中壓天然氣罐式半掛車罐體的設計和安全使用

王會賞 李毅飛

1. 石家莊安瑞科氣體機械有限公司 河北石家莊 050061

2. 西安交通大學能源與動力工程學院 陜西西安 710048

1 前言

西氣東輸管線上的天然氣壓力一般不大于4 MPa，屬于中壓天然氣。目前，天然氣運輸多采用經壓縮機壓縮至高壓大容積鋼質無縫氣瓶內盛裝，并安裝于半掛車行走機構上運輸。由于壓縮機投資大，且壓縮工序繁雜，增大了使用成本和時間成本。如果管線中的天然氣不經過壓縮機壓縮而直接采用高壓大容積氣瓶運輸，則帶來了原始投資和運輸成本的增大；如果采用4 MPa大容積氣瓶，則因工作壓力不高，瓶壁應減薄至3.5 mm以下便可滿足使用要求，但如此薄的大容積氣瓶無法采用熱旋壓工藝加工成型；如果選用小容積氣瓶運輸，則容重比減小，泄露點增加，運輸效率降低而浪費能源。因此，開發適合于中壓天然氣罐式半掛車成為必然。

天然氣的主要成分是甲烷，屬于永久氣體，永久氣體汽車罐車是目前一種新興產品，在設計制造與使用方面與液化氣體罐車有著諸多區別，因國家尚未制訂關于壓縮氣體運輸半掛車的標準和規范，必須有針對性地加以研究，正確設計，合理使用，才能保證永久氣體罐式半掛車的安全運營。

2 一般要求

天然氣罐式運輸半掛車設計主要包括兩部分：行走機構和罐體的設計。天然氣罐式半掛車設計時，外廓尺寸及軸荷必須符合GB 1589－2004的要求[1]，兩軸罐式半掛車總長不得大于13 m，總寬不得大于2.5 m，總高不得大于4 m，總質量不得大于35 t，且應合理布置罐體及附件，雙后軸最大軸荷不得超過18 t，且滿足操作和運輸要求，保證安全可靠。

天然氣罐式半掛車(含罐體)屬于特種設備中的移動式壓力容器[2]，受《壓力容器安全技術監察規程》監察，因此，須遵守規程的要求。另外，行走機構和罐體的連接也必須合理布置，通過計算，保證連接結構的強度和運營的安全。

3 罐體的設計

罐體是天然氣運輸半掛車承受內壓和運輸時慣性力的主要部件，在每次裝卸過程中，罐體一般經過0.1～4 MPa的壓力循環，屬于承受疲勞載荷的壓力容器，因此，設計時應采用有限元應力分析方法，按照JB 4732標準對罐體進行整體強度計算和校核。

3.1 材料的選擇

罐體的選材應選用《鍋爐和壓力容器用鋼板》中的材料，在我國南方地區使用的天然氣運輸車，一般使用溫度高于－20℃，選用Q345R鋼材即可；而在我國北方地區因冬季溫度有時會低于－20℃，且在卸氣過程中會出現降溫的現象，故應選用16MnDR，以滿足低溫工況，保證材料低溫韌性要求。

3.2 考慮各種載荷及工況

3.2.1 3種載荷

設計時，須考慮3種載荷。

a. 內壓載荷：因罐體須承受0.1～4 MPa疲勞載荷，因此罐體的結構設計應符合JB 4732的規定，進行設計壓力4.1 MPa應力分析和循環壓力0.1～4 MPa的疲勞評定；

b. 自重載荷：包括罐體及正常工作條件下充裝天然氣后的重力載荷；

c. 慣性載荷：天然氣半掛車在運輸過程中的慣性載荷。

3.2.2 4種載荷工況

設計時，除應考慮罐體因內壓變化引起的疲勞載荷外，還應校核在運營過程中慣性載荷下的4種載荷工況[3]。

工況1：內壓＋自重＋沿運動方向(縱向)、大小為額定質量乘以兩倍重力加速度的慣性力；

工況2：內壓＋自重＋沿與運動方向成直角的水平方向、大小為額定質量乘以一倍重力加速度的慣性力；

工況3：內壓＋沿垂直向上方向、大小為額定質量乘以一倍重力加速度的慣性力；

工況4：內壓＋沿垂直向下方向、大小為額定質量乘以兩倍重力加速度的慣性力。

3.3 有限元分析模型建立及確定

3.3.1 定義材料屬性

材料選用Q345R，該材料的彈性模量E=2.0×105MPa；泊松比 μ=0.3；密度 ρ=7.85×103kg/m3；設計應力強度[Sm]=188 Mpa；屈服強度[σel]=325 MPa。

3.3.2 內壓和內壓引起的疲勞載荷

按照JB 4732要求[4]，取計算壓力4.1 MPa，對筒體和封頭進行設計計算，確定計算厚度。對于受內壓載荷的總體元件封頭、筒體，其厚度是按JB 4732的有關公式計算并向上圓整得到，一次總體薄膜應力強度已得到保證，可不再進行應力強度校核，僅對凸緣與殼體連接的幾何不連續區域采用有效厚度建立局部實體模型。采用ANSYS有限元程序，20節點實體單元(SOLID95)進行網格劃分，厚度方向劃分為3層。施加4.1 MPa內壓及相應約束后進行有限元求解，經應力線性化后，進行不連續處的應力分析；同時，對應力最大點進行疲勞評定。

