مدیریت ایمنی وسلامتی شغلی استان زنجان

روش‌هاي تست انواع مخازن CNG

 با توجه به طراحي اكثر سيستم‌هاي جايگزين سوخت‌هاي فسيلي (نظير خودروهاي برقي، پيل‌هاي سوختي و غيره) آن‌طور كه پيش‌بيني مي‌شد، اين سيستم‌ها داراي مشكلات خاص خود مي‌باشند و در آينده نزديك نمي‌توان از اين سيستم‌ها به‌طور انبوه استفاده كرد. بنابراين در كشورهاي مختلف رويكردهاي متفاوتي در اين زمينه صورت گرفت. در كشور ما نيز با توجه به منابع گازي فراوان، دوگانه‌سوز كردن خودروها يكي از بهترين راه‌حل‌هاي ممكن به نظر مي‌رسيد. بنابراين خودروسازان كشورمان به دوگانه‌سوز كردن خودروها روي آوردند. يكي از قسمت‌هاي اصلي خودروهاي دوگانه‌سوز، قسمت مخزن سوخت است كه اغلب اطلاعات ما در مورد آن كم است و شايد سؤالاتي نظير اينكه انواع مخازن موجود در خودرو به چند دسته تقسيم مي‌شود و يا اينكه روش‌هاي توليد و آزمايش‌هاي فني براي توليد مخازن چه مواردي است، هنوز بي‌پاسخ مانده باشد در اين مقاله سعي در توضيح اين موارد داريم.

انواع مخازن CNG

الف: نسل اول: مخازن فولادي

اين مخازن بدون درز و از جنس فولاد يا آلومينيم و جزء اولين مخازن مورد استفاده در خودروهاي دوگانه مي‌باشند كه رنج وزن به ليتر آنها در حدود (1.2 to 1.5 Kg/litr) است و يكي از معايب آن وزن سنگين اين مخازن است. اين مخازن تا اواخر سال 1970 ميلادي توليد مي‌شدند. نوع آلياژ مورد استفاده و همچنين تنش‌هاي طراحي اين مخازن در استاندارد خاصي معرفي نشده است، اما در كل يك سري آزمايش‌ها را براي صحت عملكرد مخازن بايد پشت سر گذاشته باشند.

ب: نسل دوم: مخازن كمرپيچ

اين نوع مخازن داراي يك لايه از جنس فولاد يا آلومينيم بدون درز است و قسمت استوانه‌اي اين لايه داخلي توسط الياف شيشه، آراميد، كربن يا مخلوطي از آنها كه آغشته به رزين است پيچيده شده است و اين ساختار كامپوزيتي كه به مخزن داده شده، اين امكان را به وجود مي‌آورد كه بتوان از ضخامت قسمت فلزي كاست و در نتيجه مخزن سبك‌تري را به دست آورد. اين مخازن در جهت شعاعي (به جز دو قسمت ابتدايي و انتهايي) تقويت شده‌اند. وزن به ليتر اين مخازن در حدود (0.7 to 1.4 Kg/ litre)است. رزين مورد استفاده در مخازن كامپوزيتي از نوع Thermoplastic و يا از نوع Thermosetting مي‌باشد. اين مخازن از سال 1980 ميلادي ساخته شدند و مبناي طراحي آنها توانايي آسترهاي فولادي در تحمل بيشينه فشار پر شدن مخزن است.

ج: نسل سوم: مخازن فلزي و كامپوزيتي

اين نوع مخازن، داراي لايه‌اي داخلي (Liner) از جنس فولاد يا آلومينيوم بدون درز است و تمام اين لايه توسط الياف شيشه، آراميد، كربن يا مخلوطي از آنها كه آغشته به رزين است در راستاي محيطي و محوري پيچيده شده و اين ساختار كامپوزيتي باعث مي‌شود كه بتوان از ضخامت قسمت فلزي كاست و در نتيجه مخزن سبك‌تري را نسبت به نوع اول و دوم به دست آورد. وزن به ليتر اين مخازن نيز در حدود (0.3 to 0.4 Kg/ litre) است. اين گونه مخازن از اواسط دهه 70 ميلادي براي ذخيره گاز اكسيژن در مصارف پزشكي استفاده مي‌شوند. تقويت اين مخازن با الياف كامپوزيت در دو جهت، قابليت تحمل فشار را نسبت به مخازن نوع دوم، افزايش مي‌دهد.

