مقاله سوخت گاز طبیعی

مقدمه

با توجه به مشکلات روزافزون آلودگی هوا و عواقب زیست محیطی آن به دلیل استفاده از سوخت های دودزا (گازوئیل و بنزین و …) که حجم عمده ای از این آلودگی توسط وسایل نقلیه شخصی یا عمومی تولید می گردد، استفاده از سوخت گاز طبیعی به دلیل تولید حداقل گازهای آلوده کننده، درصد اولویت های دولت ها جهت جایگزین نمودن این سوخت بار دیگر سوخت های موجود در وسایل نقلیه قرار دارد.

از مزایای عمده سوخت گاز طبیعی نسبت به سوخت بنزینی می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

گاز طبیعی در مجموع دارای آلودگی کمتری نسبت به سوخت های فسیلی بوده و از لحاظ شرایط عملکردی موتور وضعیت بهتری از بنزین دارند، چراکه نسبت تراکم مناسب برای موتورهای با سوخت گاز طبیعی14:1 است، در حالی که عدد اکتان بنزین 90 می‌باشد و سبب افزایش راندمان و کارآیی موتورهای گازی مضر می‌گردد.

چنانچه موتور برای شرایط گاز سوز طراحی شود، قدرت بیشتری از موتورهای بنزینی دارند. راندمان سوخت گاز حدود 15% بیشتر از بنزین است و همچنین ارزش حرارتی آن نیز حدود 13% بیشتر از سوخت بنزین است. قیمت گاز طبیعی در مقایسه با بنزین برای انرژی سوخت یکسان حدود یک سوم بنزین معادل می‌باشد. گاز طبیعی آلودگی منواکسیدکربن را تا 90%، اکسید نیتروژن را حدود 30% و هیدروکربن ها را تا 50% کاهش داده و تقریباً عاری از مواد سرطان زا می باشند. این مزیت ها مهمتریت عواملی هستند که مشوق انتخاب گاز طبیعی به عنوان سوخت خودرو است ولی به این نکته کمتر توجه می‌شود که آمار ایمنی خودروهای گازسوز (NGV) نسبت به تقریباً همه سوختهای متداول یا جایگزین امروز، مطلوب ترین وضعیت را دارد. بطوریکه گاز طبیعی را به صورت سوختی با ایمنی برابر یا حتی ایمنی تر از سایر سوختهای نفتی معرفی می‌کند.

دلایل این ایمنی بیشتر عبارتند از:

گاز طبیعی دارای دانسیته حدود 6/0 نسبت به هوا است در نتیه به محض نشت‌کردن، سریعاً در هوا پخش می‌گردد و تجمع نمی یابد.

گاز طبیعی در یک دامنه بسیار محدود (نسبت گاز به هوای 4 تا 15 درصد ) محترق می‌گردد، درغیر اینصورت صورت احترافی رخ نمی دهد.

از سویی لزومی ندارد صاحب جایگاه با خطر نشت از مخزن زیرزمینی است و پنجه نرم کند در حالیکه این یک نکته قابل ملاحظه و مهم در مورد سوختهای مایع است.

بنابراین درخصوص خودرو گاز طبیعی سوز نکته ایمنی مهم متوجه مخزن و متعلقات آن است و آن هم بیشتر به سبب فشار کاری بالایی است که با آن کار می‌گردد.

این مقاله سعی دارد به معرفی اجمالی مخازن CNG و ازمونهای مرتبط با آنها بپردازند، استانداردهای مربوط به آنها را بیان کند و مختصری به تکنولوژی ساخت آنها اشاره داشته باشد.

سعی شده اس مطالب تا حد امکان مختصر، اما مفید و منسجم باشند تا خواننده در فرصتی کوتاه بتواند اطلاعات قابل توجه و مفیدی راجع به مخازن تحت فشار در خودرو های گازسوز بدست آورد.

