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第 60 卷第 4 期2023 年 8 月化工设备与管道PROCESS EQUIPMENT&PIPINGVol.60No.4Aug.2023第 60 卷第 4 期2023 年 8 月Vol.60No.4Aug.2023祖宁，等压力容器国内外车用压缩天然气钢瓶标准在制造检验方面的对比分析祖宁，张宇平，李雪峥，于承泽（天津市特种设备监督检验技术研究院，国家市场监管重点实验室（特种设备数字孪生共性技术），天津 300192）摘 要：盛装压缩天然气的气瓶是压缩天然气汽车关键部件之一，其中 CNG-1 型气瓶使用最为广泛。目前，国内外关于 CNG-1 型气瓶的标准主要有 ANSI NGV2-2007、ISO 114392013、ECE R1102014 和 GB/T 172582011。文章对这几项标准在 CNG-1 型瓶的适用范围、材料和检验方面进行了对比分析，阐述了它们之间的异同点，以便提高检验效率，保障安全使用，同时也为国内 CNG-1 型气瓶往轻量化、低成本方向发展提供了一点思考。关键词：车用压缩天然气气瓶；气瓶标准；抗拉强度保证值中图分类号：TH 49 文献标志码：A 文章编号：1009-3281（2023）04-0001-005收稿日期：2021-12-30作者简介：祖宁（1986），女，高级工程师，硕士。主要从事压力容器监督检验技术工作及研究。近些年，世界各国对能源短缺和环境污染问题的重视程度不断提高，压缩天然气汽车成为汽车工业发展的趋势。盛装压缩天然气的气瓶是压缩天然气汽车关键部件之一，受到世界各组织、政府的高度重视，一系列国际标准和国家标准相继出台，以确保其安全可靠 1。1992 年，美国颁布了 ANSI/CSA NGV21992车用压缩天然气高压气瓶，现已更新至 ANSI NGV22007 车用压缩天然气高压气瓶，该标准是美国对CNG气瓶多年使用经验总结的成果，第一次将 CNG 气瓶按照材料和结构的不同分为四类；2000 年，国际标准化委员会颁布了 ISO 114392000车用压缩天然气高压气瓶，并于 2013 年推出新版 ISO 114392013车用压缩天然气高压气瓶；2009 年，欧洲经济委员会颁布 ECE R 110，现已更新为 ECE R1102014车用推进系统应用压缩天然气的特定部件；20 世纪 80 年代，我国开始出现使用钢制气瓶的压缩天然气汽车，1998 年，在近 20 年的研制基础上，颁布了适合我国国情的 GB 172581998汽车用压缩天然气钢瓶，现已更新至 GB/T 172582011汽车用压缩天然气钢瓶 2。目前车用压缩天然气瓶主要分为四类，其中CNG-1 型气瓶制造成本低，研制和使用经验丰富，在多种车用压缩天然气瓶中是市场占有量最大的。本文主要对比分析了标准 GB/T 172582011汽车用压缩天然气钢瓶、ISO 114392013车用压缩天然气高压气瓶、ECE R1102014车用推进系统应用压缩天然气的特定部件和 ANSI NGV22007车用压缩天然气高压气瓶四项标准中关于 CNG-1 型气瓶钢瓶制造检验要求方面的差异。笔者认为该研究内容具有以下意义：（1）随着我国 CNG 气瓶出口量的不断增大，一些 CNG 气瓶制造企业根据客户需求，生产同时满足多个标准的同批次气瓶，这就给制造和监督检验环节带来了更多的重复性工作。通过对比分析，明确了检验的重要环节，减少了一些重复性环节，不但节约了制造成本，也提高了检验和监检效率。（2）对于在我国境内使用的外标气瓶，能够更好地评估与我国规程标准的符合性，从而保证使用过程中的安全性。（3）通过对比分析，有利于提升我国气瓶国际竞争力，并帮助企业取得国际标准的认证。目前，氢能汽车是各国汽车工业的发展趋势，我国已有关于高压氢气瓶的标准 GB/T 355442017车用压缩氢气第 60 卷第 4 期 2 化工设备与管道铝内胆碳纤维全缠绕气瓶 3，该标准很好地体现了接下来国内高压气瓶标准的趋势。本文也结合了该标准对制造和检验项目的要求，通过对 CNG-1 型气瓶的标准对比分析，更好地了解和掌握国内外标准制定思路的差别，结合我国国情，对相关标准的制定提供一些启示。