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文 |万物喵知道

编辑 |万物喵知道

前言

我国的煤炭资源丰富，利用低质煤生产煤制天然气，可以有效利用煤炭资源，替代石油、天然气，促进国民经济的快速发展。

目前已有许多公司在进行煤制天然气的生产，煤制天然气是煤炭经气化和甲烷化等工艺转化成具有高甲烷含量(94%～96%)的燃气，亦称替代天然气(SNG，Substitute NaturalGas)。

煤制天然气SNG中本身就含有一定量的氢气，因此SNG可以综合氢气燃烧速率快、稀燃极限宽的优点，提高天然气混合气的燃烧速率和发动机性能，并降低排放。

为评估CNG车在使用SNG后的安全性，本研究主要研究了SNG作为替代燃料对天然气系统零部件性能的影响。

试验方案

SNG的选取国内现在的煤制天然气SNG中基本都含有大约6%(体积)的氢气，因此选取94%CH4+6%H2(体积)的混合气来进行各项试验。

目前常用的高压CNG气瓶是34CrMo4材质的高压气瓶，本试验选取3个同批次生产的高压CNG气瓶，进行SNG对高压CNG气瓶的腐蚀性试验。

目前车用燃气件中用作密封及减压的橡胶材料均是氰化丁腈橡胶，本试验选用O形圈、减压器膜片、橡胶管等作为试验样件，用于溶胀性试验。

试验中选用的塑料件，是车用燃气系统中与SNG有接触的零部件中所涉及的塑料件作为样件，主要有减压器中的进气阀芯尼龙1010，高压电磁阀中阀芯胶垫聚三氟氯乙烯，充气阀的密封垫聚四氟乙烯，以及喷嘴密封垫聚甲醛，用于腐蚀性试验。

根据SNG在使用过程中除去气瓶外，所接触的常用金属材料，选择用制造阀类、管路的黄铜、不锈钢、碳素钢，减压器、混合器中的铝件。

本试验中选取三通接头(H59)、高压钢管(2CＲ13304321)、卡套帽(45号钢)、高压电磁阀弹簧(65Mn)、混合器衬板(YL112)作为试验样件，并对试验用的金属试片均进行表面氧化层磨光处理，用于进行腐蚀性试验。

试验方法

选取3个同批次生产的同容积高压气瓶，进行SNG对高压气瓶的腐蚀性试验。试验方案如表1所示。

按照ISO11439：2000《气瓶车用天然气高压气瓶》标准，对气瓶2和3分别进行水压爆破试验和常温压力疲劳循环试验;

之后在气瓶1和做完常温压力疲劳循环试验后的气瓶3上截取样品，按照ISO11439：2000和GB/T232：2010，对气瓶进行力学性能试验；而ISO11439：2000标准中并没有金相检测的要求。

综合考虑实际使用状况，并按照GB17258：2011《汽车用压缩天然气钢瓶》的要求，对试验气瓶增加金相测试，并按照GB/T13298：91和GB/T 224：2008金相检测试验方法进行。

通过以上四项试验检测来判断SNG对气瓶的腐蚀性影响，将选取的与SNG接触的橡胶、塑料、金属等零部件放入密闭容器内。

在容器内充装SNG气体，放置一定的时间，试验方案如表2所示。

通过测定金属试件在SNG中常温浸泡450d后的质量变化率及外观变化，来判断SNG对金属的腐蚀性影响。

通过测定橡胶试件在SNG中常温浸泡450d的质量、内径和截面径变化率，来判断SNG对橡胶的溶胀性影响。

通过测定塑料试件在SNG中常温浸泡450d后的质量、直径和厚度变化率来判断SNG对塑料的溶胀性影响。

测量数据

定义质量变化率为Vm=(mi－m0)/m0×100%，式中：m0为浸入SNG前的试样质量，mi为浸泡后取出时的试样质量。

内径变化率为VD=(Di－D0)/D0×100%，式中：D0为浸入SNG前的试样质量，Di为浸泡后取出时的试样质量。

截面径变化率为Vd=(di－d0)/d0×100%，式中：d0为浸入SNG前的试样质量，di为浸泡后取出时的试样质量。

直径变化率为Vf=(fi－f0)/f0×100%，式中：f0为浸入SNG前的试样直径，fi为浸泡后取出时的试样直径。

厚度变化率为Vh=(hi－h0)/h0×100%，式中：h0为浸入SNG前的试样厚度，hi为浸泡后取出时的试样厚度。

体积变化率为VV=(Vi－V0)/V0×100%，式中：V0为浸入SNG前的试样体积，Vi为浸泡后取出时的试样体积。

质量测量采用电子天平(精度为1mg)，内径、截面径、直径和厚度测量采用游标卡尺(精度为0．01mm)，体积采用量杯测量(精度约0．1mL)。

实验分析

按照ISO11439：2000标准要求对3号气瓶进行水压爆破试验，实测爆破压力为58．62MPa，高于标准中要求的45MPa，符合ISO11439：2000的规定。

按照ISO11439：2000标准要求对2号进行常温压力循环试验，压力循环曲线如图1所示，压力循环至15000次气瓶未泄漏，再加压循环至45000次无失效，满足ISO11439：2000标准中15年使用寿命的要求。

按照ISO11439：2000和GB/T232：2010，对从气瓶1和做完常温压力疲劳循环试验后的气瓶2上截取样品，分别进行拉伸、弯曲、冲击等力学性能试验，其中气瓶1与气瓶3试验样件的拉伸试验数据对比如表3所示、弯曲试验对比如表4所示、冲击试验数据对比如表5所示。

