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摘要：液化天然气汽车符合国家绿色节能与推进新能源汽车产业发展两大战略的总体要求，是我国推进国家绿色可持续发展两大战略的延伸，车用液化天然气气瓶阀门是车用液化天然气气瓶的重要组成，有必要对其安全性进行深入探析。
Abstract： Liquefied Natural Gas meets the requirements of the National Strategies for Green Energy Conservation and the promotion of the development of the new energy automobile industry， and is an extension of our national strategies for the promotion of green and sustainable development， the valve is an important part and it is necessary to analyze its safety.
关键词：汽车;液化天然气瓶;阀门;安全
Key words： vehicle;liquefied natural gas;valve;safety
中图分类号：U472.4 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）12-0160-02
0 引言
随着世界经济的飞速发展，汽车持有量的急剧增加在给人们带来了极大便利的同时，由于其消耗大量的石油资源、排出大量的有害气体，对人类的生存环境造成较大的危害，成为环境的主要污染源。为解决这一问题，人们一直在寻求改变能源结构、采用低污染的汽车代用燃料的途径。
天然气汽车因其良好的排放特性及丰富的燃料储量而成为各种代用燃料汽车的首选。按照天然气的化学成分和形态，天然气汽车可分为压缩天然气和液化天然气汽车两种。液化天然气，采用低温液态、常压存储运输，所携带的有效燃料将比压缩天然气汽车高出2～3倍，可减少燃料系统的尺寸及质量，增大车辆有效载荷及一次加气后的续驶里程。LNG汽车受到行业的关注，主要是因为液化天然气汽车具有能量密度大、运输方便、甲烷含量高，比压缩天然气更纯净、安全性能好、冷能可回收利用等几大优势。
液化天然气不但适用于城市公交车，也适用于大型货运车辆和城际大巴，尤其是长途车辆，液化天然气代表着天然气汽车发展的主流方向。近年来，随着环保政策的大力推行，使用清洁燃料的天然气汽车增加了许多。
但液化天然气阀门在使用过程中同时包含耐压（4MPa）与低温（-162℃）两种工况，如对其操作不当，可能导致燃料泄漏、车祸甚至爆炸的事故。所以液化天然气瓶阀门是非常重要的安全部件之一。
为保证液化天然气气瓶阀在气瓶鉴定的周期内能够安全可靠的实现其设计功能，需要从设计制造、使用环境、安装及操作使用三个方面考虑其安全性。
1 设计制造
1.1 外形設计
液化天然气气瓶阀门使用的系统可大致分为气瓶、管道和阀门三部分，其中气瓶内胆与外壳之间为真空层，且填充了良好的绝热材料、管道外也缠绕有绝热材料，而阀门由于外形复杂，同时需要人工操作，无法进行绝热处理，其在整个系统中会成为明显的热源，气瓶内热量的损失不仅将使气瓶内的液态天然气气化后由安全阀排放至大气，造成燃料的浪费，如果热损失的速率过快可能造成气瓶内压力急剧升高，存在气瓶破裂的隐患。设计时应通过尽量减小阀门体积的方法来减小系统的热损失。
气瓶瓶体与管道均为管状结构，在气瓶内的低温与环境的高温交变作用下，其各部分的变形均匀一致。阀门由于要实现开闭功能，形状结构复杂，存在结构的突变，这种结构上的突变在因温度变化而变形时，可能在阀门材料内产生巨大的内应力，造成阀门因强度或疲劳破裂。阀门在设计时，外形变化处应尽量圆滑过渡，同时在可能出现应力破坏处适当补强。
1.2 材料选取
液化天然气气瓶内介质温度为-162℃，最大耐压为4MPa，阀门主体使用的金属材料在与液态天然气接触后出现低温脆性，造成阀门的强度与寿命降低。同时理论上能够使用于低温的材料，在低温时可能发生相变，造成材料的机械性能变化。金属材料组织在低温下的稳定性对于阀门的安全性同样至关重要，且容易被忽略。
