0
04136674922

انواع مخازن CNG، تاریخچه و فرایند ساخت آن ها

اولین کپسول CNG در سال ۱۹۷۰ میلادی بعد از گذشت ۲۰ سال از جایگزینی مصرف گاز طبیعی به جای سوخت های فسیلی متداول، در ایتالیا از جنس فولاد طراحی شد. قسمت اعظم گاز طبیعی از متان تشکیل شده و حاوی مقادیر بسیار کمی اتان، پروپان، بوتان و پنتان می باشد. امروزه علاوه بر مخازن تمام فولادی، برای حمل و ذخیره گاز از کپسول های آلومینیومی و کامپوزیتی نیز استفاده می شود. اگر چه در این نوشته سعی بر این است که زمینه آشنایی با انواع کپسول های CNG فراهم گردد، اما از آنجایی که پرداختن به جزئیات تمامی انواع در این گفتار نمی گنجد، لذا سعی می شود جزئیات مربوط به كپسول های CNG تمام فولادی با توجه به منابع و استانداردهای مختلف به اختصار آورده شود. این مخازن به علت ایمنی بیشتر، استحکام بالا و فرایند ساخت آسان نسبت به سایر انواع و نیز ارزانی، مورد توجه سازندگان و مصرف کنندگان کپسول های CNG قرار گرفته است. از عمده معایب این مخازن سنگین بودن آن می باشد که امروزه بیشتر تحقیقات به عمل آمده در مورد کپسول تمام فولادی به کاهش وزن آن اختصاص پیدا کرده است. 

 

 

انواع سیلندرهای گاز:

 

معمولاً طبقه بندی سیلندرها یا کپسول های گاز بر اساس کاربرد آن ها صورت می گیرد که به صورت زیر است:

 

  • ۱- کپسول های به کار رفته در پزشکی (Medical Cylinders) جهت نگهداری گاز اکسیژن، ازت و غیره.
  • ۲- کپسول های به کار رفته در آتش نشانی (Fire Extinguisher Cylinders) جهت اطفاء حریق.
  • ۳- کپسول های به کار رفته در صنایع غذایی و نوشابه سازی (Beverage Cylinders)
  • ۴- کپسول های Self – Contained Breathing Apparatuses Cylinders) SCBA) برای کاربردهای هوا نوردی و دریا نوردی.
  • ۵- کپسول های Compressed Natural Gas Cylinders) CNG) برای نگهداری گاز فشرده طبیعی به عنوان سوخت.
  • ۶- کپسول های صنعتی (Industrial Cylinders) برای نگهداری گازهای اکسیژن، دی اکسید کربن و ازت برای مصارف صنعتی.

 

 

کپسول های فوق علاوه بر موارد کاربرد، غالباً در وزن و فشار داخلی نیز با هم متمایزند. تمامی این کپسول ها در ۲٫۵ برابر فشار داخلی مورد آزمون ترکیدگی قرار می گیرند. بنابراین لازم است برای طراحی و ساخت کپسول، استانداردهای بین المللی مورد توجه قرار گیرد. از مشخصه های بارز کپسول های CNG که مورد بحث این نوشتار است و آن را از سایر انواع متمایز می گرداند، فشار داخلی و ضخامت پوسته کپسول می باشد. فشار گاز فشرده طبیعی در داخل کپسول CNG در حالت پایدار و ساکن در حدود ۲۰۰ بار است که این مقدار در حدود ۴۰ تا ۶۰ بار بیشتر از فشار داخلی سایر مخازنی که در بالا به آن اشاره شد، می باشد. ضخامت کپسول های CNG در حدود ۱۸-۵ میلیمتر است. از آنجا که کپسول های CNG غالباً به عنوان منبع سوخت در خودرو مورد استفاده قرار می گیرد لازم است به لحاظ وزن سبك تر از سایر انواع باشد، به عبارتی ضخامت در این نوع کپسول ها کمتر از ضخامت کپسول های دیگر است.

