方 旭，謝禹鈞，常佩琛，李云鵬

（遼寧石油化工大學機械工程學院，遼寧撫順113001）

隨著我國節(jié)能減排工作的有序推進，大力發(fā)展清潔能源已成為社會可持續(xù)發(fā)展的內在要求之一。在日常生產生活中對液化天然氣的消費量與日俱增，為解決液化天然氣分布不均的現狀，大力發(fā)展深冷液化天然氣（LNG）罐式集裝箱行業(yè)是提升公路運輸液化天然氣能力最有效的方式之一，其結構可視為將一個有高真空絕熱夾套的低溫液體儲罐固定在集裝箱框架內的裝備[1?3]，集裝箱儲罐內外筒間的接管是輸送液化天然氣的關鍵結構。由于儲罐內外筒間的溫差較大，內部儲存的液化天然氣會隨著外界環(huán)境熱量的傳入而不斷汽化，導致儲罐內部壓力逐漸升高，當壓力達到一定值后，安全閥會自動開啟進行排氣泄壓[4]。移動儲罐漏熱量的大小對裝備整體的安全性和經濟性有著最直接的影響，所以需要對裝備漏熱量進行必要的研究。

在實際生產運輸過程中，內部結構較為簡單的LNG罐式集裝箱儲罐其絕熱性能通常優(yōu)于內部結構相對復雜的儲罐[5]。本文對某LNG罐式集裝箱儲罐及其頂部進液管結構建模并進行熱力學模擬，獲得溫度分布和熱流密度分布規(guī)律，與進行斷橋結構改進的裝備模型進行熱工分析結果對比，檢驗管路優(yōu)化改進的效果。

1 LNG罐式集裝箱儲罐接管模型

1.1 儲罐接管物理模型

我國公路運輸普遍使用的LNG罐式集裝箱需符合GB150-2011《壓力容器》或ASME規(guī)范、JB4732-2005《鋼制壓力容器-分析設計標準》、中國船級社《集裝箱檢驗規(guī)范-2016》、JB/T 4708-2000《鋼制壓力容器焊接工藝評定》等國家標準要求。LNG罐式集裝箱內部儲罐一般采用雙層筒體結構，將內外筒之間的夾層抽高真空實現絕熱[6]，外筒外表面無需保溫層，內外筒間由固定端支撐、移動端支撐，保持裝備穩(wěn)定，移動儲罐外部由框架、角件等結構固定。

以IMO7型12.192 m（40英尺）罐式集裝箱為例，分析的主要對象是移動儲罐內外筒以及兩筒體夾層間的頂部進液管結構，裝備采用的金屬材料是304不銹鋼（0Cr18Ni9）。LNG集裝箱儲罐外筒直徑為2 522 mm，內筒直徑為2 356 mm，兩筒體的壁厚均為6 mm。LNG罐式集裝箱移動儲罐及頂部進液管結構如圖1所示。

1.2 模型材料性能

LNG罐式集裝箱移動儲罐模型所涉及的材料熱物理性能參數如表1所示[7]。裝備所用金屬材料導熱系數隨溫度變化的具體數據如表2所示[8]。

圖1 LNG移動儲罐接管結構Fig.1 Structure diagram of LNG mobile storage tank

表1 材料的熱物理性能Table 1 Thermo physical properties of mater ials

表2 0Cr18Ni9導熱系數Table 2 Thermal conductivity of 0Cr18Ni9

2 頂部進液管穩(wěn)態(tài)溫度場計算

ANSYS軟件是目前工程中普遍使用的大型有限元分析軟件，該軟件在熱分析方面具有豐富的功能，可以對實體模型或單元模型進行熱傳導、對流傳熱、輻射傳熱及接觸熱阻等方面的分析、計算、求解[9]。在分析溫度場分布方面以及應力強度方面具有廣泛的應用[10]。

2.1 三維有限元模型的建立

在實際運輸中，LNG罐式集裝箱的儲罐尺寸較大且內外筒夾層內的頂部進液管空間走向復雜。為方便軟件模擬運算，現將頂部進液管管路結構簡化，將其近似為關于移動儲罐筒體中垂面對稱的結構，三維實體模型以1/2頂部進液管和1/4移動儲罐罐體為研究對象，利用ANSYS中Material Model定義三維模型的材料屬性，所得到的實體模型如圖2所示。

圖2 LNG移動儲罐實體模型Fig.2 LNG mobile stor age tank entity model

2.2 三維熱分析單元及網格劃分

常用的三維熱分析單元有SOLID70、SOLID87和SOLID90，這三種單元均可應用在三維穩(wěn)態(tài)和三維瞬態(tài)的熱分析問題中[11]。模擬選用SOLID70單元，該單元為三維8節(jié)點熱實體單元，每個節(jié)點有一個溫度自由度[12]，并且該單元既能夠滿足LNG罐式集裝箱儲罐實體模型勻速熱流傳遞的要求，又可以與目標模型的網格劃分有較好的匹配度。根據所選單元，對模型進行網格劃分，因管路尺寸較小將該部分單元密度設置為0.01，又因移動儲罐筒體尺寸較大將其單元密度設置為0.1，故得到網格數為68 713個，模型網格如圖3所示。

圖3 模型網格Fig.3 Modeling partition

2.3 初始狀態(tài)邊界條件

在公路運輸環(huán)境下，LNG罐式集裝箱儲罐的整個熱響應大致可分為以下三個部分：

（1）外界環(huán)境與罐體外壁之間的對流傳熱和輻射傳熱；

（2）接管暴露在外部環(huán)境中的部分與環(huán)境間的對流傳熱；

（3）內外筒體與接管接觸部分的熱傳導。

對LNG罐式集裝箱模型進行分析計算主要基于以下假設：①儲罐內外筒真空夾層間的壓力為-0.1 MPa，夾層內部介質傳熱率近似為零；②儲罐內液化天然氣充裝率為90%，頂部進液管內的液化天然氣在彎管處存在液封結構；③管路材料具有各向同性的特點，儲罐內外筒材料層與層之間接觸良好，不考慮接觸熱阻[9]；④忽略外界環(huán)境與LNG罐式集裝箱暴露在外部環(huán)境中各部分間的輻射傳熱。

