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 خودروهای 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.
پس از این آزمون مخزن نباید به ذرات خرد تقسیم شود.
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: سه مورد مربوط به خوردگی تحت تنش الیاف شیشه به دلیل قرارگیری در معرض اسید چهار مورد به دلیل آسیب فیزیکی در عین حال فشار بیش از حد برای در مورد از آنها یک مورد به دلیل بیش از حد تحت فشار قرار گرفتن بوده است.
در آمار موجود هیچ مخزنی به دلیل برخورد (تصادف) یا آتش دچار گسیختگی نشده است.
وجود این خرابی ها در سال های اخیر موجب بروز اصلاحاتی بر روی استانداردهای موجود گردید.
به صورت خاص آزمون محیطی مربوط به قرارگیری در معرض مالیات خورنده بعداً به این استانداردهای اضافه شده است.
استفاده از الیاف کربن تقویت شده و الیاف شیشه مقاومت به خوردگی به دلیل وجود این خرابی های گزارش شده افزایش یافته است.
به دلیل وجود آمار خرابی‌های ناشی از آسیب، امروزه بر روی انجام بازرسی های دوره ای تأکید می‌شود چراکه در همه خرابی های ناشی از آسیب، وجود این آسیب ها طی معاینه‌های دقیق چشمی موجود در بازرسیهای ادواری قابل شناسایی بود.
این آسیب‌ها شامل ترک ناشی از خودرگی تحت تنش، برخوردها، بریدگی ها و سایش ها است.
بازرسی مخازن NGV در استانداردهای بازرسی خودروها NGV در معرض دو نوع بازرسی قرار می گیرند که عبارتند از بازرسی ادواری عمومی چشمی و بازرسی ادواری دقیق.
هدف از این بازرسیهای ادواری این است که از شرایط مخزن و مناسب بودن آن برای کار پیوسته اطمینان حاصل شود.
در بازرسی عمومی سطوح قابل مشاهده مخزن برای بررسی امکان وجود آسیب خارجی یا استفاده نادرست مورد بررسی قرار می گیرند.
آثار هشداردهنده آسیب عبارتند از: بریدگی، کندگی، ساییدگی، آسیب دیدگی درزبندها، تغییر رنگ، الیاف آسیب دیده.
این علائم نشان دهنده آسیب یا استفاده نادرست از مخزن هستند که می توانند مخزن را تحت تأثیر قرار دهند.
این بازرسی عمومی که معمولاً دوره آن یک سالانه است باید به عنوان بخشی از عملیات نگهداری پیشگیرانه یا سایر فعالیت های ادواری خودرو برنامه ریزی شود.
هدف از بازرسی دقیق ادواری بازرسی جزئی مخزن و مجموعه براکت ها توسط یک فرد با صلاحیت است.
این بازرسی در استاندارد ANSI/NGV2 هر سه سال یکبار و در استاندارد FMVSS نیز هر سه سال یکبار یا پس از هر 36000 مایل انجام می‌شود.
ولی در مقررات سایر کشورها نظیر ایتالیا، نیوزیلند و آرژانتین هر پنج سال یکبار انجام می‌شود.
در بازرسی های دقیق از یک روش غیرمخرب برای بررسی وضعیت مخزن استفاده می‌شود.
دو روش متداولی که برای این کار وجود دارد عبارتند از: آزمون هیدرواستاتیک آزمون غیرمخربن انتشار آکوستیک (AE) در آزمون هیدرواستاتیک مخزن با آب پر شده و در 5/1 برابر فشار کاری (300 بار) تحت آزمون قرار می‌گیرد و در آن نباید نشانه ای از نشت مشاهده شود.
روش AE جدیدی با استفاده از امواج صوتی است که دارای مزایای نسبی است که کاربرد آن را جذاب تر می‌کند.
این روش در بسیاری از صنایع برای بررسی مناسب بودن نظیر لوله ها و مخازن به کار میرود.
بخش سوم استانداردهای مخازن CNG رشد صنعت NGV و اینکه ایمنی اولین در نمونه در طراحی و استفاده از مخازن آنها بوده است، موجب توسعه استانداردهای متعدد بین المللی در این زمینه بوده است .
جدول 3ـ1 وضعیت ملی و بین المللی استانداردهای مرتبط با مخازن را نشان می‌دهد: در این‌جا به مروری اجمالی از این استانداردها و اینکه آنها چگونه ایمنی و دوام را تحت بررسی قرار می دهند؟
پرداخته می‌شود.