天然气虽然经过脱硫、脱水处理，但其中可能仍会残留一定量的硫化物与水。阀门的金属材料长期与硫化物接触，将发生腐蚀。一方面腐蚀会减小阀体的壁厚，降低阀体的强度，造成破裂;另一方面腐蚀物会从金属基体上脱落，成为系统内的杂质，影响阀门的运动与密封。
液化天然气气瓶阀门可能选取非金属材料作为动密封与静密封的材料。非金属的类型可能为塑料或橡胶。使用塑料密封时，往往需要将塑料材料压缩至产生部分塑性变形，相对于金属材料，塑料更容易发生蠕变造成泄漏。为防止这种故障，往往需要对塑料材料进行改性，在塑料材料内填充玻璃纤维或二硫化钼等物质。使用橡胶材料密封时，橡胶材料只发生弹性变形，不易发生变形，但其在高压条件下的急速泄压过程中可能发生撕裂，同时橡胶材料容易与天然气或天然气中所含的杂质发生溶胀，使阀门的使用寿命降低。 2 使用环境
2.1 化学品侵蚀
液化天然气气瓶阀门在实际生产使用或者运行过程中，长期遭受强烈寒风和强酸雨等有害环境的侵蚀。环境中的化学物质会与阀门直接发生化学反应，腐蚀阀门的外表面，引起阀体断裂、溶解、松动等故障;特别是阀门外形容易积存雨水及环境异物的位置，长时间受到化学腐蚀，将会造成阀体壁厚大幅度的减薄，引起阀体变形或者凹坑等不良后果。
2.2 大气侵蚀
液化天然气气瓶阀门长期直接暴露在强烈阳光及干燥大气中，外层及表面将被氧化，直接导致发生松动、断裂，大大降低阀门的使用强度，影响其安全使用性能。
2.3 外力作用
液化天然气气瓶阀门在装配、使用、搬运等运输过程中，由于操作不当或者汽车本身可能发生安全事故等不良影响，会直接造成阀门受到强烈冲击、碰撞、磨损、过热等损伤，导致阀体发生松动、断裂、等不良后果，大大降低阀门的安全使用性能。
3 安装操作
3.1 安装不规范
阀门与管路使用螺纹连接时，为保证连接处的密封效果，装配人员往往使用过大的拧紧力矩，当阀门通入低温介质材料收缩变形，进一步加大了螺纹的受力，造成螺纹材料松弛甚至断裂。
3.2 私自改装燃气设备
目前，随着国内汽油、柴油产品价格的不断提高，燃气与天然气的使用成本水平差异已经比较明显。有些单位或者为节约燃料成本，在燃油动力系统上增装燃气设备。由于改装厂家的不规范操作，改装用的很多是几年前淘汰的天然气阀门，甚至将报废车辆上的燃气专用阀门重新安装使用，必然为阀门的使用埋下诸多安全隐患。
3.3 加气站安全措施不到位
目前，有些单位自有加气站仍存在人员安全意识淡薄、生产责任管理制度不健全、操作规范落实不力等诸多突出安全问题。大型车辆振动碰撞产生火花等多种原因均易引起爆炸事故。
4 改进措施
4.1 设计环节
关于车载液化天然气气瓶阀门，我国有较为完善的国家标准，必须依据国家标准进行设计。在阀门压力下的极限作用范围下（根据整体载荷、位移的有限边界应力条件图以及其中含有限元素的网格流程图，用整体应力模型分析的数学方法，计算阀门在爆破压力、工作试验压力、水压试验工作压力和重新设计最小爆破试验压力下，阀门和金属内胆封头中的整体应力，根据整体应力模型分析，确定最小可优化的整体结构。同时，计算阀门在公称水压试验工作压力下的安全泄漏排放量，正确选择安全泄漏排放装置。
4.2 安装环节
车载液化天然气气瓶阀门通入的介质为低温液态，安装时应严格保证阀门要求的安装方向，防止低温液态介质在阀体内形成气穴。阀门不宜突出瓶体过多，防止周转使用过程中造成磕碰。螺纹连接的拧紧力矩严格按照技术要求执行。
4.3 加强材料质量检验
阀门作为一个承压元件，强度是最基本与关键的一个指标。影响阀门可靠性和使用时间长短的重要指标就是材料的质量。车载液化天然气气瓶阀门的承压部件均需要锻造成型，如果制造的质量得不到保证，就会影响到阀门的可靠性和寿命。我国与相关标准大多时候都很低，为了确保材料可以在严峻的状况下工作、作业，就需要在标准中设置多种选择性附加检验项目（比如材质成分分析、材质力学性能、材质硬度等），阀门的壳体检测要对阀体和阀盖等全部的阀门外壳实施检测，其是为了可以探究出阀体和阀盖之间的致密性以及位于连接区域的质量综合效果检验。每个阀门在生产后都需要展开壳体检验，在检查前，不能够对阀门喷涂油漆或者其他防渗漏的涂层。设计工作者要按照使用条件来挑选这些材料，若要求不符，就会浪费很多投资。