بخش اول

انواع مخازن CNG

مخازن CNG برحسب ساختار می توانند بر چهار نوع باشند:

مخازن نوع اول مخازن تمام فلزی (CNG-1)

این مخازن از جنس فولاد یا آلومینیوم هستند و شرایط ترکیب شیمیائی آنها در استاندارد مربوطه ذکر گردیده است.

مخازن نوع دوم مخازن کمرپیچ (CNG-2)

این نوع مخازن دارای یک لایه داخلی (Liner) از جنس فولاد یا آلومینیوم بدون دز است و قسمت استوانه ای این لایه داخلی توسط الیاف شیشه، آرامید، یا مخلوطی از آنها که آغشته به رزین است پیچیده شده و این ساختار کامپوزیتی که به مخزن داده شده این امکان را بوجود می آورد که بتوان از ضخامت قسمت فلزی کاست و در نتیجه مخزن سبکتری را بدست آورد.

رزینی که در ساختار مخزن کامپوزیتی استفاده می‌شود می تواند از نوع گرما نرم (Thermoplastic) یا گرما سخت (Thermo-setting) باشند.

مخازن نوع سوم مخازن تمام پیچ (CNG-3)

این نوع مخازن دارای یک لایه داخلی از جنس فولاد یا آلومینیوم بدون درز است و تمام این لایه داخلی توسط الیاف شیشه، آرامید، کربن یا مخلوطی از آنها که آغشته به رزین است پیچیده است و این ساختار کامپوزیتی که به مخزن داده شده این امکان را بوجود می آورد که بتوان از ضخامت قسمت فلزی کاست و در نتیجه مخزن سبک تری را نسبت به دو نوع اول بدست آورد.

مخازن نوع چهارم مخازن تمام کامپوزیت (CNG-4)

این نوع مخازن دارای یک لایه داخلی (Liner) از جنس پلیمر بدون درز است. و تمام این لایه داخلی توسط الیاف شیشه، آرامید، کربن یا مخلوطی از آنها که آغشته به رزین است. پیچیده شده و این ساختار تمام کامپوزیت یکی از سبکترین انواع را در مخازن CNG تأمین می نماید. در ساخت این نوع مخازن از تکنولوژی بالایی استفاده شده است و تعداد سازندگاانی که از این نوع مخازن تولید می کنند، بسیار معدود است و قیمت آنها نیز بالاتر از سایر انواع می باشند.

استفاده از مخازن CNG در جهان

خودروهای گازسوز طبیعی بیش از پنجاه سال است که در جهان مورد استفاده قرار می گیرند. استفاده از این خودروها از سال 1970 به دلیل مزایای زیست محیطی و اقتصادی روبه افزایش و به خصوص استفاده از کامپوزیت ها از سال 1980 توسعه یافته است. در حال حاضر بیش از دو میلیون خودرو در جهان برای استفاده از CNG ساخته و یا تبدیل شده اند.

این خودروها و مخازن آنها سابقه عمومی عالی از خودشان داده اند در حالیکه مخزن فولادی در دنیا متداول ترند، بازار آمریکای شمالی توسط مخازن کامپوزیت اشغال شده‌اند. بسیاری از کارخانه های سازنده مخازن CNG  دارای سابقه طولانی تولید تسلیحات بوده اند و بعداً به تولید این مخزن روی آورده اند.

بخش دوم

آزمونهای مخازن

به منظور اطمینان از ساخت صحیح و مطابق با استاندارد مخازن CNG ، آنها را تحت آزمونها و شرایط مختلفی قرار می دهند. یک مخزن وقتی مورد تأیید قرار می‌گیرد و گواهی استاندارد مربوطه را دریافت می‌کند که آزمونهای آن استاندارد را با موفقیت پشت سر بگذارد.

