王會(huì)賞 李毅飛

1. 石家莊安瑞科氣體機(jī)械有限公司 河北石家莊 050061

2. 西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)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(yùn)輸多采用經(jīng)壓縮機(jī)壓縮至高壓大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶內(nèi)盛裝，并安裝于半掛車行走機(jī)構(gòu)上運(yùn)輸。由于壓縮機(jī)投資大，且壓縮工序繁雜，增大了使用成本和時(shí)間成本。如果管線中的天然氣不經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮而直接采用高壓大容積氣瓶運(yùn)輸，則帶來了原始投資和運(yùn)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(yīng)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(yùn)輸，則容重比減小，泄露點(diǎn)增加，運(yùn)輸效率降低而浪費(fèi)能源。因此，開發(fā)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(chǎn)品，在設(shè)計(jì)制造與使用方面與液化氣體罐車有著諸多區(qū)別，因國家尚未制訂關(guān)于壓縮氣體運(yùn)輸半掛車的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，必須有針對(duì)性地加以研究，正確設(shè)計(jì)，合理使用，才能保證永久氣體罐式半掛車的安全運(yùn)營。

2 一般要求

天然氣罐式運(yùn)輸半掛車設(shè)計(jì)主要包括兩部分：行走機(jī)構(gòu)和罐體的設(shè)計(jì)。天然氣罐式半掛車設(shè)計(jì)時(shí)，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(zhì)量不得大于35 t，且應(yīng)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(yùn)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(shè)備中的移動(dòng)式壓力容器[2]，受《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》監(jiān)察，因此，須遵守規(guī)程的要求。另外，行走機(jī)構(gòu)和罐體的連接也必須合理布置，通過計(jì)算，保證連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和運(yùn)營的安全。

3 罐體的設(shè)計(jì)

罐體是天然氣運(yùn)輸半掛車承受內(nèi)壓和運(yùn)輸時(shí)慣性力的主要部件，在每次裝卸過程中，罐體一般經(jīng)過0.1～4 MPa的壓力循環(huán)，屬于承受疲勞載荷的壓力容器，因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用有限元應(yīng)力分析方法，按照J(rèn)B 4732標(biāo)準(zhǔn)對(duì)罐體進(jìn)行整體強(qiáng)度計(jì)算和校核。

3.1 材料的選擇

罐體的選材應(yīng)選用《鍋爐和壓力容器用鋼板》中的材料，在我國南方地區(qū)使用的天然氣運(yùn)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(qū)因冬季溫度有時(shí)會(huì)低于－20℃，且在卸氣過程中會(huì)出現(xiàn)降溫的現(xiàn)象，故應(yīng)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(shè)計(jì)時(shí)，須考慮3種載荷。

a. 內(nèi)壓載荷：因罐體須承受0.1～4 MPa疲勞載荷，因此罐體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)符合JB 4732的規(guī)定，進(jìn)行設(shè)計(jì)壓力4.1 MPa應(yīng)力分析和循環(huán)壓力0.1～4 MPa的疲勞評(píng)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(yùn)輸過程中的慣性載荷。

3.2.2 4種載荷工況

設(shè)計(jì)時(shí)，除應(yīng)考慮罐體因內(nèi)壓變化引起的疲勞載荷外，還應(yīng)校核在運(yùn)營過程中慣性載荷下的4種載荷工況[3]。

工況1：內(nèi)壓＋自重＋沿運(yùn)動(dòng)方向(縱向)、大小為額定質(zhì)量乘以兩倍重力加速度的慣性力；

工況2：內(nèi)壓＋自重＋沿與運(yùn)動(dòng)方向成直角的水平方向、大小為額定質(zhì)量乘以一倍重力加速度的慣性力；

工況3：內(nèi)壓＋沿垂直向上方向、大小為額定質(zhì)量乘以一倍重力加速度的慣性力；

工況4：內(nèi)壓＋沿垂直向下方向、大小為額定質(zhì)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(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度[Sm]=188 Mpa；屈服強(qiáng)度[σel]=325 MPa。

3.3.2 內(nèi)壓和內(nèi)壓引起的疲勞載荷

按照J(rèn)B 4732要求[4]，取計(jì)算壓力4.1 MPa，對(duì)筒體和封頭進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，確定計(jì)算厚度。對(duì)于受內(nèi)壓載荷的總體元件封頭、筒體，其厚度是按JB 4732的有關(guān)公式計(jì)算并向上圓整得到，一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度已得到保證，可不再進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度校核，僅對(duì)凸緣與殼體連接的幾何不連續(xù)區(qū)域采用有效厚度建立局部實(shí)體模型。采用ANSYS有限元程序，20節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元(SOLID95)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，厚度方向劃分為3層。施加4.1 MPa內(nèi)壓及相應(yīng)約束后進(jìn)行有限元求解，經(jīng)應(yīng)力線性化后，進(jìn)行不連續(xù)處的應(yīng)力分析；同時(shí)，對(duì)應(yīng)力最大點(diǎn)進(jìn)行疲勞評(píng)定。