將LNG罐式集裝箱實體模型的分析類型定義為穩(wěn)態(tài)分析，當罐式集裝箱在運輸中所處位置不相同時，空氣的強制對流也不盡相同，本文選取移動槽車處于靜止的狀態(tài)，空氣對流系數暫取為5 W/(m2·K)；由于內外筒金屬材料導熱系數高，熱傳導速度快，所以假定內筒筒壁溫度為其內部存儲的液化天然氣溫度111 K（-162℃）；外界環(huán)境溫度取293 K（20℃）。

根據以上條件模擬時對實體模型的內筒表面施加111 K的溫度載荷，對模型暴露在外界環(huán)境中的部分施加293 K的溫度載荷和5 W/(m2·K)的對流載荷，而后對此穩(wěn)態(tài)三維實體模型進行熱工計算分析，所得到的LNG罐式集裝箱儲罐模型的溫度場分布等值線圖和熱流密度等值線圖，如圖4、5所示。

圖4 初始溫度場分布Fig.4 Distribution of initial temperature field

圖5 初始熱流密度Fig.5 Initial heat flux density diagram

2.4 初始狀態(tài)熱工分析結果

由圖4可知，管道最高溫度為293 K，最低溫度為111 K,與實際情況相符。管道的溫度梯度主要分布在內外筒夾層間的部分管段，且上部管段的溫度一直維持在111 K，下部管段溫度均高于頂部進液管內LNG臨界溫度數值，這種情況造成管道內部分液化天然氣因發(fā)生汽化而吸收熱量，致使管道外部有結霜、結冰現象的發(fā)生。

由圖5可以發(fā)現，管路熱量損耗變化明顯，最大熱流密度為1 499.34 W/m2，大部分管路熱流密度為666.37 W/m2。說明外界環(huán)境熱量通過頂部進液管傳入罐內，該熱橋是儲罐發(fā)生熱損的重要途徑之一。

3 斷橋結構穩(wěn)態(tài)溫度場計算

3.1 頂部進液管斷橋結構改進

所選用的頂部進液管管材為304不銹鋼，此材料導熱系數較大，具有較好的導熱性，致使外界環(huán)境的熱量極易沿儲罐內外筒間接管的軸向傳入罐式集裝箱儲罐的內部。而在實際建筑工程領域中，通常采用優(yōu)化目標結構設計形成斷橋結構的方法來達到減小裝置熱橋熱量損失的目的[13?14]，現將此方法應用到LNG罐式集裝箱儲罐頂部進液管結構的改進中。

在深冷環(huán)境下，為滿足頂部進液管強度和剛度要求，并確保LNG罐式集裝箱儲罐能安全、穩(wěn)定地運行，根據給定的管路設計尺寸和設計條件，以耐低溫且機械性能良好的聚四氟乙烯管材為例進行斷橋結構改進。此斷橋結構應確保選用的聚四氟乙烯管材與原頂部進液管管材橫截面尺寸相同，進而代替原處于內外筒夾層間水平位置的部分管路，該斷橋結構示意如圖6所示。

圖6 管路斷橋結構示意Fig.6 Schematic diagram of pipeline broken bridge structur e

3.2 頂部進液管改進后熱工分析

利用ANSYS軟件將LNG罐式集裝箱儲罐實體模型進行斷橋結構改進，并確保對該模型進行的網格劃分，施加的邊界載荷均與初始狀態(tài)相同，經穩(wěn)態(tài)傳熱分析計算獲得的熱工分析結果如表3所示。

表3 不同長度斷橋結構熱工分析Table.3 Ther mal analysis table of broken bridge structure with different lengths

由表3結果可知，頂部進液管管路沿軸向的最大熱流密度隨著聚四氟乙烯斷橋結構長度的增加而減小，當斷橋結構長度由600 mm延長至680 mm時，聚四氟乙烯管材兩截面間溫差由161.78 K增大到182.00 K（即為LNG罐式集裝箱儲罐內外筒表面的溫差）。

以熱工分析結果發(fā)生明顯變化的680 mm聚四氟乙烯管路為例，得到的熱工分析云圖如圖7、8所示。

圖7 改進后溫度場分布Fig.7 Impr oved distr ibution map of temper ature field

圖8 改進后熱流密度Fig.8 Heat flux density diagram

由圖7、8可知，頂部進液管的溫度梯度集中在聚四氟乙烯斷橋結構處，并且此時外界環(huán)境熱量沿頂部進液管管路軸向傳導的熱流密度大大減小，最大熱流密度減小至211.747 W/m2，傳熱速率顯著減慢。

4 結 論

根據國內LNG罐式集裝箱普遍采用的IMO7型12.192 m罐式集裝箱的實際工程參數，基于有限元數值分析理論和傳熱學原理利用ANSYS軟件建立LNG罐式集裝箱的三維計算模型。針對傳熱過程進行熱工分析，提出了以聚四氟乙烯管材為例的斷橋結構改進理論，并對裝備改進前后的熱工計算結果進行比較，證明該斷橋結構可以在很大程度上降低頂部進液管管路的熱量損失、縮小熱傳導距離，以達到降低LNG罐式集裝箱漏熱量的目的，改進設計后的效果顯著，為其他深冷存儲設備的優(yōu)化設計和研發(fā)提供參考。