د: نسل چهارم: مخازن تمام كامپوزيت

اين نوع مخزن، داراي لايه‌اي از جنس پليمر بدون درز است و تمام اين لايه توسط الياف شيشه، آراميد، كربن يا مخلوطي از آنها كه آغشته به رزين است پيچيده شده و اين ساختار تمام كامپوزيت از سبك‌ترين انواع در مخازن CNG است و احتمال تركيدن مخزن در حوادث بسيار پايين است. وزن به ليتر اين مخازن نيز در حدود (0.35 to 0.5 Kg/ litre) است. در ساخت اين نوع مخازن، از فناوري بالايي استفاده شده است و تعداد سازندگاني كه از اين نوع مخازن توليد مي‌كنند بسيار معدودند. اين نوع مخازن گران‌تر از ساير انواع خود مي‌باشند.

اشكال عمده اين مخازن، ايجاد نشتي به مرور زمان در محل اتصال نافي فلزي و آستر پليمري مي‌باشد همچنين به علت عدم انتقال حرارت مناسب آستري پلاستيكي، حين سوخت‌گيري سريع در اين مخازن افزايش دماي نسبتاً بيشتري ايجاد مي‌شود.

اجزاي مخزن نسل چهارم

1 . آستر: اين قسمت از مواد پليمري، الاستومري يا پلي‌اورتان با چگالي بالا (HDPE) توليد مي‌شود.

2 . نافي فلزي: اين قطعه دو وظيفه اصلي دارد.

الف: زمينه مناسب را براي الياف‌پيچي كامپوزيتي به دليل شكل فلنجي مهيا مي‌كند

ب: وسيله ارتباط ورود و خروج گاز را بين مخزن و تأسيسات خارجي مخزن به عهده دارد

3 . قسمت كامپوزيتي مخزن: اين قسمت از يك كامپوزيت هيبريد با لايه‌هاي مختلف (كربن - شيشه - اپوكسي) تشكيل شده و توسط فرايند الياف‌پيچي توليد مي‌شود.

4 . فوم‌هاي قالبي تزريق شده: پس از اتمام ساخت بدنه اصلي مخزن، فوم‌هاي قالبي تزريق شده روي قسمت گنبدي‌شكل مخزن نصب مي‌شوند كه اين عمل باعث دوام و بقاي مخزن كامپوزيتي مي‌شود.

5 . رنگ مخزن: پس از اتمام ساخت مخزن، سطح آن توسط رنگ خاصي (پلي اورتان) پوشش داده مي‌شود.

آزمون‌هاي تأييد ايمني مخازن

اين آزمون‌ها مي‌تواند شامل انواع روش‌هاي چك تحمل آسيب، آزمون‌هاي چرخه عمر و آزمون‌هاي محيطي باشد كه به طور مختصر به چند مورد از آنها اشاره مي‌كنيم.

1 . آزمون قرارگيري در معرض آتش

در اين آزمايش مخزني كه از گاز طبيعي پر شده است به صورت افقي با فاصله 100 ميليمتري منبع آتش قرار مي‌گيرد. اين منبع بايد 65/1 متر طول داشته باشد و كل مخزن را پوشش دهد. در مدت 5 دقيقه بايد دما به 590 درجه سانتيگراد برسد. اين دما توسط سه ترموكوپل كه روي مخزن قرار دارند اندازه‌گيري مي‌شود. در اين آزمون مخزن نبايد منفجر شود و بايد گاز از شيرآلات سر مخزن كه مجهز به وسيله اطمينان تخليه فشار است خارج شود.