استانداردهای مذکور در جدول فوق تا حد معقولی با یکدیگر هماهنگ هستند و الزامات فنی آنها با یکدیگر یکپارچه است.
در نتیجه مخزنی که الزامات یک استاندارد را پشت سر بگذارد به احتمال قوی الزامات سایر استانداردها را نیز برآورده خواهد نمود این استانداردها مانند اکثر استانداردها عملکرد محور هستند و وارد جزئیات پروسه ساخت و مواد نمونه نمی شوند.
الزامات استانداردها مجموعه از آزمون ها هستند که در قسمت قبل به برخی از آنها اشاره شد.
استانداردهای مرتبط با استانداردهای مخزن، پاره ای از استانداردهای اجزا می باشند مثل استانداردهای سری ISO15500 برای اجزای خودرو گاز سوز طبیعی، PRD1 ANSI/IAS برای وسایل اطمینان تخلیه فشار (PRD) و استاندارد ANSI/AGA NGV3.1 برای اجزای سیستم و NFPA52 و ISO15501 برای سیستم سوخت خودرو .
1.
استاندارد (CNG4) و ISO/FDIS/1143 Gas cylinders-high pressure cylinders for the on-board storage of natural gas as a fule for automotive vehicles این استاندارد بین المللی در خصوص طراحی روابطی را ارائه نمی کند بلکه الزاماتی را توصیه می‌کند که با استفاده از این الزامات طراحی تأیید می‌شود.
این استاندارد شامل کلیات زیر می‌باشد: الزامات مربوط به مواد مورد استفاده درساخت مخزن شالم رزین، فایبر، لاینر و BOSS.
الزامات طراحی شامل فشار آزمون (5/1 برابر فشارکاری)،فشار ترکیدن مطابق (5)، آنالیز تنش مماسی و محوری در لایه های داخلی مخزن، قرارگیری نازل بروی کپه بصورت عمودی و در مرکز، محافظت در برابر آتش و اطمینا کافی از عمل نمودن وسایل تخلیه فشار.
جدول 1.
مقادیر حداقل فشار ترکیدن و نسبت های تنش در مخازن CNG ** در این حالت بایستی نسبت تنش و فشار ترکیدن مطابق با شرایط موجود در استاندارد تعیین شود.
الزامات ساخت شامل چگونگی ساخت لاینر،نحوه و شرایط پیچیدن الیاف بروی مخزن، نحوه و شرایط پخت مخزن، کنترل کیفیت رزوه های BOSS و محافظت مخزن در برابر شرایط محیطی.
الزامات تست مخزن همان طور که گفته شد این استانداردها بیشترین توجه را به آزمایش محصولات دارد.
به عبارتی چنانچه مخازن ساخت شده بتواند آزمایش های پیش بینی شده در این استاندارد را با موفقیت پشت سر بگذارند آنگاه الزامات چندگانه برآورده شده و کفایت طراحی تأیید می‌گردد.
نمونه ای از این آزمایشات در جدول 6نشان داده شده است.
جدول 2.
برخی آزمایش های اصلی کیفیت در استاندارد ISO11439 دو گروه استاندارد رایج برای استانداردهای CNG در ایالات متحده وجود دارد: ANSI/AGA,NGV2 DOT NHTSA Stantdard, FMVSS304.
پیش از این استانداردها، سیلندرها براساس استانداردهای بهبود یافته توسط انجمن گازهای فشرده شده (Compressed Gas Association (CGA)) طراحی و ساخته می‌‌شدند.
این استانداردها هم اکون به نام FRP-1 برای سیلندرهای نوعسه و FRP-2 برای سیلندرهای نوع و شناخته می‌شوند که در جدول 1 لیست شده اند.
جدول 3.
خلاصه ای از استانداردهای سیلندر در آمریکا 2.
استانداردهای سیلندرها براساس NGV2-1992 و ANSI/A.G.A ذخیره سازی گاز طبیعی تحت فشار در سیلندر برای خودروها استاندارد NGV2 در سه جهت بر ایمنی سیلندر نظارت می‌کند: محددوه مجاز مواد مورد استفاده آزمایش های کیفیت طراحی آزمایش های کنترل کیفیت و ساخت مواد مجاز و قابل قبول در NGV2-22 به فولاد 4130 یا معادل آن، آلیاژهای آلومینیوم AA6061) یا (AA6010 و بعضی مواد کامپوزیتی محدود می‌شود.