1 国内外 CNG-1 型气瓶标准制造检验要求对比1.1 基本设计参数及使用寿命的规定几项标准关于压缩天然气钢瓶基本设计参数及使用寿命的规定如表 1 所示。为了便于比较，已换算成一致的计量单位。通过表 1 对比可以看出，几种标准在工作温度方面的规定几乎没有区别，水容积方面国标明确要求控制在 30 300 L 之间；使用寿命方面，为了避免其使用寿命超过汽车强制报废年限而造成资源浪费，我国车用高压燃料气瓶的设计使用寿命通常与机动车强制报废年限相同，一般为 15 年。此外，各标准给出了设计充装次数，国标中未明确提及，但提出钢瓶应能承受 15 000 次的压力循环试验过程。表 1 基本设计参数和使用寿命Table 1 Basic design parameters and service life工作温度/水容积/L公称工作压/MPa（基准温度）使用寿命/年设计充装次数GB/T 172582011-40 6530 30020（20）15疲劳试验要求能承受 15 000 次压力循环过程ISO 114392013-40 65无要求20（15）20至少保证 1 000 次/年ECE R1102014-40 65无要求20（15）20至少保证 1 000 次/年，至少能充装 15 000 次ASNI NGV22007-40 57 1 00020.7 或 24.8（21）10 25至少为设计使用年限 750 次1.2 组批原则的规定几项标准在组批数量的规定方面没有区别，均为不大于200只加破坏瓶数量。具体区别有以下几点：（1）瓶体材料方面，GB/T 172582011，ECE R1102014 和 ASNI NGV22007 规定必须为同一炉罐号钢，ISO 114392013 未作此要求，仅规定为指定材料即可。另外 GB/T 172582011 规定钢瓶制造单位在制造前应按炉罐号对材料进行化学成分分 析。（2）规格尺寸方面，几项标准规定组批气瓶必须具有相同外径、壁厚。ISO 114392013 规定必须为完全相同尺寸（包括瓶体长度）的组批，GB/T 172582011 规定瓶体长度增加在 50%以内的可以组批，ECE R1102014 和 ASNI NGV22007 规定瓶体长度增加 50%以内可以组批。（3）热处理方面，几项标准规定同批次气瓶具有相同的热处理工艺。GB/T 172582011 和 ISO 114392013 要求同一批气瓶必须经过连续热处理；ECE R110 2014 和 ASNI NGV22007 没有做出连续热处理的要求，仅要求具有相同的时间、温度和气氛条件即可。与其他标准对比可看出，GB/T 172582011 对进厂材料的检验更加严格；在规格尺寸方面，ISO 114392013 的要求最为严格，要求同批次钢瓶长度必须一致，GB/T 172582011 要求钢瓶长度在一定范围内即可组批生产；在热处理过程方面，GB/T 172582011 要求必须连续进行，以保持气瓶热处理条件的一致性，这对于气瓶的批量质量控制是非常重要的，同批产品所经受的加热升温程序、保温时间和出炉冷却过程要完全相同才能保持稳态工况 4，抽检样瓶的检验结果才具有代表性。1.3 无损检测方法几项标准均要求对钢瓶进行逐只无损检测。国标无损检测方法可选择在线超声或磁粉检测方法，抗拉强度保证值大于 880 MPa 的钢瓶应采用超声检测方法。ISO 114392013 和 ECE R1102014 要求采用超声检测方法。ASNI NGV22007 未对检测方法作出明确规定。1.4 力学性能几项标准关于批量检验的试样数量和部分力学性能指标的要求见表 2。为了便于比较，表中给出的冲击试验的最小 3 个试样平均值，均为各标准中宽度 7.5 10 mm 试样的规定值，各标准中对于最小单个试样值的要求也均为最小 3 个试样平均值的 80%。通过对比可以看出，各标准对拉伸试验延伸率指标要求一致，冲击试验温度和指标要求差别也不大。关于弯曲或压扁试验，GB/T 172582011 要求任取一项，2023 年 8 月 3 祖宁，等.国内外车用压缩天然气钢瓶标准在制造检验方面的对比分析其他标准未做要求，相对来说国标更为谨慎严格。在硬度检测方面，GB/T 172582011 在型式试验，批量检验和逐只检验方面都没有对硬度检测做出要求，TSG 232021气瓶安全技术规程 5也未对车用压缩天然气气瓶做出硬度检测要求，而其他三项标准均要求每批气瓶产品逐只进行硬度检测。