液氫裝車臂的技術研究

馮是公 秦棟成 冷啟遠

摘 要：氫能是當前非常熱門的能源，其燃燒后只產生水，具有零碳排放的優點。江蘇長隆石化裝備有限公司設計了一臺專門用于裝卸液氫的鶴管，屬于非常前沿的裝備技術。現對其結構、工藝、絕熱設計進行介紹，并通過計算校核其絕熱性能和結構可靠性。

關鍵詞：液氫;裝車;鶴管;低溫

0 引言

氫能源是未來能源技術革命和產業發展的一個重要方向，對我國碳達峰、碳中和目標的實現起到重要作用。氫能產業正在快速布局，與之相關的制造、儲存和轉運設備的研發也在大力推進。我公司研發的液氫裝車臂是專門用于將液氫裝載入槽車的設備。為了更方便經濟地儲存運輸氫氣，需要將其液化，然后通過裝車臂將液化氫裝載入公路運輸槽車。但液化的氫氣有著非常低的溫度（-252.8 ℃），這對裝車臂提出了很高的技術要求。目前裝車臂的設計制造可以參考液化天然氣設備，同樣是超低溫介質，選用的鋼材需要在低溫下保持一定的強度和韌性，選用的密封材料需要在低溫下保持一定的回彈性能，而結構設計上同樣需要考慮低溫收縮產生的應力以及保冷絕熱。

與液化天然氣不同的是，液氫的溫度更低，已經超過空氣中主要成分（氮氣和氧氣）的液化溫度，因此設備表面容易產生液態氧和液態氮，造成一定的安全風險。另外，氫容易對鋼材產生應力腐蝕，極大地降低設備的可靠性。基于這些情況，我公司查閱了相關前沿技術文獻，進行了相關的試驗論證，為國內首臺液氫裝車臂設計制造做好了基礎準備。

1 設計介紹

1.1 ? ?結構設計

液氫裝車臂總體結構分為液相臂、氣相臂和立柱。其中，液相臂用于將液氫裝載入槽車罐箱，氣相臂用于回收槽車罐箱內的BOG氣體。立柱為支撐結構，氣相臂和液相臂分別安裝在立柱上下，可以圍繞立柱自由轉動，實現任意位置接車。液氫裝車臂三維模型如圖1所示。

液相臂與氣相臂結構相同，只是形式不同，都由內臂、外臂和外伸臂組成。內臂以旋轉接頭1為軸心，進行水平旋轉;通過立軸6和拉板7做支撐，減少接頭1所受的傾覆力矩。外臂以旋轉接頭2為軸心，進行水平旋轉，以旋轉接頭3為軸心，進行俯仰運動;通過彈簧缸平衡，減少操作力矩。外伸臂以旋轉接頭4為軸心，進行水平旋轉，以旋轉接頭5為軸心，進行俯仰運動[1]。通過5個旋轉接頭，裝車臂接口可以與任意位置的槽車接口進行對接。

1.2 ? ?工藝設計

氫氣是易燃易爆氣體，因此裝車前后需把管道置換干凈。又因為液氫中不能混入其他氣體，因此置換需分成兩個步驟。

氣液相臂上分別配置有3個閥門：閥門8為主切斷閥，閥門9為吹掃閥，閥門10為放空閥。

裝車前，閥門8至接口11之間為空氣。打開閥門9和槽車放空閥，把管道內空氣置換成氮氣;再打開閥門9和閥門10，把管道內氮氣置換成氫氣。

裝車后，閥門8至接口11之間為液氫。打開閥門9，將液氫吹入槽車，置換成氫氣;再打開閥門10，把氫氣置換成氮氣，最后可以斷開接口連接。

1.3 ? ?絕熱設計

由于液氫是超低溫介質，吸熱會氣化，因此需要絕熱。又因為其液化溫度低于氧氣液化溫度，管壁外容易形成液氧，因此考慮真空絕熱。

1.3.1 ? ?管道絕熱

以內臂為例，設計夾套管結構，如圖2所示。內管1流通液氫，承受介質壓力。內管1和外管2之間填充絕熱棉4。使用抽真空接頭3進行整體抽真空。

1.3.2 ? ?旋轉接頭絕熱

旋轉接頭結構如圖3所示，其主要由法蘭、內圈和外圈三部分組成。內圈與法蘭設計成夾套結構，兩端可分別與管道的內管和外管焊接。內外圈之間有兩圈滾道，裝配鋼球可實現靈活轉動。

旋轉接頭內外圈是相對轉動的，其承受著一定的結構載荷，因此需要有一定的金屬連接支撐，但設計上可以減少徑向上的傳熱面積，保持夾套結構，如圖3所示。由于其需在低溫下相對轉動，設計有三道彈性蓄能密封圈。主密封圈、副密封圈用于密封液氫，夾套密封圈用于與外界隔絕。通過兩端卡套接頭，在夾套間通入微正壓氦氣，一方面保證腔體內不會進入空氣結冰，另一方面隔絕外圈與內圈之間的傳熱，保證外圈表面溫度高于氧氣的液化溫度。

