航天運載火箭燃料供給罐式集裝箱的設計計算

回鳳娜， 王忠連， 倪建生， 于美娜， 吳云日， 劉闞元， 劉春良

（大連中集物流裝備有限公司，遼寧大連116600）

0 引言

一種罐式集裝箱是為航天運載火箭供給燃料用，內(nèi)裝的燃料有毒，易燃易爆，危險性高。罐內(nèi)設計壓力1.26 MPa，設計溫度65℃，且需要在衛(wèi)星發(fā)射基地進行燃料的運載和轉(zhuǎn)注。

根據(jù)以上的承壓及運載要求，單一地使用固定式壓力容器標準或者可移動罐柜標準去設計，都不能滿足要求。因為固定式壓力容器標準設計的壓力容器無法在場地內(nèi)運載；可移動罐柜設計標準中又不包含對如此高壓設備的設計規(guī)則。所以，文中將結(jié)合兩種標準，即固定式壓力容器標準ASMEⅧ-1《壓力容器建造規(guī)則》［2］和可移動罐柜設計標準IMDG《國際海運危險貨物規(guī)則》［1］，設計一種突破性的新型的罐式集裝箱。然而，因為同時依據(jù)兩種標準設計，需要理清兩種標準對于某些計算部分的不同要求，以遵循設計的安全性和可靠性為原則，對罐式集裝箱的強度進行計算及校核。

如下內(nèi)容將重點闡述在兩種不同標準的要求下，對于罐式集裝箱的設計思路和方法。此部分也是設計中的重點與難點。

1 罐體壁厚的強度計算

罐式集裝箱內(nèi)裝的燃料一種為氧化劑，一種為燃燒劑。根據(jù)IMDG《國際海運危險貨物規(guī)則》［1］中要求，此氧化劑的UN代碼所指向的T code（罐柜導則）為T50，此燃燒劑的UN代碼所指向的T code為T20。

IMDG標準對于T50的罐式集裝箱的要求為適用于非冷凍液化氣體，須符合6.7.3相關章節(jié)，最大允許工作壓力0.7 MPa,液面以下不允許開口，壓力釋放裝置應包括一個彈簧式壓力釋放裝置和其前面的保險片。IMDG標準對于T20的罐式集裝箱的要求為需滿足6.7.2相關章節(jié)，最低試驗壓力1MPa，最小罐殼厚度8mm，底部不允許開口，壓力釋放裝置應包括一個彈簧式壓力釋放裝置和其前面的保險片。

可以看出，用戶要求的罐內(nèi)設計壓力超過了T50要求的最大允許工作壓力，其試驗壓力必然也高于T20要求的最低試驗壓力。所以，對于罐壁厚度的強度計算不適用IMDG標準中的壁厚計算公式。這樣，在設計計算罐式集裝箱的壁厚時，就僅依靠ASMEⅧ-1［2］標準中的計算公式來確定。但在計算過程中，對于部分參數(shù)的選取，仍需考慮兩個標準的不同要求。比如，兩個標準中對液壓試驗壓力的要求不同。IMDG中對T20的要求為罐殼的設計和結(jié)構須能承受相當于設計壓力1.5倍的液壓試驗壓力。而ASMEⅧ-1中要求，除某章節(jié)另有規(guī)定外，按內(nèi)壓設計的容器應進行液壓試驗，在液壓試驗時，任一點的壓力至少應等于最大許用工作壓力的1.3倍再乘以所制造容器材料的最小應力比值。對本T20的罐式集裝箱的設計參數(shù)而言，IMDG要求的液壓試驗壓力要大于ASMEⅧ-1要求的液壓試驗壓力。所以，選擇數(shù)值較大的IMDG要求的液壓試驗壓力來校核罐體的壁厚，這樣更能保證罐體的強度及安全性。再如，兩個標準中對液壓試驗下的最大許用應力值的要求也不同。所以，在對壁厚的校核計算中，選用較嚴格的IMDG標準要求的液壓試驗壓力下的最大許用應力值。在對罐體壁厚的整個計算中，結(jié)合兩個標準進行設計計算。雖然兩個標準對于某些參數(shù)的取值有些不同，但可以選取對計算較嚴格的數(shù)值，這樣使設計更加合理和安全。

2 安全泄放裝置相關設計參數(shù)計算

不論承裝氧化劑的T50罐式集裝箱還是承裝燃燒劑的T20罐式集裝箱，其安全泄放裝置都應包括一個彈簧式壓力釋放裝置和其前面的保險片，即安全閥和爆破片。所以在設計中，需要確定安全閥的整定壓力、排量、反映流通面積的喉部直徑以及爆破片的爆破壓力等。

對于這些參數(shù)的計算，選擇容易理解并闡述詳細的 GB 150.1《壓力容器第一部分：通用要求》［3］中的附錄B《超壓泄放裝置》標準，以結(jié)合IMDG標準設計。首先，先按GB 150.1的《超壓泄放裝置》的內(nèi)容，對這些相關的參數(shù)進行計算。根據(jù)這些數(shù)值，去選擇合適的安全閥和爆破片，確定所選安全閥的各項指標參數(shù)。然后，再應用IMDG中有關壓力釋放裝置的相關章節(jié)，對安全閥的這些指標參數(shù)進行反向校核，進一步確定所選安全閥的合理性和安全性。應用兩個標準進行先正算再反校核的方式，提高了設計的準確性及適用的廣泛性，這樣的設計思想和方法值得應用于其他產(chǎn)品和領域。

3 其他計算

對于上封頭開孔計算、法蘭蓋開孔計算等，因IMDG標準未有相關章節(jié)的內(nèi)容，按ASMEⅧ-1中的相關章節(jié)計算。綜上所述，航天運載火箭燃料供給罐式集裝箱在設計計算上主要應用了ASMEⅧ-1《壓力容器建造規(guī)則》和IMDG《國際海運危險貨物規(guī)則》兩個標準。在不同的設計標準中，需明確不同點，再根據(jù)不同點，去選擇更加嚴苛的要求來計算，這樣可以保證設計強度及設計的安全性；同時可通過不同標準間正反計算與校核的方式，提高設計的準確性。

［1］ International Maritime Organization.International Maritime Dangerous Goods Code including Amendment 35-10,IMDG 2010 Edition［Z］.

［2］ ASME Boiler and Pressure Vessel Committee on Pressure Vessels.ASME Boiler&Pressure Vessel Code，Section Ⅷ，Division 1：Rules for Construction of Pressure Vessels［M］.New York：ASME,2010.

［3］ 壓力容器第一部分：通用要求：GB150.1-2011［S］.