3.3.3 慣性載荷下的4種工況

對于4種載荷工況中的工況1(縱向)、工況3(垂直向上)、工況4(垂直向下)，由于結構及載荷對于軸線在豎直方向的垂直面對稱，因此，可以取豎直方向1/2的罐體及行走機構進行實體建模分析；對于工況2(橫向)承受的載荷為非軸對稱，需用罐體及行走機構整體建模[5]。由于凸緣不連續區域應力對慣性動載荷引起的應力影響極小，可以忽略，因此，4種工況均可忽略凸緣結構。需要考慮的各個元件，均采用有效厚度作為建模厚度。應力分析采用ANSYS有限元程序，罐體采用20節點SOLID95實體單元進行網格劃分；行走機構簡化為剛性梁和彈簧單元，力邊界條件的施加：

a. 對于工況1、3和4，在垂直剖面上施加對稱邊界條件；

b. 在鞍座的底板中心施加UX、UY、UZ約束；模擬行走的彈簧單元下節點施加UY、UZ約束(半掛車前行方向不必約束)；

c. 對模型分別施加與各工況方向、大小一致的加速度；

d. 對模型施加與罐體軸線方向垂直向下的加速度，大小為g=9.81 m/s2，相當于罐體的重力(工況3、4除外)；

e. 罐體的內表面施加內壓為4.1 MPa。

3.4 慣性載荷工況下的應力分布

罐體(含罐體前、后支座支撐)結構簡圖如圖1所示。施加力邊界條件后，按4種載荷工況分別求解，可得出相應的SINT應力云圖，如圖2～4。

3.5 安全評定

根據引起應力的原因和對結構強度影響的性質不同而對應力進行分類，按照JB 4732標準，對不同類型的應力分別進行不同的限制和評定。通過以上應力分布云圖分析，分別得出4種載荷工況下的應力最大值。在4種載荷工況中，工況1和4，最大應力點均出現在支座支撐和罐體連接部位，該點屬于罐體的一部分，兩種工況下的應力最大值均屬于二次應力的范疇，應按二次應力進行評定，小于3倍的設計應力強度即符合標準要求[4]，工況1應力最大值為515.239 MPa ，工況4應力最大值為479.088 MPa，小于3倍的設計應力強度值564 MPa，符合標準規定和設計要求。工況2和3中的最大應力值分別為712.529 MPa和597.790 MPa ，兩個最大應力點位置均遠離罐體的筒體和封頭，分別出現在前支座支撐底板和后支座支撐的底腳處，且均大于1.5倍屈服強度(487.5 MPa)，不符合應力分析標準要求[4]，故判定為不合格。

由于篇幅所限，罐體的疲勞分析和評定略。疲勞分析和評定結果為：該罐體能承受0.1～4 MPa疲勞載荷2.2萬次，按每天充放天然氣3次計算，滿足設計疲勞壽命為20年的要求。

3.6 改進思路和方案

在以上分析和評定中，如果出現任何一項評定不滿足標準要求，則需要增大元件壁厚或改進結構設計，重新建模和分析，直至合格。對于工況2，可采用增加支座底板厚度6 mm的方法，進行重新建模、加載、分析計算，得出該工況的最大應力值減小至475 MPa的結果；而對于工況3，可采用在后支座支撐的底腳處增加厚度為6 mm筋板和延長支座270 mm的結構(如圖6)，以減小應力集中的缺陷，重新建模、加載、分析計算，得出該工況的最大應力值為426 MPa。改進后的工況2和工況3，分析結果均滿足小于1.5倍屈服強度(487.5 MPa)的要求，符合JB 4732標準要求，故判定合格。

3.7 其它要求

在罐體設計時，需要注明對疲勞容器的特殊要求：A、B類焊接接頭進行100%射線檢測；C、D類焊接接頭進行表面檢測；焊縫余高須打磨平滑，以盡可能地減小應力集中；幾何不連續處采用圓滑過度；不得采用硬印打標記等。

4 安全使用

天然氣罐式半掛車因充裝的介質為永久氣體，充裝和運營與液化氣體罐車存在著本質區別。在充裝過程中，如果充裝速度過快，會因壓力急劇變化而出現罐體受力不均衡，導致罐體出現異常；也會因此而使罐內天然氣溫度快速上升，無法確定介質應達到的充裝壓力而有可能出現欠裝的現象，因此，充裝時需要控制充裝速度在經濟流速15 m/s范圍內，不宜過快。

罐內壓力是隨環境溫度的改變而變化，環境溫度提高，罐內壓力便會相應提高，因此工作壓力為4 MPa的罐車，運營過程中，雖然在較低環境溫度下，充裝量在保證不超載的情況下可相對增加，但是必須保證在任何充裝和運營環境溫度下，罐內壓力都應確保不得大于4 MPa。在不同溫度下，安全的充裝壓力和充裝溫度對應關系如圖7所示。

5 結束語

隨著經濟的不斷發展，特別是近年來西氣東輸及清潔能源的普及和利用，更多工業氣體項目的發展大大促進了天然氣、氫氣、氦氣等永久氣體的使用，隨著市場需求的不斷擴大，近年來，部分廠家才開始自主研發永久氣體罐式運輸車，設計、制造所依據的標準為企業標準。亟待制訂不同于液化氣體罐式運輸車的國家標準或行業標準，以規范設計、制造和使用，保證永久氣體罐式運輸車更合理、更安全的運營。

[1] GB 1589－2004道路車輛外廓尺寸、軸荷及質量限制[S].

[2] 壓力容器安全技術監察規程,中國勞動社會保障出版社.1999.

[3] 集裝箱檢驗規范,中國船級社.2010.

[4] JB 4732－1995.鋼制壓力容器 分析設計標準[S].

[5] 余偉煒,高炳軍.ANSYS在機械與化工設備中的應用[M].北京:中國水利水電出版社,2007.