NGV 102 : ถังบรรจุก๊าซธรรมชาติกับยานยนต์ โดย สแกน อินเตอร์

ถังบรรจุก๊าซสำหรับยานยนต์

จากปัญหาการขึ้นราคาเชื้อเพลิงที่เกิดขึ้นในปัจจุบัน การนำก๊าซธรรมชาติและก๊าซปิโตรเลียมเหลว มาประยุกต์ใช้งานกับยานยนต์เป็นที่แพร่หลายมากขึ้น โดยถังบรรจุก๊าซสำหรับยานยนต์จำแนกออกเป็น 2 ประเภท ได้แก่

1.       ถังบรรจุก๊าซธรรมชาติสำหรับยานยนต์ (NGV)

1.1 ประเภทของถังบรรจุก๊าซ NGV

ถังที่ใช้บรรจุก๊าซธรรมชาติสำหรับยานยนต์ที่ใช้ระบบ NGV โดยทั่วไปจะแบ่งออกได้เป็น 2 ชนิดหลักๆ คือ ถังที่ทำด้วยเหล็กหรืออลูมิเนียม และถังที่ทำด้วยพลาสติกและเสริมด้วยวัสดุใยแก้ว แต่เนื่องจากถังบรรจุก๊าซมักมีขนาดใหญ่ และน้ำหนักมาก จึงมีการพัฒนาเพื่อให้น้ำหนักเบาลง และมีความทนทานมากขึ้น ซึ่งในปัจจุบัน มีการผลิตถังอยู่ 4 ชนิดด้วยกัน คือ

ชนิดที่1 ทำด้วยเหล็ก หรือ อลูมิเนียม (Type1)

ชนิดที่2 ทำด้วยเหล็ก หรือ อลูมิเนียม และหุ้มด้วยวัสดุใยแก้ว หรือเส้นใยคาร์บอน ล้อมรอบตัวถัง (Type2)

ชนิดที่3 ทำด้วยแผ่นอลูมิเนียมที่บางกว่าชนิดที่ 2 หุ้มด้วยวัสดุใยแก้วหรือเส้นใยคาร์บอนตลอดตัวถัง (Type3)

ชนิดที่4 ทำด้วยแผ่นพลาสติกและหุ้มด้วยวัสดุใยแก้วและเส้นใยคาร์บอนผสมกัน (Type4)

สามารถเปรียบเทียบความแตกต่างของแต่ละประเภทได้ดังนี้

ตารางที่ 1 การเปรียบเทียบคุณสมบัติของถังก๊าซ NGV

ประเภทถังก๊าซ NGV

วัสดุที่ใช้

กระบวนการผลิต

คุณลักษณะเฉพาะ

Type 1

เหล็ก

รีดและอัดขึ้นรูปด้วย

ความร้อน

น้ำหนักมากแต่ราคาถูก

Type 2

เหล็กหรืออลูมิเนียมและ

ไฟเบอร์

เสริมแรงถังด้วยไฟเบอร์พันรอบ

น้ำหนักเบาลงกว่าถังเหล็ก

Type 3

เหล็กหรืออลูมิเนียมและ

ไฟเบอร์

เสริมแรงถังด้วยไฟเบอร์พันรอบ

น้ำหนักเบาลงอีกระดับหนี่ง

Type 4

ไฟเบอร์ผสม

ไฟเบอร์รับแรงอย่างเดียว

น้ำหนักเบาที่สุดแต่ราคาสูง

 

ที่มา : Norman L. Newhouse, Ph.D., P.E. Manager, Design Engineering และ Dale B. Tiller, P.E. Manager, NGV Product Development "Development of All-Composite NGV Fuel Containers" May 1998.

ชนิดของถังแก๊ส

รูปที่ 1 รูปแบบการเปรียบเทียบถังก๊าซ NGV ประเภทต่างๆ

ถังแก๊สชนิดที่ 1 ของบริษัทสแกนอินเตอร์

รูปที่ 2 ตัวอย่างถังก๊าซ NGV Type 1

ถังแก๊ส Type 2 ของบริษัทสแกนอินเตอร์

รูปที่ 3 ตัวอย่างถังก๊าซ NGV Type 2

ถังแก๊สซีเอ็นจี Type 3 ของบริษัทสแกนอินเตอร์

รูปที่ 4 ตัวอย่างถังก๊าซ NGV Type 3

ถังแก๊สซีเอ็นจี Type 4 ของบริษัทสแกนอินเตอร์

รูปที่ 5 ตัวอย่างถังก๊าซ NGV Type 4

 