 

 

 

روند ساخت سیلندرهای گاز طبیعی فشرده

 

مصرف چشمگیر گاز طبیعی به عنوان جایگزینی مناسب به جای سوخت های فسیلی متداول، برای اولین بار در ایتالیا و روسیه در بین سال های ۶۰-۱۹۵۰ میلادی اتفاق افتاد. اولین کپسول CNG در ایتالیا از جنس فولاد طراحی شد. در سال ۱۹۷۰ میلادی سیلندرهای جدار ضخیم ساخته شده به عنوان کپسول CNG با مشخصات ذکر شده در استاندارد DOT 3AA مورد ارزیابی قرار گرفت. در همین سال ایتالیا کپسول های فولادی سبك را به منظور ذخیره سازی گاز طبیعی برای استفاده در خودرو تولید کرد. در آمریکای شمالی جایگزینی سوخت CNG به جای بنزین در سال ۱۹۸۰ آغاز شد. به دنبال تقاضای روز افزون برای تولید مخازن سبك، در سال ۱۹۸۲ سیلندرهای آلومینیومی تقویت شده با فایبر گلاس به صورت Hoppy-Wrapped ساخته شد و بالاخره در سال ۱۹۸۵ میلادی به دنبال مطالعات صنایع خودروسازی جهت بیشتر سبك كردن مخازن، کپسول های سبك از لاینرهای فولادی و آلومینیومی تقویت شده با فایبر گلاس به صورت Fully-Wrapped به مرحله تولید رسید.

 

به دنبال گسترش و توسعه استانداردها در زمینه کپسول های CNG در سال ۱۹۹۲ در آمریکا ساخت کپسول های تمام کامپوزیتی و کپسول با پوسته پلاستیکی تقویت شده با الياف فایبرگلاس و کربن شروع شد. از سال ۱۹۷۰ میلادی صنعت تولید کپسول های CNG سراسر دنیا، متکی به استانداردهای ایتالیایی و استاندارد DOT 3AA آمریکا بود. به دنبال ارزیابی کپسول های فولادی با عمر خستگی پایین، نیوزیلند استاندارد NZS 5454 را در سال ۱۹۸۹ میلادی منتشر کرد. ابتدا این استاندارد برای ارزیابی سرویس دهی کپسول CNG و نیز بر روی مخازن فولادی CNG مورد استفاده قرار گرفت، اما بعدها مشخصاتی را برای مخازن کامپوزیتی ارایه کرد. بعد از نيوزيلند، کانادا استاندارد CAS B51 را در سال ۱۹۹۱ معرفی کرد. در این استاندارد، استاندارد NZS 5454 در مورد پوسته های فلزی مستحکم شده با الیاف کامپوزیتی گسترش داده شده بود و نیز آزمون هایی راجع به حصول اطمینان از قابلیت فلز مخزن را شامل شد. در سال ۱۹۹۲ میلادی استانداردهای ۱۱۴۳۹ ISO و NGV2 به طور همزمان توسعه یافت. در تمامی استانداردهای مربوط به طراحی و ساخت کپسول های CNG، این کپسول ها به لحاظ مواد به کار رفته در ساخت، به کپسول های تمام فلزی، فلزی – کامپوزیتی و تمام کامپوزیتی طبقه بندی شده است. مطابق با استانداردهای NGV2 و ۱۱۴۳۹ ISO کپسول CNG به چهار نوع تقسیم بندی می شود.

 

 

 

انواع مخازن یا سیلندرهای CNG

 

  • ۱- سیلندر نوع اول (CNG I)

 

سیلندر نوع اول، تمام فلزی است که از فولاد و یا آلیاژهای آلومینیم ساخته می شود. این نوع سیلندر برای تحمل فشار ۲۰۰ بار طراحی می شود.

 

 

مخازن CNG نوع اول

 

 

 

  • ۲- سیلندر نوع دوم (CNG II)

 

سیلندر نوع دوم شامل پوسته های فلزی است که با الیاف کامپوزیتی تقویت شده است. در این نوع سیلندر قسمت طولی سیلندر الياف پیچی می شود، اما قسمت سر و انتهای آن الياف پیچشی نمی شود. به این نوع سیلندر Hoppy-Wrapped گفته می شود. در سیلندر های H.W پوسته فلزی عموماً برای تحمل فشار ۱۰۰ بار طراحی می شود که تقریباً نصف فشار کاری در سیلندر های تمام فلزی است. با الیاف پیچی پوسته فلزی تحمل فشار سیلندر تا ۲۰۰ بار افزایش می یابد. پوسته فلزی به کار رفته در این نوع سیلندر غالباً از جنس آلیاژهای آلومینیوم Al 606IT6 ،Al 6062 ،Al 70XX و یا فولاد ۳۴CrMo4 است.