تعداد این آزمونها بسته به نوع مخزن متفاوت است. در مورد مخازن کامپوزیت (بخصوص نوع چهارم) آزمونها مفصل و سختگیرانه تر است و چون آزمونهای خاص مرتبط با مواد پلیمری را هم شامل می شود، تعداد آزمونها بیشتر است.

این آزمونها را می‌توان براساس هدف آنها در سه نوع رده بندی نمود. هریک از آزمونها در یکی از این سه رده قرار می گیرند:

آزمونهای تحمل آسیب

آزمونهای محیطی

آزمونهای چرخه عمر

در این‌جا به اختصار به شرح این آزمونها می پردازیم:

1. آزمونهای تحمل آسیب

آزمون نفوذ گلوله

پس از این آزمون مخزن نباید به ذرات خرد تقسیم شود. استفاده از الیاف شیشه و کربن تحمل این آسیب را افزایش می‌دهد. هرچه ضخامت دیواره کامپوزیت افزایش یابد، که این معمولاً با افزایش قطر و فشار همراه است، مقاومت آن در برابر تأثیر آسیب افزایش می یابد. در این آزمون مخزن با یک گلوله جنگی به قطر 62/7 میلی متر طوری مورد اصابت قرار می‌گیرد که حداقل یک سمت آزمون سوراخ شود. مخزن باید تا فشار 200 برابر پر شده باشد.

آزمون سقوط

در این آزمون یک یا چند مخزن تکمیل شده بدون اعمال فشار داخلی و شیر،‌ در دمای محیط تحت آزمون قرار می گیرند. یک مخزن بصورت افقی از فاصله 8/1 متری از سطح زمین انداخته می‌شود. یک مخزن بصورت عمودی به صورت انداخته می‌شود که انرژی پتانسیل آن 488 ژول باشد، ولی در هیچ حالتی ارتفاع عدسی پایینی مخزن نباید از 8/1 متر بیشتر باشد.

یک مخزن نیز باید تحت زاویه 45 درجه از ارتفاعی روی عدسی انداخته شود که فاصله مرکز گرازش آن از زمین 8/1 متر باشد.

پس از این آزمون مخزن در 3000 چرخه در دمای محیط تحت چرخه فشار بین 20 الی 260 بار قرار گرفته و سپس تحت 12000 چرخه دیگر قرار می‌گیرد. مخزن در 300 چرخه اول نباید دچار نشت یا گسیختگی شود، ولی در 12000 چرخه بعدی می تواند دچار نشت شود.

نکته مهمی که در مورد این آزمون وجود دارد این است که وقتی مخازن تحت فشار هستند در مقابل آسیب های ناشی از سقوط مقاومترند، چراکه فشار داخلی از فرورفتگیهایی که می تواند در دیواره ایجاد آسیب نماید تا حدودی جلوگیری می نماید؛ به همین دلیل مخازن بدون اعمال فشار تحت آزمایش قرار می گیرند.

آزمون تحمل خرابی (تحمل شکاف)

این آزمون شبیه سزی بریدگی ها و سایش هایی است که ممکن است طی عمر کاری برای مخزن رخ ‌دهد. (این آزمون مخصوص مخازن کامپوزیت است) در این آزمون دو شکاف یکی به طول 25 میلیمتر و به عمق 25/1 میلیمتر و دیگری بطول 200 میلیمتر و عمق 75/0 میلیمتر در جهت طولی، روی دیواره مخزن ایجاد می‌شوند و مخزن در دمای محیط تحت چرخه فشار بین 20 الی 260 بار قرار می گیرد؛ مخزن تحت 3000 چرخه اول نباید گسیخته شود، ولی در 12000 چرخه بعدی می تواند دچار نشتی شود.

آزمون تصادف

این آزمون که در استاندارد FMVSS303 پیشنهاد شده است، برای شبیه سازی تصادف می‌باشد. مخازن پس از طی این آزمون نباید دچار نشت یا گسیختگی شوند.