آزمایش های اصلی تست کیفیت طراحی در NGV2 به صورت جدول 2 خلاصه می‌شوند.
آزمایش های اصلی تست کنترل طراحی در NGV2 تست های کنترل کیفت و ساخت شامل یک تست هیدرولیک برای هر سیلندر، تست نشتی برای سیلندرهای نوع چهار، همراه با تست های سیکلی و انفجاری برای سیلندرهای انتخاب شده از تولیدات سازنده می‌باشد.
استانداردهای ایمنی وسایل موتوری فدرال Federal Motor Vehicle safety standarf (FMVSS) 304 ذخیره سازی گاز طبیعی تحت فشار در سیلندهاری مخصوص خودرو.
استاندارد FMVSS304 شبیه به NGV2-92 می‌باشد.
این استاندارد در سه جهت بر ایمنی سیلندر نظارت می‌کند: محدوده مجاز مواد مورد استفاده آزمایش های کیفیت طراحی آزمایش های کنترل کیفیت و ساخت مواد مجاز و قابل قبول در استاندارد FMVSS304 به فولاد 4130، آلیاژهای آلومینیوم AA6061) یا (AA6010 و مواد کامپوزیتی که بایستی شامل فیبرهای شیشه ای، آرامید یا کربنی، (E-glass, S-glass, Aramid or Carbon) در یک رزین اپوکسی، پلی استر، وینیل استر یا ترموپلاستیک باشد، محدود می‌شوند.
آزمایش های اصلی تست کیفیت طراحی در FMVSS304 به صورت جدول 3 خلاصه می‌شوند.
جدول 5.
آزمایش‌های اصلی تست کیفی طراحی در FMVSS304 4.
استاندارد CGA/DOT FRP & FRP-2 DOT FRP-1 Standarf & DOT FRP-2 Standard FRP-1 (FULL-wrapped cylinders) & FRP2 (Hoop-wrapped cylinders) استانداردهای FRP-1 و FRP-2 در سه جهت بر ایمنی سیلندر نظارت می‌کند: محدوده مجاز مواد مورد استفاده آزمایش های کیفیت طراحی آزمایش های کنترل کیفیت و ساخت مواد مجاز و قابل قبول در FRP-1 و FRP-2 به فولاد 4130 آلیاژزهای آلومینیوم AA6061) یا (AA6010 و مواد کامپوزیتی با فایبرهای E-glass یا S-glass در رزین اپوکسی می‌باشد.
الیاف کربنی در این استاندارد مجاز نیستن آزمایش های اصلی تست کنترل طراحی در FRP-1 و FRP-2 به صورت جدول 4 خلاصه می‌شوند.
جدول 6.
آزمایش های اصلی تست کیفیت طراحی در FRP-1 و FRP-2 تست های کنترل و ساخت شامل یک تست هیدرواستاتیک برای هر سیلندر و تعدادی تست سیکلی و انفجاری می‌باشد.
بخش چهارم اجزای مخزن CNG در این بخش هدف آشنایی با اجزای یک مخزن CNG تمام کامپوزیتی است.
این مخازن بطور کلی از پنج جزء اصلی تشکیل می‌شوند که به معرفی آنها می پردازیم.
لاینر این قسمت معمولاً از مواد پلی مریک یا الاستومریک و یا پلی اوریتان با چگالی بالا (HDPE) تولید می‌شود.
آخرین ماده عنوان شده (HDPE) تاکنون درساخت اجزای سیستم اتومبیل های زیادی استفاده شده است.
این ماده، در صنعت توزیع گاز طبیعی قدمتی 25 ساله دارد.
بعلاوه این ماده با استاندارد Class C , Cat 5 ، Type III Grade P34 ASTM 1248 به خوبی مطابقت دارد.
خواص عمده و کلی که می‌توان برای لاینرها نام برد به شرح زیر است: مقاومت خوب و نسبتا بالایی در مقابل نشت گاز ایجاد می نماید.
با قطعه BOSS تداخلکرده و سازه مناسبی جهت آب بندی ایجاد می‌کنند.
سازه اولیه و مناسبی جهت پیچیدن فیلامنت ها ایجاد می نمایند.
به دلیل پایین بودن مدول آنها به راحتی نیروهای ناشی از فشار داخلی را به سازه اصلی منتقل می‌کنند.
این لاینرها مقاومت بالایی در مقابل ترک های محیط ناشی از تنش دارند.