5 结束语
列举了目前车用液化天然气气瓶阀门生产制造时常见的一些安全问题及其对车用液化天然气气瓶阀门安全生产质量发展带来的主要影响，涉及到的环节种类较多，如产品设计、工艺、材料、热处理、检验与安全试验。
一般来说，车用液化天然气气瓶阀门设计制造数量大、工序多、加工过程难度较大，且连续性强，每一个加工环节一旦出现质量偏差均会对下一道工序乃至阀门最终加工质量产生较大的影响，因此在两个关键方面必须引起高度重视：对于各制造单位而言，应充分认识到建立质量安全保证体系的重要性，不断提高质量保证体系生产运转水平，加强技术人员管理能力，更新生产设备，改进操作方法;车用液化天然气气瓶阀门制造监督质量检验检测机构及相关监检工作人员，需仔细研读当前相关质量规范、标准，深入现场，及时掌握获取第一手质量信息，才能准确深刻把握当前车用天然气气瓶阀门设计制造的全过程以及质量安全保证体系实际运行过程存在的问题，有针对性的采取措施，同时需充分发挥第三方质量检验检测机构的监督作用，保证监检工作质量。
参考文献：
[1]张红星，江华生.车用压缩天然气阀门的研究概况[J].石油和化工设备，2011，14（10）：5-8.
[2]许久胜.车用压缩天然气钢瓶内胆纵向沟槽产生原因及对策[J].石油和化工设备，2013，16（5）：66-67.
[3]张应禄.车用天然气继绕阀门安全分析[J].天然气工业，2009，29（4）：102-104.
[4]孙脉梅，黄贞益.3C-Mo钢质无缝阀门的热处理工艺研究[J].机械工程师，2009（8）：37-38.
[5]卢军，王雄，栗丽.浅谈车用压缩天然气气瓶的安全使用[J].内蒙古石油化工，2016，42（05）：75-76.
[6]高润泽，阳冬波.液化天然气（LNG）汽车日常检查方法及维护技术综述[J].交通节能与环保，2015，10（25）：17-25.
[7]顾国安，等.液化天然气技术[M].北京：机械工业出版社，2001.
[8]高云.车用液化天然气气瓶自增压裝置的设计优化[J].低温与超导，2015，43（9）：32-36.
Abstract： Liquefied Natural Gas meets the requirements of the National Strategies for Green Energy Conservation and the promotion of the development of the new energy automobile industry， and is an extension of our national strategies for the promotion of green and sustainable development， the valve is an important part and it is necessary to analyze its safety.
关键词：汽车;液化天然气瓶;阀门;安全
Key words： vehicle;liquefied natural gas;valve;safety
中图分类号：U472.4 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）12-0160-02
0 引言
随着世界经济的飞速发展，汽车持有量的急剧增加在给人们带来了极大便利的同时，由于其消耗大量的石油资源、排出大量的有害气体，对人类的生存环境造成较大的危害，成为环境的主要污染源。为解决这一问题，人们一直在寻求改变能源结构、采用低污染的汽车代用燃料的途径。
天然气汽车因其良好的排放特性及丰富的燃料储量而成为各种代用燃料汽车的首选。按照天然气的化学成分和形态，天然气汽车可分为压缩天然气和液化天然气汽车两种。液化天然气，采用低温液态、常压存储运输，所携带的有效燃料将比压缩天然气汽车高出2～3倍，可减少燃料系统的尺寸及质量，增大车辆有效载荷及一次加气后的续驶里程。LNG汽车受到行业的关注，主要是因为液化天然气汽车具有能量密度大、运输方便、甲烷含量高，比压缩天然气更纯净、安全性能好、冷能可回收利用等几大优势。
