摘　要：车用压缩天然气气瓶是环保型汽车的主要部件．主要叙述了天然气气瓶的国内外发展概况，并重点陈述了金属一复合材料气瓶的结构形式、试验研究过程、关犍工艺、优点等。通过该项技术研究证明有焊缝的金属内胆同样可以满足天然气气瓶的性能要求．
关键词：天然气气瓶；发展；焊接内胆；缠绕

0　概述

　　车用压缩天然气气瓶是环保型汽车的主要部件．随着天然气汽车的日益增多以及对各大城市环境保护的强制要求，车用压缩天然气气瓶在需求量增大的同时，对其使用性能、安全性、经济性也提出了更高的要求．
       本文就国内外的气瓶发展概况进行了简单叙述，并重点对国内焊接金属内胆环向缠绕气瓶性能试验进行研

1　国内外压缩天然气气瓶发展概况

1.1　国外压缩天然气气瓶概况
　　天然气汽车迅猛发展，作为天然气汽车的主要配件一天然气气瓶则成为人们研究的重点课题。目前，国外的天然气气瓶基本上有3种类型：
　　(1)纯金属的钢质气瓶．
　　(2)环向缠绕复合材料钢气瓶．
　　(3)复合材料“茧式”缠绕塑料(或铝)内胆气瓶．
　　这3类气瓶的工艺成熟，性能稳定，都已广泛应用于各种汽车．而钢内胆环向缠绕气瓶由于其外形变化灵活、容重比适中、成本低等优点而应用广，比如乌克兰、英国及美国均采用该结构的气瓶。
1.2　国内压缩天然气气瓶概况
　　目前国内有许多厂家都在进行天然气气瓶的开发研制工作，其中钢瓶、塑料内胆(或铝内胆)全缠绕气瓶的性能稳定，工艺成熟，市场较好．纯钢质气瓶是由无缝钢管经热压拉拔后成型，要满足其使用性能和制造工艺要求，气瓶重量难以降低，壁厚误差较大，其重量与容积比一般都大于1.25 kg／L．而铝内胆或塑料内胆加玻璃纤维“茧式”缠绕的复合材料气瓶，该类气瓶价格高，工艺复杂，所使用的设备昂贵，而且用于密封的聚合物材料易于老化并逐渐失去弹性及密封性，从而降低气瓶的使用性能，其重量与容积比一般为0.3―0.7kg／L．
　　针对上述两类气瓶的优缺点，结合产品的工艺特点，提出采用超强钢30CrMnSiA焊接金属内胆，外层采用环向缠绕复合材料制作金属一复合材料气瓶的方案．先，采用超高强度钢制作内胆既满足强度要求又减轻重量；其次，该方案使气瓶制作工艺简单，成本降低且易于大批量生产．

2　技术关键及工艺研究

2.1　内胆的结构方案
　　如图1、图2所示。

　　气瓶的使用工况：工作压力20MPa。充气次数8000次。破坏时无碎片．内胆由下封头体、筒体、上封头体和瓶嘴组成．上下封头体直接冲压成型。筒体用钢板卷焊成型。瓶嘴由锻件毛坯机加工成型．各部分通过3条环焊缝和1条纵焊缝焊接后构成整个气瓶内胆．为了保证壁厚均匀和强度要求。除瓶嘴外都采用30CrMnSiA的精轧板材。厚度4±0.1mm。板材表面光滑、无裂纹、凹坑等影响强度的缺陷．从上述结构不难看出。该结构方案的技术关键为：
　　(1)焊接技术：在保证焊缝强度与母材强度之比≥0.98的前提下。满足条件 σb≥ 1200MPa、σs≥900MPa且σs／σb≤0.85，所有焊缝无缺陷，并进行100％探伤检验．
　　(2)热处理技术：通过退火和整体调质处理参数的确定。使瓶体内胆具备上述强度条件．
2.2　焊缝试件试验研究
　　为了确保焊缝能满足实际工况。先按照气瓶焊接工艺制作了两个纵焊缝试验件。随焊接内胆一起进行热处理。并对焊缝进行100％探伤检验后。作了如下试验：个试验件进行机械性能试验。其结果如图2所示。另一个试验件做疲劳强度试验。结果如图3所示．
　　图2表明焊缝抗拉强度与基材抗拉强度比值均大于98％ 。说明该工艺过程可行．疲劳试验加载力采用梯形波，上升时间为1.5s。保持3min后(保持应力为800MPa)卸载。卸载时间也为1.5s，小应力为100MPa。并安装有标距为25mm的引伸计，测得有关数据。

　　图3表明平均应变到7000次以后稳定。应变幅度始终保持恒定，说明试件没有发生变形或产生裂纹。在试验应力下，循环11000次无问题．
2.3　样瓶试制及试验
　　确定了焊接工艺和热处理工艺。并对纵焊缝试验件试验完成后。以50L气瓶为例，制造出6只焊接钢内胆缠绕样瓶。如图4所示。并分别作了相关试验．试验数据如下：
　　1)根据天然气汽车用钢瓶试验条件。用1支气瓶做水压爆破试验。爆破压力为35MPa．破坏形式沿纵向焊缝撕裂，无碎片．
　　2)根据天然气汽车用钢瓶试验条件，用1支气瓶做常温疲劳试验，试验压力3MPa-18MPa-3MPa，加载频率为8~10次／min．疲劳循环8000次，钢内胆无异常．
　　在上述试验完成后，用3支样瓶做无碱砂环向缠绕，缠绕厚度3~5mm．缠绕分布在瓶体部分．在缠绕工序完成后，分别用这两个成品气瓶做了疲劳和爆破试验．试验情况如下：
　　1)根据天然气汽车用钢瓶试验条件，用1支气瓶做水压爆破试验，爆破压力达到54.4 MPa，破坏形式沿纵焊缝贯通性破裂，无碎片．
　　2)根据天然气汽车用钢瓶试验条件，可用1支气瓶做常温疲劳试验，其试验压力为3MPa-25Mpa-3MPa，加载频率为8~10次／min，疲劳循环8000次，钢内胆无异常，之后进行爆破试验，爆破压力为46.9MPa
　　3)为考核气瓶极限强度，用一支成品气瓶做疲劳破坏性试验，试验压力3Mpa-30MPa-3MPa．8~10次／min，疲劳试验5000次后破坏，破坏形式沿纵焊缝破裂．

3　试验结果分析

　　焊接结构金属内胆环向缠绕气瓶50L规格样瓶，实测重量与容积比为0.65，小于纯钢瓶，大于全复合材料气瓶．其成本为钢瓶的1.6―1.8倍，为复合材料气瓶的0.5~0.6倍．
　　由于我国没有相关的标准，参考美国标准(CNG车辆燃烧罐的基本需要>试验数据如表1。

　　结果表明：焊接金属内胆复合材料环向缠绕气瓶完全符合或超过美国相关标准．该技术方案是成功和可行的．

4　结论

　　通过对焊接金属内胆环向缠绕气瓶的研制表明：
　　1)用超高强度钢30CrMnSiA制造气瓶金属内胆的结构方案是可行的，其焊接工艺和热处理工艺完全能够满足车用压缩天然气气瓶对钢内胆的性能要求．
　　2)突破了车用压缩天然气气瓶金属内胆不允许有纵向焊缝的禁区，取得了满意的实验结果．
　　3)应进一步加强对该形式气瓶批量生产质量保证工作的研究，抓紧制定相关标准，积极开展该项工作，为尽快投入大批量生产做好一切准备。