ارزان هستند و به راحتی شکل می گیرند.
قطعه رابط ورود گاز (BOSS) سه وظیفه اصلی این قعه که از اجزای حساس و مهم یک مخزن CNG به شمار می‌آید به شرح زیر می باشند: مهیا کردن زمینه مناسب جهت پیچاندن فیلانتهای کامپوزیتی جهت ساخت مخزن.
وسیله ارتباط ورود و خروج گاز را بین مخزن و تاسیسات خارجی مخزن به عهده دارد.
جلوگیری از نشت گاز که مهمترین وظیفه BOSS به شمار می‌آید.
شکل کلی و نهایی یک BOSS دقیقاً سه وظیفه بیان شده فوق را بایستی تأمین نماید.
به دلیل شکل فلانچی پیچیدن فیلامنت روی آن به آسانی انجام گرفته و فرآیند با مشکل مواجه نخواهد بود.
رزوه های روی BOSS نقش تاسیساتی و ارتباطی بین تجهیزات خارجی و BOSS را فراهم می نماید و به راحتی می‌توان شیرها و اتصالات لازم جهت تغذیه و مصرف گاز را روی آن مونتاژ نمود.
در نهایت در قسمت پهن فلانچی شکل BOSS شیارهایی ایاد می‌گردد که این شیاها وظیفه اصلی جلوگیری از نشت گاز را فراهم می‌کنند و همچنین باعث استحکام بین لاینر و BOSS نیز می‌گردد.
BOSS ها دارای شکل های مختلف و متنوعی هستند که تاکنون در مخازن CNG استفاده شده اند .
این قطعات معمولاً از آلومینیوم آلیاژزی 6061 و یا فولاد آلیاژی ساخته می‌شوند.
جزء کمپوزتی CNG همانطور که در قسمتهای قبلی توضیح داده شد هر قسمتی از یک مخزن CNG وظیفه خاصی را برعهده دارد.
جزء کامپوزیتی مخزن که از یک کامپوزیت چندلایه (هیبرید) با لایه های مختلف (کربن/ شیشه/ اپوکسی) تشکیل می‌شود توسط فرایند رشته پیچی تولید می‌گردد.
انتخاب فایبرکربنی به دلیل نسبت مقاومت ـ به ـ وزن بالا، خواص خستگی عالی، عدم حساسیت به شرایط محیطی و قابلیت اطمینان آن می‌باشد.
در حالیکه فایبرهای شیشه ای مقاومت اندکی داشته، هدف اصلی استفاده از این ماده کامپوزیتی بهبود تحمل مخزن نسبت به صدمات و ضربات احتمالی می‌باشد.
در واقع وظیفه اصلی قسمت سوم یک مخزن CNG تحمل فشار داخلی مخزن است.
4.
فوم های قالبی تزریق شده بعد از اتمام سوخت بدنه اصلی مخزن، فوم های قالبی تزریق شده روی قسمت گنبدی شکل مخزن نصب می گردند که این عمل باعث دوام و بقای یک مخزن کامپوزیتی می‌شود.
5.
رنگ مخزن پس از اتمام کار ساخت مخزن در نهایت توسط یک نوع پوشش رنگ خاص (پلی‌اورتان) سطح کار رنگ پاشی و علاوه بر حفاظت از قطعات خارجی مخزن باعث زیبایی کار نیز می‌گردد.
بخش پنجم ساخت مخازن CNG پروسه ساخت مخازن نوع اول به دلیل یکپارچگی و تمام فلز بودن آنها چندان پیچیده نیست و ساخت آنها به آسانی در کارگاه امکان پذیراست.
(به جز قسمت های گنبدی شکل ابتدایی و انتهایی که متصل کرن آن به قسمت استوانه ای پیچیدگی خاص خود را دارد).
به همین جهت در این بخش به تکنولوژی ساخت مخازن کامپوزیتی اشاره می‌کنیم که نسبت به مخازن نوع اول از پیچیدگی بیشتری برخوردار است.
مسیر طراحی دستیابیب به تکنولوژی ساخت مخازن NGV4 (تمام کامپوزیتی) بنابه دلایل بر شمرده شده امری لازم و ضروری است و گام های اساسی چند جهت تدوین تکنولوژی ساخت این مخازن پیش بینی گردیده که در حال حاضر پیشرفتهای خوبی در زمینه گردآوری مبنای تحلیلی مخازن استوانه ای از جنس مواد مرکب حاصل گردیده است.