2 . آزمون سقوط 　

در اين آزمايش، مخزن بدون اعمال فشار داخلي و نصب شير در دماي محيط به صورت افقي از فاصله 1.8 متري رها مي‌شود. سپس مخزن را در 3000 چرخه در دماي محيط تحت چرخه فشار بين 20 تا 260 بار قرار مي‌دهيم كه در اين حالت نبايد هيچ نشتي داشته باشد. سپس تحت 12000 چرخه ديگر قرار مي‌دهيم. در اين حالت اگر نشتي داشته باشد مجاز است، ولي از خود آن مخزن نمي‌توان استفاده كرد.

3 . آزمون تركيدن تحت فشار هيدرواستاتيك

در اين حالت مخزن با آب پر شده تا مرحله تركيدن تحت فشار قرار مي‌گيرد. حداقل فشار تركيدن بايد بالاي 450 بار باشد.

4 . آزمون دوره‌اي فشار در دماي محيط

در اين حالت سعي مي‌شود كه مخزن از يك سيال غيرخورنده پر شود و تحت چرخه فشار 20 تا 260 بار قرار گيرد. نرخ چرخه بايد كمتر از 10 چرخه در هر دقيقه باشد. مخازن نبايد پيش از رسيدن به 100 برابر عمر كاري كه بر حسب سال مي‌باشد خراب شوند.

5 . آزمون مواداوليه

در اين آزمون مواد اوليه و تشكيل‌دهنده مخزن آزمايش‌هاي مقاومت كششي، خورندگي، ضربه، ترك، خميري شدن و ... را پشت سر مي‌گذارند.

6 . آزمون نشت پيش از شكست

در اين آزمون مخزن تحت فشار بين 20 الي 300 بار قرار مي‌گيرد. نرخ چرخه فشار بايد كمتر از 10 چرخه در هر دقيقه باشد. اين مخازن بايد بر حسب نشت مردود شوند و نه گسيختگي، يا اين كه بيش از 45000 چرخه مقاومت كنند.

7 . آزمون نفوذ گلوله

در اين آزمون، مخزن با فشار 200 بار پر شده و تحت شليك يك گلوله جنگي با قطر 62/7 ميليمتر قرار مي‌گيرد. در اين حالت مخزن نبايد دچار گسيختگي يا انفجار شود. بايد توجه داشت كه در مخازن 2، 3 و 4 بايد گلوله تحت زاويه 45 درجه به جداره مخزن برخورد كند.

8 . آزمون محيط اسيدي

مخزن را تحت فشار هيدرواستاتيك 260 بار قرار داده، سپس ناحيه‌اي از سطح آن را به قطر 150 ميليمتر به مدت 100 ساعت در معرض محلول اسيد سولفوريك با وزن مخصوص 219/1 قرار داده و تا مرحله تركيدن ادامه مي‌دهيم. فشار تركيدن بايد بيش از 85 درصد حداقل فشار طراحي باشد.

9 . آزمون تحمل خرابي

در اين آزمون دو شكاف، يكي به طول 25 ميلي‌متر و به عمق 25/1 ميلي‌متر و ديگري به طول 200 ميلي‌متر و عمق 75/0 ميلي‌متر در جهت طولي، روي جداره مخزن ايجاد مي‌شود. سپس مخزن در دماي محيط تحت‌فشار 20 تا 260 بار قرار مي‌گيرد. چرخه فشار ابتدا به تعداد 3000 چرخه و پس از آن به تعداد 12000 چرخه ديگر انجام مي‌شود. مخزن در چرخه اول نبايد گسيخته شود ولي در 12000 چرخه بعدي مي‌تواند دچار نشتي شود. توجه داشته باشيد كه اين آزمون صرفاً براي مخازن نوع 2، 3 و 4 به كار مي‌رود.