从表3数据中可以看出，充装SNG的气瓶2比充装空气的气瓶1的拉伸力学性能都有所下降，其中抗拉强度减小了2．6%、屈服强度减少了2．3%、屈强比上升了1．1%、延伸率上升了3．1%，但是差异很小，因此SNG对气瓶的拉伸力学性能影响很小。

从表4可以看出，SNG对气瓶的弯曲力学性能无影响;从表5可以看出，充装SNG的气瓶2比充装空气的气瓶1的抗冲击力学性能有所下降，其中冲击值αK下降了4．9%。

但是大于标准中要求的值，因此SNG对气瓶的冲击力学性能影响很小。综上所述，充装SNG的气瓶2的各项力学性能满足相应标准的要求，因此SNG对气瓶的力学性能影响很小。

按照GB/T 13298:91和GB/T 224:2008规定的试验方法，对从气瓶1和做完常温压力疲劳循环试验后的气瓶3上截取的气瓶样品分别进行金相检测试验。

其中气瓶1与气瓶3试验样件的显微组织对比照片如图2所示、检测项目及结果如表6所示。

由表6和图2可以看出，充装SNG的气瓶2与充装空气的气瓶1的金相组织差异都很小，并且也满足标准中组织呈回火索氏体、脱碳层内壁不得超过0．3mm、外壁不得超过0．24mm的要求，因此SNG对气瓶的金相组织影响很小，可以忽略不计。

橡胶

氢化丁腈橡胶具有良好耐油性能(对燃料油、润滑油、芳香系溶剂耐抗性良好)，并且由于其高度饱和的结构，使其具有良好的耐热性能，优良的耐化学腐蚀性能(对氟利昂、酸、碱都具有良好的抗耐性)优异的耐臭氧性能，较高的抗压缩永久变形性能。

同时氢化丁腈橡胶还具有高强度，高撕裂性能、耐磨性能优异等特点，是综合性能极为出色的橡胶之一。燃气汽车零部件中大量采用了氢化丁腈橡胶。

本试验选择了两种膜片，分别是减压器用的膜片1、2，在装有SNG的密闭容器中浸泡450d试验后，它们的质量、直径和厚度的变化率如图3a所示，外观变化如图3b所示。

从图3a中可以看出每种膜片的质量变化率都小于1%、直径变化率都小于5%、厚度变化率都小于10%;

从图3b中可以看出每种膜片的外形也没有明显变化，满足GB/T20735:2006《汽车用压缩天然气减压调节器》中相关要求，因此SNG对所选用减压器膜片的影响在标准要求的范围内，满足实际需要。

我们选择了五种O型圈，分别是减压器用的O型圈1、2和喷嘴用O型圈3、4、5，在装有SNG的密闭容器中浸泡450d试验后，他们的质量、直径、外径和内径的变化率如图4所示。

从图4中可以看出每种O型圈的质量变化率都小于5%、直径变化率都小于10%、外径和内径变化率都小于10%，满足GB/T20735:2006中相关要求，所以SNG对各种O型圈的影响都在标准要求范围内，满足实际需要。

继续选择五种橡胶管，分别是减压器用的橡胶管1、2、3和喷嘴用橡胶管4、5，在装有SNG的密闭容器中浸泡450d试验后，它们的质量、直径和厚度的变化率如图5所示。

从图5中可以看出各种橡胶管的质量变化率小于5%、直径变化率小于10%、体积变化率都小于10%，满足GB/T20735:2006中相关要求，所以SNG对各种橡胶管的影响都在标准要求范围内，满足实际需要。

试验选取了减压器中的进气阀芯尼龙1010、高压电磁阀中阀芯胶垫聚三氟氯乙烯、充气阀中的密封垫聚四氟乙烯、以及喷嘴中的密封垫聚甲醛作为试验件，在装有SNG的密闭容器中浸泡450d试验后，他们的质量、直径和厚度的变化率如图6所示。

从图6中可以看出每种塑料的质量变化率都小于5%、直径变化率都小于1%、厚度变化率都小于10%，可以认为质量、直径和厚度变化率都很小，因此SNG对各种塑料几乎无溶胀影响。

本试验中选取三通接头H59、高压钢管2Cr13、卡套帽45号钢、高压电磁阀弹簧65Mn、混合器衬板YL112作为试验样件，在装有SNG的密闭容器中浸泡450d试验后，它们的质量变化率如图7所示。

从上图可以看出，SNG对45号钢的质量影响最大，对其他各种金属的质量几乎没有影响，满足GB/T20735:2006中相关要求，通过目测观察各种金属的表面也无明显变化，因此SNG对各种金属的影响都在标准要求范围内，满足实际需要。

结论

通过以上实验，我们可以得出下面几项结论：

1)通过对气瓶进行水压爆破试验、常温压力疲劳循环试验、力学性能试验和金相检测试验等四项检测试验证明SNG对气瓶的力学性能和金相组织影响很小，满足相关标准要求，CNG气瓶充装SNG是安全的;

2)根据相关标准进行的SNG对橡胶件的溶胀性试验结果表明，SNG对所选用的橡胶件几乎无影响;

3)SNG对4种不同材质的塑料件溶胀性试验结果表明，SNG对它们影响很小，满足相关标准的要求;

4)通过试验检测及观测各种在SNG中浸泡后的金属部件质量变化率几乎为零、其表面均无明显变化，因此SNG对各种金属的腐蚀性影响几乎可以忽略不计。