液化天然气不但适用于城市公交车，也适用于大型货运车辆和城际大巴，尤其是长途车辆，液化天然气代表着天然气汽车发展的主流方向。近年来，随着环保政策的大力推行，使用清洁燃料的天然气汽车增加了许多。
但液化天然气阀门在使用过程中同时包含耐压（4MPa）与低温（-162℃）两种工况，如对其操作不当，可能导致燃料泄漏、车祸甚至爆炸的事故。所以液化天然气瓶阀门是非常重要的安全部件之一。
为保证液化天然气气瓶阀在气瓶鉴定的周期内能够安全可靠的实现其设计功能，需要从设计制造、使用环境、安装及操作使用三个方面考虑其安全性。
1 设计制造
1.1 外形設计
液化天然气气瓶阀门使用的系统可大致分为气瓶、管道和阀门三部分，其中气瓶内胆与外壳之间为真空层，且填充了良好的绝热材料、管道外也缠绕有绝热材料，而阀门由于外形复杂，同时需要人工操作，无法进行绝热处理，其在整个系统中会成为明显的热源，气瓶内热量的损失不仅将使气瓶内的液态天然气气化后由安全阀排放至大气，造成燃料的浪费，如果热损失的速率过快可能造成气瓶内压力急剧升高，存在气瓶破裂的隐患。设计时应通过尽量减小阀门体积的方法来减小系统的热损失。
气瓶瓶体与管道均为管状结构，在气瓶内的低温与环境的高温交变作用下，其各部分的变形均匀一致。阀门由于要实现开闭功能，形状结构复杂，存在结构的突变，这种结构上的突变在因温度变化而变形时，可能在阀门材料内产生巨大的内应力，造成阀门因强度或疲劳破裂。阀门在设计时，外形变化处应尽量圆滑过渡，同时在可能出现应力破坏处适当补强。
1.2 材料选取
液化天然气气瓶内介质温度为-162℃，最大耐压为4MPa，阀门主体使用的金属材料在与液态天然气接触后出现低温脆性，造成阀门的强度与寿命降低。同时理论上能够使用于低温的材料，在低温时可能发生相变，造成材料的机械性能变化。金属材料组织在低温下的稳定性对于阀门的安全性同样至关重要，且容易被忽略。
天然气虽然经过脱硫、脱水处理，但其中可能仍会残留一定量的硫化物与水。阀门的金属材料长期与硫化物接触，将发生腐蚀。一方面腐蚀会减小阀体的壁厚，降低阀体的强度，造成破裂;另一方面腐蚀物会从金属基体上脱落，成为系统内的杂质，影响阀门的运动与密封。
液化天然气气瓶阀门可能选取非金属材料作为动密封与静密封的材料。非金属的类型可能为塑料或橡胶。使用塑料密封时，往往需要将塑料材料压缩至产生部分塑性变形，相对于金属材料，塑料更容易发生蠕变造成泄漏。为防止这种故障，往往需要对塑料材料进行改性，在塑料材料内填充玻璃纤维或二硫化钼等物质。使用橡胶材料密封时，橡胶材料只发生弹性变形，不易发生变形，但其在高压条件下的急速泄压过程中可能发生撕裂，同时橡胶材料容易与天然气或天然气中所含的杂质发生溶胀，使阀门的使用寿命降低。 2 使用环境
2.1 化学品侵蚀
液化天然气气瓶阀门在实际生产使用或者运行过程中，长期遭受强烈寒风和强酸雨等有害环境的侵蚀。环境中的化学物质会与阀门直接发生化学反应，腐蚀阀门的外表面，引起阀体断裂、溶解、松动等故障;特别是阀门外形容易积存雨水及环境异物的位置，长时间受到化学腐蚀，将会造成阀体壁厚大幅度的减薄，引起阀体变形或者凹坑等不良后果。
2.2 大气侵蚀
液化天然气气瓶阀门长期直接暴露在强烈阳光及干燥大气中，外层及表面将被氧化，直接导致发生松动、断裂，大大降低阀门的使用强度，影响其安全使用性能。
2.3 外力作用
液化天然气气瓶阀门在装配、使用、搬运等运输过程中，由于操作不当或者汽车本身可能发生安全事故等不良影响，会直接造成阀门受到强烈冲击、碰撞、磨损、过热等损伤，导致阀体发生松动、断裂、等不良后果，大大降低阀门的安全使用性能。
3 安装操作
3.1 安装不规范
阀门与管路使用螺纹连接时，为保证连接处的密封效果，装配人员往往使用过大的拧紧力矩，当阀门通入低温介质材料收缩变形，进一步加大了螺纹的受力，造成螺纹材料松弛甚至断裂。
3.2 私自改装燃气设备