2 技術參數

液氫裝車臂使用工況條件苛刻，其主要參數如表1所示。

3 設計計算

3.1 ? ?絕熱計算

液化氫的溫度很低，傳輸過程中應盡量避免吸熱，造成升溫。將整個液相臂傳熱分為兩部分：一部分是真空管道傳熱，另一部分是金屬支撐傳熱。

3.1.1 ? ?真空管道傳熱

按高真空度進行熱傳導計算。對于同軸圓筒熱傳導，當氣體分子的平均自由程大于內圓筒半徑，熱流量可用下式表示：

式中：Φ1為熱流量（W）;r2為內管半徑（m）;r1為外管半徑（m）;L為圓筒長度（m）;p為氣體絕對壓力（Pa）;λ0為自由分子熱傳導系數[W/（m2·K·Pa）];α1、α2為適應系數，空氣與不銹鋼表面適應系數取0.9。

按初步設計的液氫裝車臂取值，r2為2寸管，半徑0.03 m，r1為3寸管，半徑0.044 5 m，L為整條臂的真空管，長度5 m，λ0取1.12，真空度p取10 Pa，最終計算得Φ1=8.9 W。

為了保證真空破壞時，液氫裝車臂依然能保持較好的絕熱效果，在真空夾層內添加絕熱棉，參考標準《固定式真空絕熱深冷壓力容器 第6部分：安全防護》（GB/T 18442.6—2019）式A.9[3]計算熱流量：

Φ2=2.6×（Ta-Td）×U×Ar

式中：Ta為外表面最高溫度（K）;Td為內表面最低溫度（K）;U為絕熱材料總的傳熱系數[W/（m2·K）]，U=λ/ti，λ為絕熱材料的導熱系數[W/（m·K）]，ti為絕熱材料的名義厚度（m）;Ar為絕熱層內外表面積的平均值（m2）。

按初步設計的液氫裝車臂取值，Ta取外管表面溫度333 K，Td取液氫溫度20 K，絕熱材料的傳熱系數U=0.19，按內管2寸、外管3寸計算絕熱層Ar為0.019 m2，最終計算得Φ2≈2.9 W。

3.1.2 ? ?金屬支撐傳熱

整條液氫裝車臂除了旋轉接頭內外層有局部剛性連接外，其余均為真空結構。現對此部分傳熱進行計算，參考《固定式真空絕熱深冷壓力容器 第6部分：安全防護》（GB/T 18442.6—2019）式A.2[3]：

式中：Ns，t為金屬支撐構件的數量;λs，t為金屬支撐在溫度Ta與Td之間的平均導熱率[W/（m·K）];As，t為金屬支撐構件的橫截面積（m2）;Ls，t為金屬支撐構件的長度（m）。

按內外夾套的連接截面進行計算，Ns，t旋轉接頭數量為5，λs，t取值9 W/（m·K），As，t為連接截面平均面積0.001 5 m2，Ls，t連接截面的長度為0.01 m，Ta截面最外層溫度為63 K，Td橫截面最內層溫度為20 K，最終計算得Φ3≈290 W。

3.1.3 ? ?溫升計算

根據傳熱平衡方程：

qm×（h2-h1）=3.6×Φ[2]

式中：qm為液氫質量流量（kg/h）;h2為液氫在入口處的比焓（kJ/kg）;h1為液氫在出口處的比焓（kJ/kg）;Φ=Φ1+Φ3=298.9 W。

可計算出液氫裝車臂在設計流量下，溫度上升約0.2 K，滿足設計要求。

3.2 ? ?有限元分析

液氫裝車臂結構比較復雜，只依靠公式計算難以獲得每個點的溫度和應力。選擇ANSYS軟件進行模擬分析，給內管壁加載溫度-253 ℃，環境溫度定義為65 ℃，得到溫度場如圖4所示。可見外表面最低溫度在旋轉接頭處為-162.1 ℃，高于氧氣液化溫度，滿足設計要求。

液氫裝車臂的受力主要考慮兩個方面：一是采用夾套結構后自身載荷更大;二是內外層溫差引起的熱應力。施加重力載荷、管道內壓與熱載荷后，得到應力云圖（圖5）。可見整個液氫裝車臂最大應力為130.76 MPa，小于材質許用應力，滿足設計要求。

4 結語

液氫設備的技術還處于探索儲備階段，以上是我公司通過總結大量文獻和模擬計算得到的研究成果，后期還需要在實際項目運行中進行驗證完善。希望本文能夠對液氫設備設計者有所幫助，促進行業發展。

[參考文獻]

[1] 液體裝卸臂工程技術要求：HG/T 21608—2012[S].

[2] 杜建梅，王文軍，李潔，等.真空絕熱管道的傳熱計算[J].煤氣與熱力，2011，31（12）：1-3.

[3] 固定式真空絕熱深冷壓力容器 第6部分：安全防護：GB/T 18442.6—2019[S].

收稿日期：2021-07-29

作者簡介：馮是公（1970—），男，上海人，高級工程師，研究方向：機械設計制造及其自動化。