1.2 มาตรฐานถังบรรจุก๊าซ NGV

การรับรองมาตรฐานของถังบรรจุก๊าซมีหน่วยงานทั้งที่เป็นภาครัฐและหน่วยงานอาสาสมัครเข้ามาดำเนินการ ได้แก่ มาตรฐาน NGV2, FMVSS 304, CSA B-51 Part 2 และ ISO/DIS 11439 เป็นต้น ในช่วงเวลาสามปีที่ผ่านมา คณะกรรมการของ ISO/DIS 11439, NGV 2 และ CSA B-51 Part 2 ได้มีการปรับเปลี่ยนมาตรฐานให้มีความสอดคล้องกับมาตรฐานที่จำเป็นต้องมีการทดสอบ โดยครอบคลุมถึงสภาพการใช้งาน การรับประกันคุณภาพ การทดสอบวัสดุที่ใช้ การทดสอบการผลิต และการทดสอบคุณสมบัติของถังบรรจุก๊าซ ดังนี้

- สภาพการใช้งาน (Service Conditions) ได้กำหนดมาตรฐานการออกแบบ การทดสอบ และความปลอดภัยของถังบรรจุก๊าซให้มีอายุการใช้งานไม่เกิน 20 ปี ที่ระดับแรงดัน 200-240 บาร์ (200 – 240 เท่า ของบรรยากาศ) ณ อุณหภูมิ 15 องศาเซลเซียส (หรือเท่ากับ 3,000 – 3,600 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว ณ อุณหภูมิ 70 องศาฟาเรนไฮท์) และกำหนดให้ถังบรรจุก๊าซต้องมีการตรวจสอบทุกๆ 3 ปี หรือ หลังจากการเกิดอุบัติเหตุ

- การรับประกันคุณภาพ (Quality Assurance) เกี่ยวข้องกับระยะเวลาในการทดสอบ และ ตรวจสอบคุณภาพของถัง เพื่อให้ผู้ผลิตสามารถผลิตถังได้ตามมาตรฐานการออกแบบและทดสอบ ซึ่งส่วนใหญ่จะควบคุมดูแลโดยหน่วยงานของรัฐ และมีคณะกรรมการ NGV 2 เป็นผู้กำหนดแนวทางปฏิบัติ ทั้งนี้ ผู้ผลิตที่มีระบบตรวจสอบคุณภาพจะต้องลงทะเบียนให้เป็นไปตามมาตรฐาน ISO 9001-9002 เพื่อนำไปสู่การตรวจสอบและทดสอบการผลิต หรืออาจจ้างผู้ตรวจสอบอิสระ เข้ามาทำหน้าที่ตรวจสอบ และทดสอบระบบคุณภาพ ของผู้ผลิตเป็นระยะๆ โดยผู้ตรวจสอบจะต้องให้การรับรองว่า วัสดุที่ใช้และการออกแบบเป็นไปตามที่มาตรฐานกำหนด

- วัสดุและการทดสอบวัสดุที่ใช้ (Materials and Material Testing) ในส่วนตัวถังบรรจุก๊าซที่เป็นถังชั้นนอก และถังชั้นใน ต้องทำด้วยเหล็ก หรืออลูมิเนียม ซึ่งได้รับการทดสอบแล้วว่า มีความแข็งแรงทนต่อแรงกระทบ และการผุกร่อน ในส่วนที่เสริมด้วยเส้นใย ต้องทำจากเส้นใยคาร์บอน และเส้นใยแก้วตามสัดส่วนที่กำหนด ซึ่งทดสอบแล้วว่าทนต่อแรงระเบิดได้ นอกจากนี้เรซินที่ใช้เคลือบ ต้องเป็นวัสดุพลาสติก ที่ทำให้อ่อนตัวได้โดยใช้ความร้อน โดยคุณสมบัติเดิมไม่เปลี่ยนแปลง (Thermoplastic) หรือเป็นพลาสติกชนิดที่ถูกความร้อนครั้งหนึ่งแล้วก็หมดคุณสมบัติในการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง (Thermosetting plastic)

