液化氣體運輸設備輕量化技術研究進展

閆東東，王琪，許志泉

(1.江蘇科技大學 機械工程學院，江蘇 鎮江 212000；2.張家港中集圣達因低溫裝備有限公司，江蘇 蘇州 215600)

液化天然氣能減少SO2和粉塵排放量近100%，減少CO2排放量60%和氮氧化合物排放量50%。美國電力行業2019年CO2排放量較2005年下降32%，其中接近三分之二的貢獻來自天然氣發電替代燃煤發電。2021年，中國天然氣進口量12 135.6萬t，與2020年同期相比增長19.9%，超過日本成為全球最大的 LNG進口國。目前，針對電力、鋼鐵、化工、交通等行業積極響應國家碳達峰、碳中和(2030年/2060年)政策目標，加快推進天然氣等清潔能源在我國能源使用中的占比,提升低碳競爭力，天然氣是實現“雙碳”目標和“美麗中國”的重要力量[1],將在全球能源綠色低碳轉型中發揮重要作用。

移動壓力容器作為LN2、LO2、LCO2、LAR、LNG、LH2主要運輸工具，隨著天然氣[2]在能源消費結構占比上升，液化氣體運輸設備投入大量生產，輕量化技術成為設計制造廠家的關鍵技術，是研究熱點之一，進行液化氣體運輸設備輕量化技術的研究，能減少壓力容器制造鋼板用量、提高運輸效率、低碳經濟、節能減排[3]。

1 液化氣體運輸設備簡介

液化氣體運輸設備主要有冷凍液化氣體汽車罐車、液化氣體罐式集裝箱、液化氣體運輸船。移動壓力容器是指由罐體，或者大容積鋼質無縫氣瓶與行走裝置或者框架，采用永久性連接組成的運輸裝備。國內罐體主要為中空兩層結構，內容器和外殼夾層采用前后八點支撐，兩層結構中間在制造完成時通過管路系統液壓閥門抽取高真空，達到低溫儲藏環境以及罐體對于日蒸發率要求。輕量化技術在兼顧產品質量和生命周期的同時，用現代化技術或輕質材料替換等方法對產品進行優化升級，降低重量，實現安全、節能、環保等目標，輕量化技術也能為液化氣體運輸工具節約燃料、減少污染物排放、提高機動性能。

2 罐體的輕量化技術

2.1 輕質材料

Djukic等[4]介紹了一種新型玻璃鋼罐體，該罐體采用集成無縫熱塑性防腐蝕屏障，用于Omni Tanker生產的罐體。與傳統的鋼罐相比，纖維增強聚合物(FRP)罐在有效載荷和耐腐蝕性方面為運輸行業提供顯著的優勢，并使有限元模型驗證層壓板的強度和模量。印度學者kumar等[5]利用ANSYS分析了壓力壁臨界點處的應力發展情況，建立了兩個優化模型零件以克服容器內產生的應力。分別用 ASME的三種不同材料進行設計和分析，開發出設計良好的最適合的材料。

西班牙薩拉曼卡大學Roberto等[6]研究了結合數字圖像相關和概率方法進行復合材料壓力容器的可靠性分析， 提出了一種利用數字圖像相關法提供的全場應變數據提取力學性質概率密度函數的方法。這些概率密度函數被基于多項式混沌展開的全局靈敏度分析和基于拉丁超立方抽樣法的隨機變量方法所補充，復合材料的力學性能相關的不確定性的魯棒估計對壓力容器的可靠性分析。

Doleski[7]將7000系列鋁、美國鋁業公司的7085、實驗性7000系列鋁鈧(Al-Sc)合金、6061-T6、7075-T73形成一個基線，以比較較新的合金，夾層復合材料結構的使用將作為輕型壓力容器的長期選擇進行研究。中東工業大學?zaslan E等[8]研究了纖維纏繞復合材料壓力容器在制造過程中可能出現的缺陷對其爆破行為的影響，成功地研究了制造缺陷對安全失效模式和不安全失效模式壓力容器爆破行為的影響。

Haris等[9]闡述了利用有限元分析方法優化復合材料壓力容器鋪層的方法，并計算了相對于標準金屬壓力容器的相對重量節省量。確定合理的纖維取向和層合板厚度對降低制造難度、提高結構效率具有重要意義。分析了疊層板的不同鋪層順序，對S-glass/ epoxy、Kevlar/epoxy and Carbon/epoxy三種候選復合材料的鋪層順序、取向和層厚(層數)進行了優化。并應用第一層失效(FPF)采用Tsai-Wu失效準則在MATLAB中開發了基于經典層壓理論的代碼。

Egor[10]提出了一種內壓載荷下金屬襯墊復合材料重疊壓力容器應力-應變特性的數值模擬分析方法。該模型基于有限元方法，考慮了襯墊的彈塑性行為、復合材料中的纖維取向角以及襯墊與復合材料殼體之間的接觸。該模型可解決襯墊內應力-應變狀態測定、復合材料退化和裂紋型缺陷斷裂評定等問題，揭示了復合材料殼體中初始缺陷的擴展效應和表面裂紋的臨界尺寸。

S Moharrerzadeh等[11]研究了一定的內壓力下，多層復合材料圓柱形壓力容器的重量可以小于單層復合材料容器重量的一半，約束采用Hoffman準則，采用凌亂遺傳算法(mGA) 對層數和厚度、鋪層角、體積分數和每層的材料屬性設計變量進行了優化。

Behzad等[12]在設計考慮穩定性和強度約束的情況下，使用正交各向異性材料公式計算了不同螺旋層數和不同周向層數纏繞的復合材料壓力容器的基體開裂壓力，然后采用網格分析法計算了復合材料容器的破裂壓力。采用帝國主義競爭算法(ICA)，根據復合材料層合板的基體開裂壓力和破裂壓力確定復合材料層合板的最優形狀和層合板的最優堆疊順序，使基體的開裂壓力和破裂壓力最大。

近年來，我國壓力容器用鋼材料性能大幅提高。更好地滿足壓力容器大型化和輕量化制造需求，開發了一批高性能、經濟型新材料;移動式壓力容器用正火型高強鋼Q420R(抗拉強度由Q345R的510 MPa 提高到590 MPa);低溫壓力容器用鋼也實現了系列化和-60～-196 ℃全覆蓋[13-14];通過一系列基礎研究與實驗將Q370R、06Ni9鋼、201LN、304N 等高強鋼和低鎳鋼應用到真空絕熱深冷移動容器建造中[15]，新型輕質合金材料，高強度合金鋼材料，非金屬復合材料等處于開發階段，在不久的將來可作為壓力容器鋼材替換，進一步減輕質量，實現產品輕型化。

2.2 輕體結構

王曉東[16]用ANSYS對八點支撐結構角度等幾何參數對結構強度的影響規律進行了研究與優化設計，朱艷[17]通過改變支撐角度、支撐圈尺寸、支撐圈形狀結構等方式，對內外容器支撐圈進行優化設計，優化后的總質量比優化前降低約20.64%。

Bagheri等[18]利用遺傳算法(GA) 對受外壓及軸向力作用的環形加筋圓柱殼進行多目標優化設計，在基頻、結構重量、軸向屈曲載荷和徑向屈曲載荷4種約束條件下求得殼體的最大基頻和最小結構重量。Sadeghifar等[19]采用遺傳算法對環形加筋圓柱殼的重量和軸向屈曲進行了優化研究，結果表明:對于最小重量和最大臨界軸向屈曲載荷的圓柱殼，工字形截面加筋和矩形截面加筋的設計效率分別是最高和最低的。

任彥昭，魏巍等[20]提出一種更扁的加強圈，一種新型板翅式夾芯結構代替原有車罐外筒體加強圈，減少加強圈占用真空夾層的空間，提高內罐直徑，增大罐體容積。但經過長時間的模擬分析，采用高比剛度蜂窩夾芯加強筋并沒有取得滿意的結果，尚未投入實際工程應用。

A Eswara[21]對蜂窩式、三角形、正方形、半圓形、矩形、圓形、螺旋形、扇形、矩形開槽、線性交叉、二次交叉等多種加強筋設計的壓力容器進行建模。對其靜力結構和自由振動進行分析。并計算了結構的總變形、環向應力、固有頻率、應力和比剛度。綜合考慮結構比剛度、von mises應力、重量和總變形等因素，提出了最佳加勁肋設計方案。

邱婷[22]發現當需要增加小型低溫液化氣體槽車用罐容積時，強度和保冷對結構的要求互相矛盾，提出一種同時滿足兩方面要求的新型結構，并對新型結構的強度進行了分析。王戰輝[23]考察了壓力容器中的橢圓形封頭和碟形封頭其應力分布和位移分布的特點，并進行了優化設計。

Q S Chen等[24]對LNG低溫儲罐的溫度和壓力變化進行了分析總結，發現特殊的支撐結構能夠有效減小熱泄漏率。Srdjan等[25]在三種形狀壓力容器壁面上引入半橢圓形缺口，用有限元分析方法計算了內缺口的三軸應力比為正，外缺口的三軸應力比為負。Zhang[26]針對傳統設計中壓力容器材料浪費的問題，利用有限元技術對壓力容器進行了優化設計，采用有限元分析進行應力計算提取相關結果參數進行后續計算，選擇優化設計方法后進行定量計算，得到滿足性能指標的最佳設計參數。

Sergey等[27]利用MATLAB系統的動態和事件驅動系統的Simulink仿真包中的計算機復雜性，在作者之前開發的專家模型的基礎上解決所提出的問題。根據計算實驗結果，對罐車立柱在改變運動方式時對運輸設施的沖擊程度進行了參數分析。Amir[28]利用線性晃動理論，研究了圓柱形、橢圓形、修正橢圓形和勒羅三角形4種不同水槽橫截面對于水箱的晃動力和滾轉力矩影響，隨后將該晃動模型集成到鉸接罐式半掛車的側傾平面模型中，研究了恒定和可變負載條件下，動態液體晃動以及罐式橫截面對車輛穩態側傾穩定性極限的影響。結果表明，在中填料和高填料條件下，總體質量中心較低和臨界晃動長度較低的罐體截面可以提高滾轉穩定性極限。

Ehud等[29]在基線結構的半球形容器和經過反復設計和分析循環演變的簡單環面容器兩類形狀的壓力容器上論證了金屬增材制造可以通過傳統方法無法或很難生產的幾何形狀來節省相當大的重量。并利用有限元應力分析對直觀的幾何外形進行迭代變化，直到最終的設計顯示出整個容器內表面的應力水平基本均勻，而其他地方的應力相對較高。在保持內部體積、壓力和允許應力不變的情況下，發現“花生”形容器的重量比圓頂圓柱形容器節省約26%，不對稱環面比對稱基線節省約63%。

Calum等[30]對高壓氣體燃料儲存環面復合材料壓力容器(CPV)優化及耐損傷設計綜述，對環面cpv的設計和優化進行了全面和批判性的回顧，將損傷容錯設計作為滿足安全標準的關鍵要求，并優化環面截面剖面(形狀、厚度變化和纖維纏繞模式)以減少或消除應力不均勻性。環面復合材料壓力容器被認為是一種體積高效的解決方案，可以減少容器質量，同時提高存儲效率。

伴隨人工智能[31]的發展，多種新型智能算法在國內外有關文獻被陸續提出，陳定樑等[32]利用改進螢火蟲算法對具有圓柱形筒體和標準橢圓形封頭的壓力容器殼體進行了優化設計。伍能和[33]采用布谷鳥搜索算法對某型號立式徑向流分子篩吸附器的下封頭接管進行了優化。Truong等[34]使用差分進化算法和粒子群優化算法對內壓環形殼容器進行幾何和壁厚優化，可節省72%的材料。

2.3 應變強化工藝技術

奧氏體不銹鋼應變強化工藝主要分室溫與低溫兩種，通過拉伸材料產生一定量的塑性變形，金屬材料的晶粒移位，提高材料許用應力和屈服強度。國內通過大量的仿真實驗，行業內標準已發展成熟并應用于工程生產，表1列舉了國內外壓力容器應變強化制造相關標準。

表1 國內外應變強化制造相關標準Table 1 Domestic and foreign strain strengthening manufacturing related standards

關于應變強化增加材料強度裕度的研究還在繼續，韓豫等[41]研究了應變強化奧氏體不銹鋼壓力容器的變形規律，景鵬飛[42]對深冷壓力容器應變強化過程進行了數值分析， Zhao等[43]研究了室溫下Zn對擠壓態Mg-xZn(x=1%,2%,3%和4%) 合金應變強化的影響，由塑性應力-應變曲線得到應變強化速率、應變強化指數和強化能力。C J Tang等[44]采用熱機械控制工藝(TMCP)制備了5種不同貝氏體體積分數的鐵素體/貝氏體(F/B)多相實驗鋼。采用改進C-J分析、Hollomon分析和數值模擬方法研究了F/B多相鋼的應變強化行為和變形機理。研究表明，第1階段和第2階段的變形機制分別與鐵素體的彈塑性變形和貝氏體的均勻應變(變形)直接相關。

Molaie等[45]研究了具有非線性應變強化特性的加壓型厚壁圓筒。利用Tresca屈服準則并考慮包辛格效應，解析地得到了非線性應變強化材料制成的厚壁受壓圓筒在加載和卸載階段的彈塑性應力分布。并將預測結果與實驗數據進行了比較，且吻合度高。通過獲得殘余應力分布確定這些厚壁圓筒在工業使用前的最佳自增強水平，以提高強度重量比。

2.4 不同設計標準的選用與安全系數下調

世界上比較通用的壓力容器標準有三大系列，GB150、ASME BPVC VIII-2、EN13530見表2。規則設計方法主要依據第一、第三、第四強度理論，ASME標準引入數值分析方法，充分考慮罐體的受力情況，采用第四強度理論——形狀改變比能理論，計算出的結果更具經濟性。

表2 壓力容器國內外標準Table 2 Pressure vessel domestic and foreign standards

我國GB 150—2011《壓力容器》相應做出的修訂情況(常規設計抗拉強度安全系數從3.0調整到2.7)，并充分調整可能給壓力容器安全帶來的影響。安全系數的降低，提高了材料許用應力與強度，在同等的受壓條件下，所需板材厚度小，可有效減薄厚度，減輕質量。

3 結論與展望

本文從多方面介紹了國內外近年來在移動壓力容器輕量化方面的相關研究進展。輕質材料在纏繞多層復合材料方面發展是未來壓力容器替代傳統材料的可行性研究方向，國內移動型壓力容器主要為傳統圓頂圓柱形容器，受制于生產與加工制造水平，對環面壓力容器(CPV)研究較少，環狀耐壓殼主要集中在深海空間站。未來液化氣體運輸設備的輕量化技術理念應是安全與經濟并重、安全與節能減排、開發新材料、提高加工制造與工藝水平、降低安全系數、運用有限元分析設計參數優化以及新型優化算法和新型結構等技術來實現液化氣體運輸設備的輕型化。