车重点推广应用城市(地区)有 19 个，燃气汽车保有量为 215000 辆，其中使用压缩天然气的汽车已达97200 辆。从图 214 可以看出，L
20、PG（液化石油）汽车发展趋于平稳。CNG 车辆发展则呈平稳增长势头。1999 年 CNG 汽车占燃气汽车比例为 9.3%，到 2004 年时 CNG 汽车占燃气汽车比例为达 47%，几乎占了整个燃气汽车的一半，天然气汽车区域化发展模式已逐步形成。图 2-14 我国燃气汽车历年数据统计( 单位：万辆)燃气汽车及加气站在我国主要城市的推广情况（截至 2004 年底）。表 2-13 燃气汽车及加气站主要城市推广情况(截至到 2004 年底) 燃气汽车（辆） 燃气汽车加油站（座）城市（地区）LPGV CNGV LPGV CNGV北京市 32412 2089 69 27上海市 39000 175 102
21、 4天津市 760 850 12 5重庆市 18985 46四川省 52461 185海南省 515 1841 3 7乌鲁木齐 3777 5398 34 30长春市 10092 200 36 2西安市 10497 27广州市 7300 14 哈尔滨市 5789 27 济南市 2400 1400 7 3青岛市 3506 17 银川市 1436 264 6 4廊坊市 1910 5注：截至目前，北京天然气公交车保有量已达 3800 辆。可以预见，随着国内加气站网络建设的完善，天然气汽车必将得到大力推广，天然气企业和天然气汽车行业的市场空间将更为广阔。国内天然气汽车加气站稳定增长。从图 2-15 可以
22、看出，LPG 汽车和 CNG 汽车加气站均发展平稳，相比而言 CNG 车辆加气站增长速度更快些。图 2-15 我国燃气加气站历年数据统计 (单位：座)燃气汽车保有量的增加及使用率的提高极大的增加了汽车能源消耗的替代效益。据不完全统计，2004 年度 19 个重点推广应用城市( 地区 )的加气站累计出售 LPG34.8 万吨，CNG9.4 亿立方米，替代燃油达 116 万吨，能源替代效益逐步显现。重庆市自 1999 年被确立为全国首批清洁汽车示范城市以来，天然气汽车产业发展迅猛，目前全市天然气汽车保有量已达 38000 辆，主城区 25000 辆，投入使用的加气站 53 座，居全国领先水平。同时
23、，作为国内天然气汽车基础最好、发展最快的城市之一，重庆市已初步形成了天然气汽车整车及零部件、加气站成套设备、气瓶、供气装置、售气机等门类齐全的天然气汽车产业体系。重庆位于四川盆地东南部，天然气资源丰富，是我国天然气的主产区，其天然气储量约占全国 1/4。目前重庆地区已累计获得天然气探明地质储量为 7687 亿 m3，可采储量为2949 亿 m3。储采比 26.8：1；还有剩余控制储量 1898 亿 m3，剩余预测储量 3154 亿 m3。按照天然气储量及目前和规划的开采能力，重庆地区天然气的服务年限可达 50 年以上。产业发展迅速，产业规模全国领先：经过几年的发展，目前重庆市已初步形成天然气汽
24、车整车及零部件、加气站成套设备、气瓶、供气装置、售气机等门类齐全的天然气汽车研究、开发、生产体系，拥有重庆益峰高压容器有限公司、重庆气体压缩机厂等全国知名的关键设备生产厂家，部分产品市场占有率极高，详见下表 2-14。全市有 2 家整车生产企业拥有压缩天然气汽车整车生产目录，另有 25 家压缩天然气汽车改装厂、8 家维修厂。重庆产、学、研紧密结合，研发体系完善。国内燃气汽车领域的唯一一家国家工程中心 国家燃气 汽车工程技术研究中心设在重庆，该中心是全行业最重要的成果工程化转化的研发机构，它的设立体现了国家对重庆市天然气汽车发展的重视。重庆市也是我国重要的汽车开发、生产基地之一，拥有重庆汽车研究
25、所、重庆交通科研设计院、重庆大学等一批从事汽车开发的单位，具有开发天然气汽车的良好技术基础。同时，重庆市在天然气汽车推广应用中积极引进国内和国际的先进技术和产品，对于提升重庆市天然气汽车推广应用水平发挥了相当重要的作用。表 2-14 重庆市天然气汽车产业主要生产厂家年产量及市场占有率企业名称 主要产品 国内市场占有率重庆宇通客车有限公司 CNG 客车 30%重庆鼎辉汽车燃气 系统有限公司 供气转换装置关键零部件 35%重庆气体压缩机厂有限责任公司 CNG 压缩机 40%重庆益峰高压容器有限公司 CNG 气瓶 50%重庆四联加油机器有限公司、重 CNG 加气机 60%庆巨创计量设备有限公司重庆爱
26、尔机电有限公司 顺序控制盘 80%重庆具有汽车制造和玻璃纤维生产的雄厚基础，在重庆市开发压缩天然气车用气瓶具有雄厚的技术支持和广阔的市场前景，具有良好的经济效益和社会效益。3、项目规模及产品方案年产 110 升 CNG 气瓶 10 万只。4、建设条件占地面积 45000m2，厂房 30000 m2。5、工艺技术方案及设备5.1 工艺流程简介5.2 主要原材料：环氧树脂、玻璃纤维、碳纤维、酸酐固化剂5.3 技术指标主要技术参数及性能：内胆材料：铝合金 6061、6351外缠绕材料：玻璃纤维、碳纤维工作压力：20Mpa水压压力：30Mpa爆破压力：70Mpa钢管缠绕内胆涂层无损检测机加工热处理旋压
27、收口批量检验 气密性试验 水压试验 固化图 2-16 工艺流程图容 积：50120L重 量：3050kg5.4 复合材料压力容器相关国内外参照标准MILL-STD-1522 气瓶安全规范 ISO11439 2000车用压缩天然气高压气瓶 ANSI/AGANGV2-2000 DOT-CFFC Basic Requirements for Fully Wrapped carbon- fiber Reinforced Aluminum Lined Cylinders GB17258-1998车用压缩天然气钢瓶 EN12245 Transportable gas cylinder-fully wrap
28、ped composite cylinders HSE-AL-FW25.5 技术来源内衬制造设备：德国、美国或国产纤维缠绕设备：加拿大、德国、美国、国产工艺技术与质量控制：国内国内外生产复合材料压力容器的主要厂家有 Lincoln 、Dynetek 、Luxfer 、CPI、 Hydrospin、SCI、韩国 NK 公司、北京天海、中复连众沈阳公司、重庆益峰、北京科泰克、上海德坤，中材科技苏州公司等。5.6 主要生产设备主要设备：冲床、压机、旋压机、缠绕机、热处理设备、固化炉国内设备供应厂家：纤维缠绕机苏州中科时代公司、旋压机北京航空材料研究所（北京 625 所）。6、主要经济技术指标总投资：13000 万元，其中生产设备 10000 万元；厂房投资 2400 万元；土地 675 万元。年销售收入 45000 万元（110 升玻璃纤维 CNG 气瓶市场售价约 4500 元/只）材料成本，2900 元，人员工资 75 万元（30 人计）年利润总额 9245 万元，增值税 2720 万元，企业所得税约 3960 万元。