- การทดสอบการผลิต (Batch and Production Testing) เป็นการสุ่มตัวอย่างในการผลิตแต่ละครั้ง เพื่อทดสอบให้มั่นใจว่าในการผลิตถังบรรจุก๊าซแต่ละครั้ง มีการออกแบบ และทำตัวถังเหมือนกันทุกครั้ง หรือมีความคงที่ในกระบวนการผลิต โดยไม่มีการปรับลดคุณสมบัติของวัสดุที่ใช้ในการผลิต การทดสอบจะรวมถึงการขยายตัวของถังชั้นนอก และถังชั้นใน การเคลือบ การรั่ว ความสมดุลของของเหลว การระเบิด และระยะเวลาการใช้งาน เพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีความชำรุดเสียหายหรือรอยร้าวของถัง

1.3 การทดสอบคุณสมบัติถังบรรจุก๊าซ NGV

การทดสอบเพื่อให้มั่นใจว่าการ ออกแบบถังบรรจุก๊าซจะมีความปลอดภัยตลอดอายุการใช้งาน โดยจะมีการทดสอบเมื่อมีการออกแบบถังใหม่ หรือเมื่อมีการปรับปรุงถังที่ใช้งานอยู่แล้ว การทดสอบคุณสมบัติของถังมีหลายวิธี ได้แก่

- การทดสอบการระเบิด (Burst) เพื่อให้มั่นใจว่าการออกแบบถังมีพื้นฐานที่สมบูรณ์ และมีการเสริมเส้นใยตามอัตราส่วนที่กาหนดไว้

- การทดสอบรอบการใช้งานในสภาพบรรยากาศ (Ambient Cycling) เป็นการทดสอบการรั่ว หรือการแตกร้าวของถัง โดยทดสอบรอบการใช้งาน ณ ระดับอุณหภูมิที่แตกต่างกัน

- การทดสอบการไหม้ไฟ (Bon fire) เป็นการทดสอบโดยนำถังบรรจุก๊าซไปวางไว้ในกองไฟ ณ ระดับแรงดันใช้งานที่ 25% และ 100% เพื่อตรวจสอบการออกแบบและการติดอุปกรณ์ลดแรงดันของถังที่เหมาะสม

- การทดสอบการทนต่อการแตกร้าว (Flaw Tolerance) เป็นการใช้เครื่องจักรทดสอบภายนอก ของถังเพื่อตรวจสอบความคงทนต่อการแตกร้าวของถัง

-การทดสอบการตกจากที่สูง (Drop) เป็นการทดสอบการปล่อยถังตกมาจากที่สูง ตามแนวนอนที่ระดับความสูง 3 เมตร ลงบนพื้นคอนกรีต และตามแนวตั้งที่ระดับความสูง 1.8 เมตร เพื่อตรวจสอบการรั่ว หรือรอยแตกซึ่งเป็นผลมาจากการตกลงมาจากที่สูง

-การทดสอบโดยใช้ปืนยิง (Gunfire) เป็นการทดสอบเพื่อตรวจสอบความแข็งแรงของถัง โดยใช้อาวุธปืนขนาดลำกล้อง 30 มิลลิเมตร มีความเร็วของวิถีการยิงที่ 850 เมตรต่อวินาที

เนื่องจากก๊าซธรรมชาติมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำมัน รถ NGV จึงควรมีถังบรรจุก๊าซติดตั้งที่รถ ประมาณ 2-4 ถัง เพื่อให้สามารถวิ่งได้ระยะทางเกินกว่า 250 ไมล์ หรือเกินกว่า 400 กิโลเมตรโดยประมาณ แต่ถังบรรจุก๊าซมีขนาดใหญ่และน้ำหนักมากจึงเป็นปัญหาหลักของรถ NGV ถึงแม้ว่า ในปัจจุบันได้มีการพัฒนาถังบรรจุก๊าซให้มีน้ำหนักเบาลง แต่ก็ยังมีขนาดใหญ่และน้ำหนักมากกว่าถังน้ำมันเชื้อเพลิงทั่วไป โดยมีขนาดและน้ำหนักแตกต่างกันไปแล้วแต่ผู้ผลิตแต่ละราย ซึ่งสามารถเทียบขนาดของถังกับปริมาตรความจุเป็นน้ำหรือก๊าซหรือน้ำมันเบนซิน ให้เห็นความจุที่แตกต่างกันตามปริมาตรความหนาแน่นได้ดังนี้

ตารางที่ 2 ตารางเทียบขนาดของถังก๊าซ NGV กับปริมาตรความจุที่แตกต่างกัน

ถังขนาด (นิ้ว)

น้ำหนัก (กิโลกรัม)

ความจุน้ำ (ลิตร)