3.3.3 慣性載荷下的4種工況

對(duì)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(jié)構(gòu)及載荷對(duì)于軸線在豎直方向的垂直面對(duì)稱，因此，可以取豎直方向1/2的罐體及行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體建模分析；對(duì)于工況2(橫向)承受的載荷為非軸對(duì)稱，需用罐體及行走機(jī)構(gòu)整體建模[5]。由于凸緣不連續(xù)區(qū)域應(yīng)力對(duì)慣性動(dòng)載荷引起的應(yīng)力影響極小，可以忽略，因此，4種工況均可忽略凸緣結(jié)構(gòu)。需要考慮的各個(gè)元件，均采用有效厚度作為建模厚度。應(yīng)力分析采用ANSYS有限元程序，罐體采用20節(jié)點(diǎn)SOLID95實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分；行走機(jī)構(gòu)簡化為剛性梁和彈簧單元，力邊界條件的施加：

a. 對(duì)于工況1、3和4，在垂直剖面上施加對(duì)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(jié)點(diǎn)施加UY、UZ約束(半掛車前行方向不必約束)；

c. 對(duì)模型分別施加與各工況方向、大小一致的加速度；

d. 對(duì)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(dāng)于罐體的重力(工況3、4除外)；

e. 罐體的內(nèi)表面施加內(nèi)壓為4.1 MPa。

3.4 慣性載荷工況下的應(yīng)力分布

罐體(含罐體前、后支座支撐)結(jié)構(gòu)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(yīng)的SINT應(yīng)力云圖，如圖2～4。

3.5 安全評(píng)定

根據(jù)引起應(yīng)力的原因和對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響的性質(zhì)不同而對(duì)應(yīng)力進(jìn)行分類，按照J(rèn)B 4732標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同類型的應(yīng)力分別進(jìn)行不同的限制和評(píng)定。通過以上應(yīng)力分布云圖分析，分別得出4種載荷工況下的應(yīng)力最大值。在4種載荷工況中，工況1和4，最大應(yīng)力點(diǎn)均出現(xiàn)在支座支撐和罐體連接部位，該點(diǎn)屬于罐體的一部分，兩種工況下的應(yīng)力最大值均屬于二次應(yīng)力的范疇，應(yīng)按二次應(yīng)力進(jìn)行評(píng)定，小于3倍的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度即符合標(biāo)準(zhǔn)要求[4]，工況1應(yīng)力最大值為515.239 MPa ，工況4應(yīng)力最大值為479.088 MPa，小于3倍的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度值564 MPa，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和設(shè)計(jì)要求。工況2和3中的最大應(yīng)力值分別為712.529 MPa和597.790 MPa ，兩個(gè)最大應(yīng)力點(diǎn)位置均遠(yuǎn)離罐體的筒體和封頭，分別出現(xiàn)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(qiáng)度(487.5 MPa)，不符合應(yīng)力分析標(biāo)準(zhǔn)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(píng)定略。疲勞分析和評(píng)定結(jié)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(jì)算，滿足設(shè)計(jì)疲勞壽命為20年的要求。

3.6 改進(jìn)思路和方案

在以上分析和評(píng)定中，如果出現(xiàn)任何一項(xiàng)評(píng)定不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，則需要增大元件壁厚或改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，重新建模和分析，直至合格。對(duì)于工況2，可采用增加支座底板厚度6 mm的方法，進(jìn)行重新建模、加載、分析計(jì)算，得出該工況的最大應(yīng)力值減小至475 MPa的結(jié)果；而對(duì)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(jié)構(gòu)(如圖6)，以減小應(yīng)力集中的缺陷，重新建模、加載、分析計(jì)算，得出該工況的最大應(yīng)力值為426 MPa。改進(jìn)后的工況2和工況3，分析結(jié)果均滿足小于1.5倍屈服強(qiáng)度(487.5 MPa)的要求，符合JB 4732標(biāo)準(zhǔn)要求，故判定合格。

3.7 其它要求

在罐體設(shè)計(jì)時(shí)，需要注明對(duì)疲勞容器的特殊要求：A、B類焊接接頭進(jìn)行100%射線檢測；C、D類焊接接頭進(jìn)行表面檢測；焊縫余高須打磨平滑，以盡可能地減小應(yīng)力集中；幾何不連續(xù)處采用圓滑過度；不得采用硬印打標(biāo)記等。

4 安全使用

天然氣罐式半掛車因充裝的介質(zhì)為永久氣體，充裝和運(yùn)營與液化氣體罐車存在著本質(zhì)區(qū)別。在充裝過程中，如果充裝速度過快，會(huì)因壓力急劇變化而出現(xiàn)罐體受力不均衡，導(dǎo)致罐體出現(xiàn)異常；也會(huì)因此而使罐內(nèi)天然氣溫度快速上升，無法確定介質(zhì)應(yīng)達(dá)到的充裝壓力而有可能出現(xiàn)欠裝的現(xiàn)象，因此，充裝時(shí)需要控制充裝速度在經(jīng)濟(jì)流速15 m/s范圍內(nèi)，不宜過快。

罐內(nèi)壓力是隨環(huán)境溫度的改變而變化，環(huán)境溫度提高，罐內(nèi)壓力便會(huì)相應(yīng)提高，因此工作壓力為4 MPa的罐車，運(yùn)營過程中，雖然在較低環(huán)境溫度下，充裝量在保證不超載的情況下可相對(duì)增加，但是必須保證在任何充裝和運(yùn)營環(huán)境溫度下，罐內(nèi)壓力都應(yīng)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(duì)應(yīng)關(guān)系如圖7所示。

5 結(jié)束語

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)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(yè)氣體項(xiàng)目的發(fā)展大大促進(jìn)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(kuò)大，近年來，部分廠家才開始自主研發(fā)永久氣體罐式運(yùn)輸車，設(shè)計(jì)、制造所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。亟待制訂不同于液化氣體罐式運(yùn)輸車的國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以規(guī)范設(shè)計(jì)、制造和使用，保證永久氣體罐式運(yùn)輸車更合理、更安全的運(yùn)營。

[1] GB 1589－2004道路車輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限制[S].

[2] 壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程,中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社.1999.

[3] 集裝箱檢驗(yàn)規(guī)范,中國船級(jí)社.2010.

[4] JB 4732－1995.鋼制壓力容器 分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[5] 余偉煒,高炳軍.ANSYS在機(jī)械與化工設(shè)備中的應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社,2007.