2. آزمونهای محیطی

شامل شرایط حدی محیطی که یک مخزن NGV در طول عمر کاری خود می تواند با آنها مواجه شود می‌باشد.

آزمون قرار گیری در معرض مایعات خورنده: در این آزمون مخزن در معرض مایعات خورنده ای که در محیط خودرو یافت می‌شود، قرار می‌گیرد. این مایعات عبارتند از: اسیدسولفوریک، سدیم هیدروکسید، مخلوط متانول / بنزین، نیترات آمونیوم، مایع شستشوی شیشه.

مخزن به مدت 30 دقیقه در معرض پدهایی که آغشته به هریک از این مایعات هستند قرار می‌گیرد. در یک آزمون دیگر که به منظور شبیه سازی محیط بران اسیدی / آب نمک جاده انجام می شود، با غوطه ور کردن بخشی از مخزن در مخلوط مشخصی از آب یون زدایی شده، کلرید سدیم، کلرید کلسیم و اسیدسولفوریک انجام می‌شود.

پس از این آزمون ها مخزن در معرض چرخه فشار و آزمون تقلیل یافته ترکیدن قرار می‌گیرد. در آزمون محیط اسیدی قسمتی از مخزن که تحت فشار هیدرواستاتیک 260 بار است به مدت 100 ساعت در معرض محلول اسیدسولفوریک 30%‌قرار می‌گیرد. و سپس تا مرحله ترکیدن، فشار هیدرواستاتیک افزایش می یابد. فشار ترکیدن باید از 85% فشار طراحی ترکیدن بیشتر باشد.

آزمون قرارگیری در معرض دماهای حدی

این آزمون ها شبیه سازی کننده دماهای حدی محیطی است که در خودرو وجود خواهد داشت . این دماهای حدی عبارتند از: دمای حدی پایین °C40- و دمای حدی بالای °C 28. دمای حدی بالا در همه جای خارج محفظه موتور وجود دارد و می تواند در اثر تشعشع گرمایی خورشید یا شرایط کاری بوجود آید. دراین آزمون، مخزن در دمای 100 درجه سلسیوس به مدت 200 ساعت تحت فشار 260 بار قرار می‌گیرد. سپس تحت آزمون هیدرواستاتیک، آزمون نشت و آزمون ترکیدن قرار می‌گیرد که باید در همه آزمون ها قبول شد.

آزمون گسیختگی تحت تنش تنش سریعی

این آزمون برای بررسی افت استقامت الیاف و یا رزین در اثر دما و زمان وقتی تحت بار قرار دارد انجام می‌شود، در نتیجه این آزمون، مخصوص مواد کامپوزیت است. این آزمون تحت حداکثر فشار پرشدن و در دمای °C 65 و در یک دوره 1000 ساعته انجام می‌شود. این افزایش دما موجب تسریع زمان آزمون با ضریبی معادل 32 می‌شود و علاوه بر آن تغییرات استقامت در اثر افزایش دما مورد بررسی قرار می‌گیرد.

در این آزمون مخازنی که دارای مشکلاتی در پایداری محیطی هستند شناسایی می‌شوند.

آزمون قرارگیری در معرض آتش (Bonfire)

این آزمون مرتبط با آتش سوزی هایی است که ممکن است در خودرو رخ دهد و به منظور اطمینان از عملکرد صحیح سیستم تخلیه فشار و شیر مخزن انجام می‌شود. در این آزمون، مخزن پر شده، در فاصله 100 میلی متری از منبع آتش که 65/1 متر طول دارد قرار می‌گیرد که باید بدون گسیختگی، از وسیله اطمینان تخلیه فشار (PRD)  محتویاتش را تخلیه نماید. در خصوص مخازن با طول زیاد باید از دو یا چند PRD استفاده شود.

PRD ها بر دو نوع فعال با دما و ترکیبی فعال با دما و فشار هستند. استفاده از PRD فعال با دما این امکان بوجود می آورد که مخزن هنگام قرارگیری در معرض آتش، بدون توجه به فشار داخل آن محافظت شود.