 

 

مخازن CNG نوع دوم

 

 

 

  • ۳-سیلندر نوع سوم (CNG III)

 

ساختمان این نوع سیلندر مثل سیلندر نوع دوم می باشد، با این تفاوت که کل پوسته فلزی با الیاف کامپوزیتی پوشانده می شود، به این نوع سیلندر ها، Fully Wrapped گفته می شود. در سیلندر نوع سوم پوسته فلزی برای تحمل فشار ۴۰ بار طراحی می شود و در برخی موارد امکان جایگزینی پوسته فلزی با پوسته پلاستیکی عموماً از جنس پلی اتیلن وجود دارد. برای ساخت سیلندر های F.W از پوسته هایی با جنس آلومینیوم ۶۰۶۹، آلومینیوم ۶۰۶۱T6، فولاد زنگ نزن، نایلون و پلی اتیلن استفاده می شود که این پوسته ها با الیاف اپوکسی، نایلون و پلی استر برای تحمل فشار ۲۰۰ بار استحکام دهی می شود. لازم به ذکر است که در این سیلندر ها بر خلاف سیلندرهای نوع دوم از پوسته های فولادی مولیبدن دار استفاده نمی شود چرا که طراحی و ساخت این پوسته ها برای تحمل ۲۰ یا ۴۰ بار، به لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نیست.

 

 

مخازن CNG نوع سوم

 

 

 

  • ۴- سیلندر های نوع چهارم (CNG IV)

 

در  سال ۱۹۵۰ جایگزینی مواد کامپوزیتی به جای آلیاژهای آلومینیومی و سایر آلیاژهای سبك توسعه يافت. این روند از توسعه، در سال ۱۹۶۰ با کاربرد مواد کامپوزیتی در ساخت تسلیحات و تجهیزات نظامی کامل تر گشت تا جایی که امروزه حتی در ساخت وسایل ورزشی و صنعت خودرو از این مواد استفاده می شود. مواد کامپوزیتی به علت داشتن نسبت استحکام به وزن بالا، استحکام خستگی و مقاومت به خوردگی بالا مورد توجه صنعتگران قرار گرفته است. بیش از ۱۰ سال است که محققین مطالعات وسیعی را در زمینه ساخت سیلندرهای CNG تمام کامپوزیتی شروع کرده اند. برای ساخت سیلندرهای تمام کامپوزیتی به هیچ نحو از فلز استفاده نمی شود. این سیلندرها به طور کلی از کامپوزیت ساخته شده و نسبت به سایر انواع با حجم یکسان سبك ترین و گران ترین می باشند.

 

 

 

مخازن CNG نوع چهارم

 

 

 

شکل شماتیک انواع مخازن CNG

 

 

 

فرایند ساخت مخازن CNG تمام فولادی

 

برای ساخت مخازن CNG فولادی بر اساس شکل مواد اولیه به کار رفته از فرایند اولیه متفاوتی استفاده می شود. بر این اساس، روش ساخت مخازن CNG را می توان به سه نوع زیر دسته بندی کرد:

 

  • ساخت مخزن از لوله بدون درز
  • ساخت مخزن از شمشال یا بیلت
  • ساخت مخزن از ورق

 

در این روش ها، از فرایندهایی چون شکل دهی چرخشی یا اسپینینگ داغ (Hot Spinning)، حدیده کاری غلتکی یا فلوفورمینگ (Flow Forming)، کشش عمیق (Deep Drawing) و سنبه کاری (Piercing) به طور جداگانه و یا تلفيقی برای ساخت مخازن تمام فولادی استفاده می شود. در ادامه این نوشته، توضیحاتی در خصوص روش های ساخت این نوع مخازن داده می شود.

 

مخزن CNG را می توان به لحاظ شکل ظاهری به سه قسمت مجزا از هم تقسیم کرد. قسمت اول مربوط به منطقه گلویی شکل است. قسمت استوانه ای که دو منطقه گلویی و انتهایی را به هم مربوط می سازد، جزء دوم را تشکیل می دهد. قسمت سوم که منطقه انتهایی را شامل می شود به لحاظ هندسی به شکل نیمکره یا عدسی است. براساس اینکه کدام جزء از اجزاء سه گانه مخزن ساخته می شود، فرایند ساخت و یا شکل دهی تغییر می کند. در حالت کلی فرایند ساخت شامل دو مرحله می باشد.

 

در مرحله اول قسمت انتهایی به همراه قسمت استوانه ای ساخته می شود (عمليات تحتانی یا Bottoming) و در مرحله دوم، قسمت گلویی شکل دهی می شود (عملیات گلویی کردن یا Necking).