ก๊าซ NGV

ความจุก๊าซ (ลิตร)

เทียบความจุน้ำมันเบนซิน (ลิตร)

13.7 x 35

27.2

55.5

504

 

13.7 x 40

30.9

64.8

592

18.1

13.7 x 45

34.5

74.4

681

20.8

13.7 x 55

42.2

93.8

857

26.2

15.7 x 35

33.1

72.3

661

20.3

15.7 x 521

49.0

16.2

1,063

32.5

15.7 x 55

51.7

123.9

1,133

34.7

 

2.       ถังบรรจุก๊าซ LPG

2.1 ชนิดถังบรรจุก๊าซ LPG

ปัจจุบันกระบวนการผลิตถังบรรจุก๊าซ LPG นั้นได้มีการพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ๆ เข้ามาใช้ในกระบวนการผลิตถังก๊าซอยู่เสมอ เพื่อให้ผลิตภัณฑ์ที่ได้มีคุณภาพตามมาตรฐานที่ใช้ในการติดตั้ง กระบวนการผลิตถังก๊าซ LPG ส่วนใหญ่ทำมาจากเหล็กกล้าที่มีความแข็งแรงคงทนเป็นพิเศษ นำมาขึ้นรูปโดยผ่านการเชื่อมจากช่างผู้ชำนาญงาน หลังจากนั้นจะนำเข้าเตาอบความร้อนเพื่อปรับโครงสร้างและกำจัดความเค้นของเหล็ก จึงนำไปทดสอบแรงอัดเพื่อหารอยรั่วด้วยเครื่องมือที่ทันสมัย ก่อนจะผ่านการขัดผิวและส่งไปพ่นสีตัวถัง ขั้นสุดท้ายจะมีการตรวจสอบคุณภาพอีกครั้ง ด้วยการสุ่มเลือกตัวอย่างถัง เพื่อนำไปทดสอบความเหนียวของเนื้อเหล็ก และสภาพการทนของแรงอัดซึ่งเกินกว่าเกณฑ์การใช้งานที่กำหนดไว้ถึง 10 เท่าตัว โดยทางผู้ผลิตได้มีการพัฒนารูปร่างของถังก๊าซ LPG ให้มีหลากหลายรูปทรงหลายขนาดเพื่อง่ายต่อการนำไปใช้งานในการติดตั้งเช่น ถังบรรจุก๊าซ LPG แบบโดนัท แบบแคปซูล ดังที่แสดงในรูปตัวอย่างด้านล่าง

ถังบรรจุแก๊ส LPG  ของบริษัทสแกนอินเตอร์

รูปที่ 6 ตัวอย่างถังก๊าซ LPG แบบโดนัท

ถังแอลพีจี Capsule ของบริษัทสแกนอินเตอร์

รูปที่ 7 ตัวอย่างถังก๊าซ LPG แบบแคปซูล

ชนิดของถังบรรจุก๊าซ LPG ของทางบริษัท Scan Power Plus ที่ ทำการจดสิทธิบัตรโดย บริษัท สแกน อินเตอร์ จำกัด แต่เพียงผู้เดียว โดยมีหัววาล์วอยู่หัวถังสำหรับรถยนต์ที่ถูกติดตั้งโดย บริษัท Scan Power Plus

ถังโดนัทแอลพีจีของสแกนเพาว์เวอร์พลัส

รูปที่ 8 ตัวอย่างถังก๊าซ LPG แบบโดนัท โดย Scan Power Plus

ถังแก๊สแอลพีจีแบบแคปซูลของสแกนเพาว์เวอร์พลัส

รูปที่ 9 ตัวอย่างถังก๊าซ LPG แบบแคปซูล โดย Scan Power Plus

 

2.2 การทดสอบคุณสมบัติถังบรรจุก๊าซ LPG

การทดสอบคุณภาพถังแก๊ส LPG ที่ผลิตแล้วเสร็จนั้น เพื่อให้แน่ใจว่าถังแก๊สที่ได้มีคุณลักษณะเป็นไปตามมาตรฐานสากลกำหนด เมื่อนำไปติดตั้งกับรถยนต์ซึ่งการตรวจสอบมีหลายวิธี ได้แก่

- การทดสอบความดันไฮโดรริก (Hydrostatic Test) โดยใช้ความดันของน้ำอัดเข้าถังจนถึงความดันที่กำหนด และคงความดัน ภายในถังให้คงที่ 30 วินาที ตรวจดูการรั่วซึม การโป่งบวมและบิด จนทำให้เสียรูปของถัง