笔者认为，几项外标中对热处理后抗拉强度保证值的上限值较国标偏高，硬度检测主要是为了检测钢瓶热处理的效果，其检测结果能够反映出局部高应力的残留情况，从某种程度上能够评估钢质气瓶在使用过程中发生疲劳失效的风险。因此增加硬度测试也是对气瓶安全性能的一种验证和保证手段。表 2 试样数量及部分力学性能指标Table 2 The number of samples and some mechanical properties 拉伸试验 A/%弯曲/压扁试验冲击试验，冲击温度/最小平均值硬度GB/T 1725820112 件/1 只，14冷弯 2 件/1 只或压扁 1 只3 件/1 只，-50 /40 J cm-2无要求ISO 1143920131 件/1 只，14无要求3 件/1 只，-50 /40 J cm-2逐只做ECE R11020141 件/1 只，14无要求3 件/1 只，-50 /40 J cm-2逐只做ASNI NGV220072 件/1 只，14无要求3 件/1 只，-40 /50 J cm-2逐只做1.5 金相试验几项标准中，仅 GB/T 172582011 要求每批钢瓶抽取样瓶进行金相试验，组织呈回火索氏体，并对脱碳层深度作出了要求，相比而言，国标更为谨慎地验证了热处理工艺的合理性和钢瓶质量的可靠性。1.6 端部解剖端部解剖仅在 GB/T 172582011 中有规定，要求进行批量检验，底部尺寸和剖切面上不应有的缺陷均应满足相应规定。端部封合质量的好坏取决于热加工设备的性能和工艺参数的控制等因素，有些国外引进的热加工设备设计较为先进，例如在端部中心即将熔合时，增加自动吹扫功能，有助于端部熔合。而我国目前各制造单位采用的设备差异较大，因此标准对收底成型质量作出要求是十分必要的。1.7 水压试验要求几项标准均要求气瓶逐只进行水压试验，各标准对于水压试验的具体要求见表 3。通过对比可以看出，GB/T 172582011 对容积残余变形率的要求相对严格，ASNI NGV22007 由制造商自行定义。1.8 水压爆破试验几项标准均要求进行批量水压爆破试验。对实测水压爆破压力要求见表 3。1.9 压力循环试验各标准对压力循环试验的要求见表 4。GB/T 172582011 仅要求在型式试验中做压力循环试验，ISO 114392013 和 ECE R1102014 均要求进行批量压力循环试验，各标准的具体要求见表 4。除了GB/T 172582011 之外，这几项标准也均对批量压表 3 水压试验和水压爆破试验要求Table 3 Requirements for hydrostatic testing and hydraulic burst testing水压试验水压爆破试验压力值/MPa容积残余变形率/%实测最小爆破压力值/MPaGB/T 1725820111.5 Pw 548ISO 1143920131.5 Pw 1045ECE R11020141.5 Pw 545ASNI NGV220071.5 Pw由制造商定义由制造商定义注：Pw为公称工作压力。力循环试验的试验频次作出了规定。特别指出的是，ASNI NGV22007 中规定用于循环试验的钢瓶可用于水压爆破试验，如此可节省生产成本。表 4 压力循环试验要求Table 4 Requirements for pressure cycle test 是否批量检验循环上限/MPa循环次数（次）GB/T 172582011不要求3015 000ISO 114392013要求26使用寿命 750，且至少 15 000ECE R1102014要求26使用寿命 750，且至少 15 000ASNI NGV22007要求26/31使用寿命 7501.10 抗硫化物应力腐蚀开裂试验GB/T 172582011 仅型式试验要求进行抗硫化物应力腐蚀开裂试验，适用于瓶体材料抗拉强度保证第 60 卷第 4 期 4 化工设备与管道值大于 880 MPa 的钢瓶，并且标准要求瓶体材料的抗拉强度不超过 950 MPa；ECE R1102014 仅型式试验要求瓶体材料抗拉强度保证值在 1 100 MPa 以上的进行该项试验；ASNI NGV22007 仅型式试验要求瓶体材料抗拉强度保证值在 950 MPa 以上的进行该项试验，且标准要求瓶体材料的抗拉强度不得超过1 200 MPa。