目前，随着国内汽油、柴油产品价格的不断提高，燃气与天然气的使用成本水平差异已经比较明显。有些单位或者为节约燃料成本，在燃油动力系统上增装燃气设备。由于改装厂家的不规范操作，改装用的很多是几年前淘汰的天然气阀门，甚至将报废车辆上的燃气专用阀门重新安装使用，必然为阀门的使用埋下诸多安全隐患。
3.3 加气站安全措施不到位
目前，有些单位自有加气站仍存在人员安全意识淡薄、生产责任管理制度不健全、操作规范落实不力等诸多突出安全问题。大型车辆振动碰撞产生火花等多种原因均易引起爆炸事故。
4 改进措施
4.1 设计环节
关于车载液化天然气气瓶阀门，我国有较为完善的国家标准，必须依据国家标准进行设计。在阀门压力下的极限作用范围下（根据整体载荷、位移的有限边界应力条件图以及其中含有限元素的网格流程图，用整体应力模型分析的数学方法，计算阀门在爆破压力、工作试验压力、水压试验工作压力和重新设计最小爆破试验压力下，阀门和金属内胆封头中的整体应力，根据整体应力模型分析，确定最小可优化的整体结构。同时，计算阀门在公称水压试验工作压力下的安全泄漏排放量，正确选择安全泄漏排放装置。
4.2 安装环节
车载液化天然气气瓶阀门通入的介质为低温液态，安装时应严格保证阀门要求的安装方向，防止低温液态介质在阀体内形成气穴。阀门不宜突出瓶体过多，防止周转使用过程中造成磕碰。螺纹连接的拧紧力矩严格按照技术要求执行。
4.3 加强材料质量检验
阀门作为一个承压元件，强度是最基本与关键的一个指标。影响阀门可靠性和使用时间长短的重要指标就是材料的质量。车载液化天然气气瓶阀门的承压部件均需要锻造成型，如果制造的质量得不到保证，就会影响到阀门的可靠性和寿命。我国与相关标准大多时候都很低，为了确保材料可以在严峻的状况下工作、作业，就需要在标准中设置多种选择性附加检验项目（比如材质成分分析、材质力学性能、材质硬度等），阀门的壳体检测要对阀体和阀盖等全部的阀门外壳实施检测，其是为了可以探究出阀体和阀盖之间的致密性以及位于连接区域的质量综合效果检验。每个阀门在生产后都需要展开壳体检验，在检查前，不能够对阀门喷涂油漆或者其他防渗漏的涂层。设计工作者要按照使用条件来挑选这些材料，若要求不符，就会浪费很多投资。
5 结束语
列举了目前车用液化天然气气瓶阀门生产制造时常见的一些安全问题及其对车用液化天然气气瓶阀门安全生产质量发展带来的主要影响，涉及到的环节种类较多，如产品设计、工艺、材料、热处理、检验与安全试验。
一般来说，车用液化天然气气瓶阀门设计制造数量大、工序多、加工过程难度较大，且连续性强，每一个加工环节一旦出现质量偏差均会对下一道工序乃至阀门最终加工质量产生较大的影响，因此在两个关键方面必须引起高度重视：对于各制造单位而言，应充分认识到建立质量安全保证体系的重要性，不断提高质量保证体系生产运转水平，加强技术人员管理能力，更新生产设备，改进操作方法;车用液化天然气气瓶阀门制造监督质量检验检测机构及相关监检工作人员，需仔细研读当前相关质量规范、标准，深入现场，及时掌握获取第一手质量信息，才能准确深刻把握当前车用天然气气瓶阀门设计制造的全过程以及质量安全保证体系实际运行过程存在的问题，有针对性的采取措施，同时需充分发挥第三方质量检验检测机构的监督作用，保证监检工作质量。
参考文献：
[1]张红星，江华生.车用压缩天然气阀门的研究概况[J].石油和化工设备，2011，14（10）：5-8.
[2]许久胜.车用压缩天然气钢瓶内胆纵向沟槽产生原因及对策[J].石油和化工设备，2013，16（5）：66-67.
[3]张应禄.车用天然气继绕阀门安全分析[J].天然气工业，2009，29（4）：102-104.
[4]孙脉梅，黄贞益.3C-Mo钢质无缝阀门的热处理工艺研究[J].机械工程师，2009（8）：37-38.
[5]卢军，王雄，栗丽.浅谈车用压缩天然气气瓶的安全使用[J].内蒙古石油化工，2016，42（05）：75-76.
[6]高润泽，阳冬波.液化天然气（LNG）汽车日常检查方法及维护技术综述[J].交通节能与环保，2015，10（25）：17-25.
[7]顾国安，等.液化天然气技术[M].北京：机械工业出版社，2001.
[8]高云.车用液化天然气气瓶自增压裝置的设计优化[J].低温与超导，2015，43（9）：32-36.