 

 

  • مرحله اول ساخت مخزن فولادی از ورق، لوله و بیلت:

 

ساخت از ورق:

 

در روش ساخت کپسول از ورق، کویل های فولادی بعد از انجام آنیل و مسطح سازی (Flatting)، به منظور انجام عملیات کشش عمیق، بریده شده و تحت کشش عمیق قرار می گیرد.

 

 

ساخت از لوله بدون درز:

 

در تولید مخزن CNG از لوله های بدون درز، انتهای سیلندر به روش چرخشی شکل دهی می شود. در صورتی که بدنه استوانه ای شكل نیاز به کاهش ضخامت داشته باشد، محصول تحت عملیات فلوفورمینگ نیز قرار می گیرد. برای ساخت منطقه انتهایی مخزن، لوله بدون درز در فرآیند شکل دهی چرخشی یا اسپینینگ، توسط يك فشار موضعی فرم دهی می شود. در این روش بعد از حرارت دادن انتهای سیلندر در يك کوره القایی، سیلندر با يك حمال به داخل مرغك دستگاه CNC حمل شده و شروع به چرخیدن می کند. غلتك شكل دهنده به منظور ایجاد فشار موضعی و در نهایت ایجاد تغيير شكل، به طور مرتب در طول يك مسير از پیش طراحی شده حرکت کرده و پروفیلی از ضخامت را در انتهای لوله ایجاد می کند که نهایتاً در پاس آخر فرایند شکل دهی، انتهای لوله بسته می شود. با طراحی شكل و زاویه غلتك امكان شكل دهی انتهای لوله به صورت نیمکره یا پوسته عدسی شکل وجود دارد.

 

 

ساخت از شمشال:

 

برای ساخت قسمت انتهایی مخزن CNG از شمشال یا بیلت، فرایند سنبه کاری (Piercing) مورد استفاده قرار می گیرد. در این روش شمشال های فولادی بعد از حرارت دادن تا دمای ۱۲۶۰ درجه سانتیگراد تحت عملیات سنبه کاری قرار می گیرند. بعد از شکل دهی قسمت انتهایی مخزن، محصول به دست آمده تحت فرایند اتوكاری (Ironing) قرار می گیرد. مكانيزم به کار رفته در این فرایند جهت کاهش ضخامت، بر سيلان فلز استوار است.

 

 

  • مرحله دوم ساخت مخزن فولادی از ورق، لوله و بیلت:

 

بعد از انجام مرحله اولیه ساخت مخزن نوع اول CNG که طی آن قسمت انتهایی همراه با قسمت بدنه مخزن به دست می آید، مرحله دوم فرایند ساخت، جهت شکل دهی قسمت گلویی شکل مخزن (Necking) آغاز می شود. این فرایند برای تمامی حالات ساخت کپسول ار سیلندر بدون درز، ورق و یا شمشال یکسان می باشد. برای شکل دهی منطقه گلویی لازم است انتهای دیگر کپسول توسط کوره القایی برای انجام کار گرم حرارت دهی گردد. بعد از ایجاد حرارت لازم، پروفیل گلویی در انتهای کپسول با دستگاه CNC و توسط فرایند اسپینینگ یا شکل دهی چرخشی ایجاد می شود.

 

 

ویدیویی از ساحت گلویی مخزن با فرایند اسپینینگ را می توانید در نوشته زیر از عصر مواد ببینید:

 

ساخت گلویی مخزن CNG به روش اسپینینگ یا شکل دهی چرخشی داغ لوله

 

 

 

فرایند کامل ساخت مخازن CNG از لوله، ورق و شمشال را از ایتدا تا انتهای آن در شکل های زیر نشان داده ایم:

 

 

فرایند کامل ساخت مخازن CNG از لوله

 

 

فرایند کامل ساخت مخازن CNG از ورق

 

 

فرایند کامل ساخت مخازن CNG از شمشال

 

 

 

منبع: بیشتر قسمت های این نوشته از مقاله “مروری بر توسعه و ساخت کپسول های تمام فولادی CNG” نوشته ی مهندس علی سالمی گلعذانی و دکتر امیر عبدالله زاده و منتشر شده در فصلنامه مهندسی متالورژی می باشد. بخشی از مطلب به همراه تصاویر نیز توسط عصر مواد اضافه شده است.

 

ارسال دیدگاه