ISO 114392013 对该项试验的要求更为严格，在批量检验中和型式试验中均对材料的抗硫化物应力腐蚀开裂试验提出了要求，其中在批量检验要求中，对于瓶体材料抗拉强度大于 1 100 MPa 的采用新批次材料的都要进行该项试验。通过对比不难看出，GB/T 172582011 标准规定的钢瓶瓶体材料的抗拉强度保证值的上限值最低。表 5 给出了各标准对 S、P 含量的上限值规定，可以看出，随着材料抗拉强度上限值的提高，对 S 含量的要求也随之提高，其中 ISO 114392013 的要求最高。S 和 P 是钢中常见的有害杂质，S 在 Fe 中几乎不溶解，而与铁化合形成的 FeS 又与铁形成低熔点的共晶体，常常存在于晶界处，当钢进行热加工时会由于共晶体熔化导致钢材沿晶界开裂，形成“热脆”6；同时 S 与 Mn 的亲和力较强，在钢中通常以MnS 夹杂 7的形式存在，在钢轧制过程中与基体的结合强度较低，破坏了基体的连续性，并且还会导致钢性能的各向异性，在室温下，磷在钢的铁素体中分布不均匀，致使铁素体晶格严重扭曲，导致钢的力学性能下降，尤其在碳的影响下，在低温时使钢的韧性大幅度降低，形成“冷脆”。对材料中 S、P 含量要求的提高，是钢瓶抗拉强度上限提高的原因之一，同时，钢的微合金化及炼钢技术不断发展使得材料的质量逐步提升，材料抗氢脆和应力腐蚀的能力也随之提升 8。降低材料中有害元素的含量，提高材料的抗拉强度上限也是目前保证气瓶轻量化的首要措施。2 结论通过各项标准对比看出，ISO 114392013 在对钢瓶的同批次规格要求，化学成分以及与抗拉强度密切相关的试验方面要求较为严格；ECE R1102014和 ISO 114392013 的检验项目要求差别不大，在热处理和化学成分要求方面要求相对较宽松；ASNI NGV22007 的检验要求有更大的自由度和灵活性，例如水压试验的容积残余变形率极限，水压爆破试验所需的最小爆破压力都没有给出具体值，由制造商和设计自行定义；GB/T 172582011 在入厂材料质量控制、成形质量控制、热处理过程和力学性能检测方面的规定最为严格。国内外在气瓶设计、材料、制造水平和使用管理等方面存在一定的差异，因此标准要求的严格程度和侧重点也不同。对此，笔者有以下思考：（1）GB/T 172582011 对进厂材料的检验较为严格，如果能够不断提高原材料质量，严格保证材料化学成分和性能的稳定性，那么在将来的标准中可以考虑放宽同一炉罐号和进厂复验的要求。（2）随着热处理技术水平的不断提高，如果能够通过严格控制热处理设备和工艺，在不进行连续热处理条件下，就能够保持同批次产品的稳态工况，那么同批气瓶必须连续热处理的要求可以考虑是否放宽；另外随着产品质量的提高，逐批做金相试验和端部解剖等等这些要求可以考虑是否放宽。（3）2021 年 6 月实施的气瓶安全技术规程已将车用 CNG 钢质气瓶材料的实际抗拉强度上限从950 MPa 提高到 1 000 MPa，这体现了我国制造水平的提高，不断向着轻量化、低成本的目标发展，与此同时，也应当加强检验工作来保障质量，例如硬度检测，压力循环试验，抗硫化物应力腐蚀开裂试验等这些项目是否要做出更严格的规定。压缩天然气汽车和正在不断试验研究的氢能汽车必然是汽车工业发展的大趋势。这就要求我们在参照国内外先进标准的同时，结合我国实际国情，不断完善标准体系，加大研发力度，制造出能够满足轻量化、低成本、质量稳定的气瓶，促进高压燃料气瓶的发展。参考文献郑津洋，李静媛，黄强华，等.车用高压燃料气瓶技术发展1 表 5 S.P 含量上限值质量分数Table 5 Upper limit of S.P content 单位：wt%950 MPa 950 MPaSPS+PSPS+PGB/T 1725820110.020.020.03/ISO 1143920130.010.020.0250.010.020.025ECE R11020140.020.020.030.010.020.025ASNI NGV220070.020.020.030.010.0150.0252023 年 8 月 5 祖宁，等.国内外车用压缩天然气钢瓶标准在制造检验方面的对比分析趋势和我国面临的挑战 J.压力容器，2014，31（2）：43-51.全国气瓶标准化技术委员会.