3. آزمو‌ن‌های چرخه عمر

این آزمون ها به توانایی مخزن برای عملکرد صحیح در کل عملکرد صحیح در کل طول عمر کاری خود مرتبط است. عبارتند از:

آزمون ترکیدن هیدرواستاتیک

این آزمون ملاحظات حداقل استقامت را برای مخازن و ملاحظات تنش گسیختگی را برای الیاف تقویت کننده مورد بررسی قرار می‌دهد. مخازن باید حد اطمینانی را در مقابل بیش از حد پر شدن احتمالی یا قرار گرفتن در معرض دمای بیش از حد انتظار پس از پر شدن و سایر وقایع غیرمنتظره برآورده سازند.

حداقل نسبت ترکیدن باتوجه به فشار تنظیم در دمای °C 21 برابر 25/2  است و در فشار تنظیم در دمای °C 15 برابر 35/2 است. تنش گسیختگی پدیده ای است که در آن در اثر اعمال بار مداوم در یک حد مشخص، تقویت الیاف دچار لطمه می‌شود. روش انجام این آزمون به این ترتیب است که نمونه مخزن را با آب پر می‌کنند و تا مرحله ترکیدن قسمت فشار این عمل را ادامه می دهند. حداقل فشار ترکیدن نباید از 450 بار کمتر باشد.

آزمون چرخه فشار در دمای محیط

این آزمون وضعیت مخزن را در پر و خالی شدن های متوالی در طی عمر کای خود شبیه سازی می‌کند. در این آزمون به صورت متوالی (تا 1000 برابر عمر کاری خود برحسب سال) تحت فشارهای کم و زیاد قرار می‌گیرد.

آزمون نشست پیش از شکست

این آزمون به این اشاره دارد که لایه داخلی یا مخزن پیش از انکه الیاف در چرخه هیدرواستاتیک دچارخرابی شود در اثر گسیختگی خراب شود. الزام چرخه هیدرواستاتیک بدون نشست معمولاً از 15000 تا 20000 چرخه در حداکثر فشار پر شدن است. الزام نشست پیش از شکست تا 45000 بدون گسیختگی ادامه می یابد و معمولاً در فشار 200 الی 300 بار انجام می‌شود.

چرخه گاز طبیعی

این آزمون به ساختار پتانسیل الکترواستاتیک و تخلیه آن که در حین پرکردن و تخلیه رخ می‌دهد اشاره دارد. در این آزمون مخزن 1000 بار پر و تخلیه می‌شود و نباید در نتیجه آن دچار اضمحلال (degradation) شود. در مورد مخازن فلزی یا دارای لایه فلزی مشکلی وجود نخواهد داشت چراکه پتانسیل الکترواساتیک از طریق شیر و لوله ها تخلیه مداوم می‌شوند.

ولی در مورد مخازن تمام کامپوزیت (دارای لایه پتانسیل) باید از ایجاد این پتانسیل الکترواستاتیک اجتناب یا آن را به صورت مداوم تخلیه نمود. از انجایی که معمولاً در این نوع مخازن نافی (BOSS) از جنس فلزی است، بار الکترواستاتیک را جمع‌آوری نموده و مانند مخازن دارای لایه فلزی تخلیه می‌کند. طی این آزمون پس از طی نمودن چرخه‌ها مخزن برش زده شده و از نظر وجود هرگونه ترک یا تخلیه الکترواستاتیک بررسی می‌شود.

آمار خرابی‌های میدانی

آماری که از سال 1993 تاکنون در مورد وضعیت خرابی مخازن در آمریکای شمالی که منطبق بر استانداردهای FMVSS304، قسمت دوم B-51 و ISO1143 بوده اند وجود دارد تنها از هشت مورد خرابی گزارش داد. از این هشت مورد: