液氫容器內(nèi)外容器間支撐結(jié)構(gòu)的受力及漏熱計(jì)算分析

妙叢，張振揚(yáng)，解輝，張震

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074）

0 引言

如何延長存儲(chǔ)時(shí)間，如何減小漏熱量，并降低低溫液體靜態(tài)日蒸發(fā)率？這些是低溫液體容器研發(fā)永遠(yuǎn)逃避不了的問題。相比于其它低溫液體，液氫的飽和溫度更低，更容易汽化，更不易被保存。由于氫氣具有易燃易爆的特性，從1896年第一個(gè)液氫生產(chǎn)裝置誕生以來，全球所產(chǎn)液氫基本都被用在軍事領(lǐng)域，尤其是用在液氫-液氧發(fā)動(dòng)機(jī)火箭上，少數(shù)用在了科研領(lǐng)域，但僅限于實(shí)驗(yàn)室使用，在民用領(lǐng)域基本沒有相關(guān)報(bào)道[1]。隨著近年來碳達(dá)峰、碳中和的呼吁聲越來越強(qiáng)烈，國家也相應(yīng)制定了“3060目標(biāo)”。氫能作為清潔能源因此獲得越來越多的重視，然而其高昂的制取成本注定了其將在曲折中發(fā)展[2]。

液氫在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用有著用時(shí)生產(chǎn)、短時(shí)存儲(chǔ)的特點(diǎn)，所以早期研發(fā)的液氫容器并沒有特別考慮漏熱的問題，也不會(huì)存在大量蒸發(fā)浪費(fèi)的情況，但液氫在民用領(lǐng)域的應(yīng)用則截然不同，它需要像汽油或者柴油那樣存儲(chǔ)起來隨時(shí)備用。本文從降低液氫存儲(chǔ)成本角度，介紹了一種典型的內(nèi)外容器間支撐結(jié)構(gòu)，對該支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及漏熱量計(jì)算分析，并通過有限元分析軟件對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了仿真計(jì)算校核，結(jié)合仿真結(jié)果對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理化調(diào)整，結(jié)果表明調(diào)整后的支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足使用需求，且漏熱量和液氫靜態(tài)日蒸發(fā)量較小，適宜液氫儲(chǔ)存，可以有效降低液氫存儲(chǔ)成本[3]。

1 一種典型內(nèi)外容器間支撐結(jié)構(gòu)型式

1.1 滑動(dòng)端支撐

圖1為內(nèi)外容器間滑動(dòng)支撐，內(nèi)支撐7焊接在內(nèi)容器上，外支撐套筒4和內(nèi)支撐7之間裝有滑塊6，滑塊6被蓋板5固定于外支撐套筒上，外支撐套筒4焊接在加強(qiáng)圈9上，補(bǔ)強(qiáng)蓋板1與外容器2和加強(qiáng)圈9焊接，堵板3焊接在加強(qiáng)圈9上。

圖1 內(nèi)外容器間滑動(dòng)端支撐

1.2 固定端支撐

圖2為內(nèi)外容器間固定端支撐，該支撐數(shù)量一般為1～4個(gè)，具體由容器大小決定。

圖2 內(nèi)外容器間固定端支撐

安裝時(shí)先將加強(qiáng)板2和支撐鋼管3焊接在一起，然后焊接到內(nèi)容器1上，焊接支撐套筒4至外容器7，并焊接補(bǔ)強(qiáng)蓋板8，之后將封頭6和支撐鋼管3焊接在一起，最后焊接堵板5，使支撐套筒和封頭形成密閉空間。需要注意的是，為了使內(nèi)外容器間抽空時(shí)支撐套筒內(nèi)不形成大氣壓力，應(yīng)在加強(qiáng)板2和支撐套筒4上打小孔排氣。

1.3 運(yùn)輸（徑向）支撐

當(dāng)立式容器容積較大（大于10 m3）時(shí)，或者容器為臥式容器時(shí)，需要安裝運(yùn)輸（徑向）支撐，其常用結(jié)構(gòu)型式如圖3所示。

圖3 內(nèi)外容器間運(yùn)輸（徑向）支撐

2 支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

本文按照幾何容積10 m3液氫容器進(jìn)行計(jì)算，輸入具體參數(shù)條件如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算輸入條件

2.1 滑動(dòng)端支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

由于滑動(dòng)端在立式工作狀態(tài)下不受力，所以本文只校核運(yùn)輸工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，這時(shí)滑動(dòng)支座簡化為一根鋼管，選用φ219×4。在運(yùn)輸工況下，高度方向共2g載荷，滑動(dòng)支座承受一半，即1g載荷，及由此產(chǎn)生的彎矩。剪切應(yīng)力為

2.2 固定端支撐強(qiáng)度計(jì)算

內(nèi)容器下封頭和外容器下封頭之間的支柱參考NBT 47065.4-2018第202面的2號B型支承式支座，但Dr按照1060[6]，如圖4所示。支柱為φ108×4鋼管，支座高度按上限550 mm，支座數(shù)量為3個(gè)。底板采用φ250×16圓形板，與外支柱φ159×4.5鋼管焊接連接。內(nèi)支柱采用S30403不銹鋼，底板和外支柱采用S30408不銹鋼。按照NB/T 47065.4-2018附錄A校核[6]：

圖4 固定端支撐參數(shù)

式中：Q為支座承受的載荷，kN；D為支座安裝尺寸，對A型支座，D=Dr，此處為1060 mm；g為重力加速度；Ge為偏心載荷（包括管道推力引起的當(dāng)量荷載），N；Se為偏心距（包括管道推力引起的當(dāng)量偏心距），mm；H為水平力作用點(diǎn)至底板高度，mm；k為不均勻系數(shù)，3個(gè)支座時(shí)取1，3個(gè)以上時(shí)取0.83；m0為設(shè)備總質(zhì)量，m0=2400 kg；n為支座數(shù)量，此處為3；p為水平力，取pe+0.25pw和pw的大值，N。

其中，容器總高較矮，且風(fēng)載和雪載作用在外容器上，不直接作用在內(nèi)容器上，內(nèi)容器承受風(fēng)載視為0。地震載荷pe的計(jì)算見GB/T 50761-2018標(biāo)準(zhǔn)[7]。

按照GB/T 50761-2018標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)容器支撐在外容器上，外容器與內(nèi)容器質(zhì)量比大于2，內(nèi)容器的水平地震力按下式計(jì)算[7]：

式中：Km為地震作用放大系數(shù)，一層為1.2；η為設(shè)備抗震重要度系數(shù)，按表3.1.2選用，II類容器為1.0；RE為設(shè)備地震作用調(diào)整系數(shù)，按表4.3.1-1選用，立式圓筒形容器為0.40；α1為相應(yīng)于設(shè)備基本自振周期的水平地震影響系數(shù)，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.30g，水平地震影響系數(shù)最大值為0.68；meq為設(shè)備的等效總質(zhì)量，1700+700=2400 kg；g為重力加速度。

計(jì)算得Fhk=7685 N。

所有夾層管路采用自然補(bǔ)償，減少管道對設(shè)備的作用力。φ45×3管道內(nèi)介質(zhì)靜壓力（0.8 MPa）產(chǎn)生的推力為800000×3.14×0.0195×0.0195=955 N，Ge按m0g的10%考慮，Se按1000 mm計(jì)算，H按3300 mm計(jì)算。計(jì)算出Q=26.8 kN＜[Q]=49 kN，滿足支座承載要求。

2.3 運(yùn)輸（徑向）支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

該方向的支撐強(qiáng)度只校核玻璃鋼管的強(qiáng)度就可以，由表1可知，其尺寸為φ108×4 mm，所以截面積A=0.0013 m2，支撐數(shù)量為2，運(yùn)輸工況下施加的壓力取3g，所以玻璃鋼管所受應(yīng)力為

3 支撐結(jié)構(gòu)漏熱分析

3.1 固定端支撐漏熱

3.2 滑動(dòng)端支撐漏熱

滑動(dòng)端支撐可簡化為1根600 mm長的φ219×4不銹鋼管，所以漏熱量為

3.3 運(yùn)輸（徑向）支撐漏熱

由上述公式計(jì)算這部分漏熱非常小，相較于固定端和滑動(dòng)端支撐可以忽略不計(jì)。

3.4 靜態(tài)日蒸發(fā)率

以上靜態(tài)日蒸發(fā)率計(jì)算過程并沒有將管路和絕熱層漏熱考慮在內(nèi)，如果考慮管路和絕熱層漏熱的話，容器靜態(tài)日蒸發(fā)率保守估計(jì)也要在2%以上，這對于10 m3液氫容器來說，漏熱量過大了，需要對容器支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。

4 支撐結(jié)構(gòu)調(diào)整

首先更改滑動(dòng)端支撐結(jié)構(gòu)，將滑塊6結(jié)構(gòu)更改為與內(nèi)支撐7成凸起環(huán)接觸，由于起到支撐作用的仍然可簡化為鋼管，所以強(qiáng)度不需要重新校核，如圖5所示。由于接觸面積減半，漏熱量Q2粗略估計(jì)一般可以減小至6.865 W。

圖5 修改后滑動(dòng)端支撐

固定端支撐由3根簡化為1根，位置調(diào)整到容器正中心，這時(shí)支座強(qiáng)度校核可以簡化為

靜態(tài)日蒸發(fā)率降低明顯，在可以接受的范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

通過對液氫容器內(nèi)外容器支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和漏熱量的計(jì)算分析得到如下結(jié)論：應(yīng)盡量減小內(nèi)外容器滑動(dòng)端支撐接觸面積，采用凸起接觸對減小漏熱有一定的效果；對于小型液氫容器，可以使用單根固定端支撐配合徑向支撐的方法以減小漏熱量；徑向支撐使用玻璃鋼管材質(zhì)漏熱量很小，推薦使用。