汽车用压缩天然气钢瓶：GB/2 T 172582011S.北京：中国标准出版社，2011.全国气瓶标准化技术委员会，车用压缩氢气铝内胆碳纤维全3 缠绕气瓶：GB/T 355442017 S.北京：中国标准出版社，2018.黄强华.气瓶安全技术规程释义 M.北京：新华出版社，4 2021.国家市场监督管理总局，气瓶安全技术规程：TSG 232021 5 S.北京：新华出版社，2021.薛艳梅，邹如首.国内外钢质无缝气瓶标准比较 J.中国职6 业安全卫生管理体系认证，2004，24（4）：71-72 李艳梅，朱伏先，崔凤平，等.中厚钢板分层缺陷的形成机7 制分析 J.东北大学学报（自然科学版），2007，28（7）：1002-1005.王洪海，陈俊德，陈冬，等.关于国内外大容积钢质无缝气8 瓶标准的对比分析 J.中国特种设备安全，2018，34（12）：1-7.Comparative Analysis of Manufacturing and Inspection of Domestic and Foreign Compressed Natural Gas Cylinder Standards for VehiclesZu Ning,Zhang Yuping,Li Xuezheng,Yu Chengze（Tianjin Special Equipment Inspection Institute,State Key Laboratory of Market Regulation(Special Equipment Digital Twin Generic Technology),Tianjin 300192,China）Abstract:Cylinders containing compressed natural gas are one of the key components of compressed natural gas vehicles,among which CNG-1 cylinders are the most widely used.At present,the main domestic and foreign standards for CNG-1 cylinders are ANSI NGV22007,ISO 114392013,ECE R1102014 and GB/T 172582011.In this paper,the scope of application,materials and inspection of these standards in CNG-1 cylinders were compared and analyzed,and the similarities and differences between them were expounded,so as to improve inspection efficiency and ensure safe use,and also provide some thinking for the development of domestic CNG-1 cylinders in the direction of lightweight and low cost.Keywords:compressed natural gas cylinders for vehicles;standards for gas cylinders;guaranteed tensile strength欢迎订阅化工与医药工程（邮发代号 4910）化工与医药工程创刊于 1980 年，是经国家科技部、国家新闻出版广电总局正式批准，面向国内外公开发行的专业技术期刊。本刊是国家认定的学术期刊（A 类）。由中国石油化工集团有限公司主管，中石化上海工程有限公司主办。化工与医药工程致力于为化工、医药及相关行业从事工程设计、建设与生产工作的广大科研、技术与生产人员服务。主要内容有：化工工艺与工程、医药工艺与工程、装备应用与研究、HSE 与节能减排、综述与专论、信息等。本刊发行量大，影响面广，专业性强。化工与医药工程为双月刊，A4 开本，全国各地邮局均可办理订阅，全年定价：90 元/年（含邮费）。电 话：[phone]、52136992订阅邮箱：