در خصوص طراحی مخزن استوانه ای از جنس مواد مرکب به روش تحلیلی و عددی ضمن ارائه تحلیل سه بعدی با استفاده از معادلات دقیق الاستیسیته برای استوانه های کامپوزیتی جدار ضخیم و مقایسه نتایج به دست آمده با مراجع معتبر، یک برنامه کامپیوتری با قابلیت طراحی مخزن با ورودی های مختلف نیز نوشته شده است.
در کنار تحلیل سه بعدی و برنامه کامپیوتری، یک تحلیل دو بعدی و برنامه کامپیوتری برای مازن جدار نازک کامپوزیتی نیز ارائه گردیده است.
در ادامه حل تحلیل مخزن کامپوزیتی حل عددی آن به دلیل وجود درپوش های انتهای و نازل ها نیز پیگیری شده و مدل کاملاً پارامتی مخزن در نزم افزار Solid work ایجاد و سپس برای تحلیل عددی وارد نرم افزار ANSYS می‌گردد.
در محیط ANSYS نیز با استفاده از یک برنامه پارامتی کلیه مراحل Pre processin وProcessing و حتی Post processin انجام و نتایج به صورت گرافیکی و نمودار نمایش داده می‌شود.
جهت انتخاب نوع درپوش و تعیین پروفیل آن از معادلات دقیق هنسی و تعادل استفاده گردیده و معادلات دیفرانسیل بدست آمده با استفاده از آنالیز عددی حل گردیده است.
در این میان از سه تئوری موجود در زمینه تعیین مسیر الیاف و برنامه کامپیوتری جهت این تحلیل نیز نوشته است.
پس از این با نتیجه گیی از اطلاعات به دست امده از مرحله طراحی، مراحل فرایند ساخت انجام خواهد شد.
در مرحله فرایند ساخت فعالیتهایی چند پیش بینی شده است که عبارتند از: تعین فرایند ساخت لاینر که شامل شناسایی مواد لاینر و شناسایی پروسه ساخت آن می‌باشد.
تعیین فرایند است نازل (BOSS) شامل شناسایی مواد مناسب برای ساخت و تعیین پروسه ساخت آن و نیز انتخاب مکانیزم برای نحوه گازبندی بین BOSS و لاینر ه مهمترین موضوع در این قسمت می باشد.
تعیین فرایند پیچش الیاف بروی مخزن و انتخاب رژیم پخت مناسب با استفاده از اطلاعات بخش طراحی و آنچه پس از این بدست خواهد امد.
فرایندهای ساخت هر کدام از اجزای نام برده شده در قسمت قبل با توجه به نوع، کاربرد و موقعیت آن برای تولید نیاز به دستگاه مخصوص به خود دارد که به ترتیب مختصری در مورد هر کدام توضیحی داده خواهد شد.
از داخلی ترین جزء یک مخزن CNG شروع می‌شود.
این جزء همان لاینریک CNG است در این روش لاینر از یک قسمت استوانه ای شکل و یک قسمت کروی شکل تشکیل شده است.
روش تولید قسمت استوانه ای لاینر (mandrel) همانند روش تولید لوله ها است.
بدین‌ترتیب که با استفاده از فرایند اکستروژن لوله ای به قطرو ضخامت موردنظر با دقت خوبی تولید می‌شود.
دقت در تولید این قسمت به چند دلیل اهمیت دارد که از آن جمله می‌توان به همخوانی اندازه آن با درپوش ها (Caps) هنگام جوش خوردن نام برد.
همچنین یکنواختی ضخامت روی کیفیت جوش این دو قسمت تاثیرگذار است.
قسمت گنبدی شکل سر و ته مخزن CNG معمولاً از طریق روش تزریق در قالب مخصوص تولید می‌گردد.
در این قسمت همچنین بایستی قالب ساخته شده به گونه ای باشد که بتوان BOSS (جزء رابط بین داخل و خارج مخزن CNG) را در موقعیت واقعی خودش قرار داده و سپس عمل تزریق قسمت درپوش کروی شکل لاینر صورت گیرد.
(اولین اتصال بین BOSS و مخزن از طریق لاینر گنبدی شکل صورت می‌گیرد).
بعد از انکه این دو قسمت با شرایط بیان شده تولید گردید بایستی با استفاده از دستگاه مخصوص جوش سر و ته استوانه و قسمت گنبدی مخزن CNG با کیفیت مناسب به هم جوش بخورد.