10 . آزمون خيزش در دماي بالا

در اين آزمون مخزن در فشار 260 بار به مدت 200 ساعت در دماي 100 درجه سانتيگراد نگه داشته مي‌شود. سپس آزمون‌هاي هيدرواستاتيك، نشت، تركيدن با فشار هيدرواستاتيك روي آن اعمال مي‌شود كه بايد در همه آزمون‌ها قبول شود. اين آزمون نيز براي مخازن 2 به بالا اعمال مي‌شود.

11 . تسريع گسيختگي ناشي از تنش

مخزن تحت فشار هيدرواستاتيك، 260 بار به مدت 1000 ساعت در دماي 65 درجه سانتيگراد نگه داشته مي‌شود. سپس آزمون تركيدن تحت فشار هيدرواستاتيك تا فشار تركيدن روي آن انجام مي‌شود با اين تفاوت كه اين بار، فشار تركيدن بايد از 85 درصد حداقل فشار طراحي براي تركيدن، فراتر رود.

12 . چرخه فشار در دماي بالا و پايين

ابتدا مخزن بدون فشار را به مدت 48 ساعت در دماي 65 درجه سانتيگراد يا بالاتر در محيطي با رطوبت بيشتر از 95 درصد قرار مي‌دهند. سپس در همان شرايط مخزن را 500 چرخه تحت فشار 20 تا 260 بار قرار مي‌دهيم. نرخ فشار اعمالي بايد كمتر از 10 سيكل در دقيقه باشد. در مرحله بعد، مخزن در دماي 40- درجه سانتيگراد، 500 برابر عمر كاري بر حسب سال، تحت فشار بين 20 تا 200 بار قرار مي‌گيرد كه در اين آزمايش نيز بايد نرخ فشار سيكلي اعمال شده از 3 سيكل در دقيقه كمتر باشد. در مرحله بعد، در دماي بالا مخزن تحت آزمون هيدرواستاتيك قرار مي‌گيرد تا خراب شود. حداقل فشار تركيدن بايد برابر 85 درصد حداقل فشار تركيدن طراحي باشد. در مخازن نوع چهارم يك مرحله مانده به آخر، يك آزمون نشت نيز انجام مي‌شود.

13 . مقاومت برشي كامپوزيت (رزين)

در اين آزمون، قطعه‌اي كوچك از كامپوزيت آزمايش مي‌شود. به اين صورت كه قطعه موردنظر 24 ساعت در آب جوشانده شده، سپس مقاومت برشي آن حساب مي‌شود كه اين مقدار بايد حداقل 13.8 MPa باشد.

14 . آزمون گشتاور نصب شيرآلات سر مخزن

در اين آزمون ابتدا بايد با دو برابر گشتاور مشخص شده توسط سازنده شيرآلات سر مخزن در جهت بستن اتصال رزوه‌اي و سپس در جهت باز كردن آن و در نهايت دوباره در جهت بستن اعمال شود و مخزن در معرض آزمون نشت قرار گيرد.

15 . آزمون نشت گاز

در اين آزمون مخزن پر شده با فشار كاري در دماي محيط به مدت 500 ساعت در داخل يك اطاق بسته قرار داده شده و از نظر نشتي، بررسي مي‌شود. ميزان نشت گاز نبايد بيشتر از 25/0 ميلي‌ليتر در ساعت باشد.

16 . آزمون چرخه گاز طبيعي

در اين آزمون، مخزن تحت 1000 چرخه قرار مي‌گيرد. مدت زمان پر شدن مخزن بايد حداكثر 5 دقيقه باشد. سپس آن را تحت آزمون نشت قرار داده و پس از تكميل آزمون‌ها، مخزن برش زده شده و از نظر وجود نشانه هرگونه خرابي نظير ترك‌خوردگي ناشي از خستگي و... بازبيني مي‌شود.

بهمن محمد حسين رحمتي