- การตรวจสอบการรั่วซึม (Air Leakage Test) โดยอัดด้วยความดันของอากาศ 100 psi แล้วจุ่มลงในน้ำ 30 วินาที เพื่อตรวจสอบการรั่วซึมของถัง

- Radiographic Test (RT) เป็นการตรวจสอบงานเชื่อมด้วยรังสี (X-Ray) ตรวจสอบหาจุดบกพร่อง (DEFECT) ในงานเชื่อมข้อต่อวาล์ว (SPUD/BUNG), แนวเชื่อมตามเส้นรอบวง (CIRCUMFERENTIAL WELD), แนวเชื่อมตามแนวยาว (LONGITUDINAL WELD)

- การทดสอบความแข็ง (Hardness Test) เป็นการตรวจสอบความแข็งของชิ้นงาน ได้แก่ ผนังถัง (Parent Material) บริเวณรอยเชื่อม (WELD) และบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากการเชื่อม HAZ (HEAT AFFECTED ZONE) ของข้อต่อวาวล์ (SPUD/BUNG), โกร่งกำบังลิ้น (COLLAR), ขาถัง (FOOTRING), แนวเชื่อมรอบ (CIRCUMFERENTIAL WELD) และแนวเชื่อมยาว (LONGITUDINAL WELD) ของถังที่ผ่านกระบวนการ HEAT TREATMENT แล้ว

- ทดสอบแรงดึง (Tensile Test) เป็นการทดสอบคุณสมบัติทางกลของรอยเชื่อมและตามแนวเส้นรอบวง (ความต้านทานแรงดึง, ความเค้นครากและการยืดตัว)

รูปที่ 10 ตัวอย่างการทดสอบถังก๊าซ LPG ด้วยระบบ Hydrostatic Test

3.       ตัวอย่างการทดสอบถังบรรจุก๊าซ

3.1  การทดสอบความดันถังบรรจุก๊าซ NGV

ทดสอบเพื่อแสดงว่าตัวถังบรรจุก๊าซ NGV สามารถทดความดันได้อย่างต่ำ 2.25 เท่าของความดันใช้งาน คือ 450 บาร์

รูปที่ 11 ตัวอย่างการทดสอบถังก๊าซ NGV ด้วย Hydro Test

3.2  ทนสอบการเกิดไฟไหม้ถังบรรจุก๊าซ NGV

ทดสอบเพื่อแสดงว่าถังก๊าซ NGV เมื่อถูกไฟไหม้ วาล์วหัวถังก็จะระบายความดันออกมาโดยถังไม่แตกหรือระเบิด (โดยทำการเติมก๊าซ NGV ที่ความดันใช้งานจริง)

รูปที่ 12 ตัวอย่างการทดสอบถังก๊าซ NGV ด้วย Fire Test

3.3  ทดสอบการยิงถังบรรจุก๊าซ NGV

ทดสอบเพื่อแสดงว่าถังบรรจุก๊าซ NGV เมื่อถูกปืนยิงถังสามารถทะลุและก๊าซ NGV พุ่งออกมาได้โดยไม่ระเบิดหรือเกิดการลุกไหม้ (โดยทำการเติมก๊าซ NGV ที่ความดันใช้งานจริง)

รูปที่ 13 ตัวอย่างการทดสอบถังก๊าซ NGV ด้วย Gun Fire Test

 

3.4  ทดสอบการกระแทกถังบรรจุก๊าซ NGV

ทดสอบเพื่อแสดงว่าเมื่อเกิดอุบัติเหตุรถชนจนทำให้เกิดแรงเฉื่อยสูงถึง 30g ถังอาจจะหลุดจากที่ยึดหรือไม่หลุดก็ตาม แต่ต้องไม่เกิดเพลิงไหม้และการระเบิด (โดยทำการเติมก๊าซ NGV ที่ความดันใช้งานจริง)

รูปที่ 14 ตัวอย่างการทดสอบถังก๊าซ NGV ด้วย Impact Test

3.5  ทดสอบความดันถังบรรจุก๊าซ LPG

ทดสอบความสามารถในการรับแรงดันของถังในสภาพการเกิดอุบัติเหตุไฟไหม้ (โดยทำการเติมก๊าซ LPG ที่ความดันใช้งานจริง)

รูปที่ 14 ตัวอย่างการทดสอบถังก๊าซ LPG ด้วย Bursting pressure