閆東東，王琪，許志泉

(1.江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.張家港中集圣達(dá)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(yè)2019年CO2排放量較2005年下降32%，其中接近三分之二的貢獻(xiàn)來自天然氣發(fā)電替代燃煤發(fā)電。2021年，中國天然氣進(jìn)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(jìn)口國。目前，針對(duì)電力、鋼鐵、化工、交通等行業(yè)積極響應(yīng)國家碳達(dá)峰、碳中和(2030年/2060年)政策目標(biāo)，加快推進(jìn)天然氣等清潔能源在我國能源使用中的占比,提升低碳競(jìng)爭(zhēng)力，天然氣是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)和“美麗中國”的重要力量[1],將在全球能源綠色低碳轉(zhuǎn)型中發(fā)揮重要作用。

移動(dòng)壓力容器作為LN2、LO2、LCO2、LAR、LNG、LH2主要運(yùn)輸工具，隨著天然氣[2]在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)占比上升，液化氣體運(yùn)輸設(shè)備投入大量生產(chǎn)，輕量化技術(shù)成為設(shè)計(jì)制造廠家的關(guān)鍵技術(shù)，是研究熱點(diǎn)之一，進(jìn)行液化氣體運(yùn)輸設(shè)備輕量化技術(shù)的研究，能減少壓力容器制造鋼板用量、提高運(yùn)輸效率、低碳經(jīng)濟(jì)、節(jié)能減排[3]。

1 液化氣體運(yùn)輸設(shè)備簡介

液化氣體運(yùn)輸設(shè)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(yùn)輸船。移動(dòng)壓力容器是指由罐體，或者大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶與行走裝置或者框架，采用永久性連接組成的運(yùn)輸裝備。國內(nèi)罐體主要為中空兩層結(jié)構(gòu)，內(nèi)容器和外殼夾層采用前后八點(diǎn)支撐，兩層結(jié)構(gòu)中間在制造完成時(shí)通過管路系統(tǒng)液壓閥門抽取高真空，達(dá)到低溫儲(chǔ)藏環(huán)境以及罐體對(duì)于日蒸發(fā)率要求。輕量化技術(shù)在兼顧產(chǎn)品質(zhì)量和生命周期的同時(shí)，用現(xiàn)代化技術(shù)或輕質(zhì)材料替換等方法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，降低重量，實(shí)現(xiàn)安全、節(jié)能、環(huán)保等目標(biāo)，輕量化技術(shù)也能為液化氣體運(yùn)輸工具節(jié)約燃料、減少污染物排放、提高機(jī)動(dòng)性能。

2 罐體的輕量化技術(shù)

2.1 輕質(zhì)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(chǎn)的罐體。與傳統(tǒng)的鋼罐相比，纖維增強(qiáng)聚合物(FRP)罐在有效載荷和耐腐蝕性方面為運(yùn)輸行業(yè)提供顯著的優(yōu)勢(shì)，并使有限元模型驗(yàn)證層壓板的強(qiáng)度和模量。印度學(xué)者kumar等[5]利用ANSYS分析了壓力壁臨界點(diǎn)處的應(yīng)力發(fā)展情況，建立了兩個(gè)優(yōu)化模型零件以克服容器內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力。分別用 ASME的三種不同材料進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，開發(fā)出設(shè)計(jì)良好的最適合的材料。

西班牙薩拉曼卡大學(xué)Roberto等[6]研究了結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)和概率方法進(jìn)行復(fù)合材料壓力容器的可靠性分析， 提出了一種利用數(shù)字圖像相關(guān)法提供的全場(chǎng)應(yīng)變數(shù)據(jù)提取力學(xué)性質(zhì)概率密度函數(shù)的方法。這些概率密度函數(shù)被基于多項(xiàng)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(jī)變量方法所補(bǔ)充，復(fù)合材料的力學(xué)性能相關(guān)的不確定性的魯棒估計(jì)對(duì)壓力容器的可靠性分析。

Doleski[7]將7000系列鋁、美國鋁業(yè)公司的7085、實(shí)驗(yàn)性7000系列鋁鈧(Al-Sc)合金、6061-T6、7075-T73形成一個(gè)基線，以比較較新的合金，夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的使用將作為輕型壓力容器的長期選擇進(jìn)行研究。中東工業(yè)大學(xué)?zaslan E等[8]研究了纖維纏繞復(fù)合材料壓力容器在制造過程中可能出現(xiàn)的缺陷對(duì)其爆破行為的影響，成功地研究了制造缺陷對(duì)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(yōu)化復(fù)合材料壓力容器鋪層的方法，并計(jì)算了相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)金屬壓力容器的相對(duì)重量節(jié)省量。確定合理的纖維取向和層合板厚度對(duì)降低制造難度、提高結(jié)構(gòu)效率具有重要意義。分析了疊層板的不同鋪層順序，對(duì)S-glass/ epoxy、Kevlar/epoxy and Carbon/epoxy三種候選復(fù)合材料的鋪層順序、取向和層厚(層數(shù))進(jìn)行了優(yōu)化。并應(yīng)用第一層失效(FPF)采用Tsai-Wu失效準(zhǔn)則在MATLAB中開發(fā)了基于經(jīng)典層壓理論的代碼。

Egor[10]提出了一種內(nèi)壓載荷下金屬襯墊復(fù)合材料重疊壓力容器應(yīng)力-應(yīng)變特性的數(shù)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(fù)合材料中的纖維取向角以及襯墊與復(fù)合材料殼體之間的接觸。該模型可解決襯墊內(nèi)應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)測(cè)定、復(fù)合材料退化和裂紋型缺陷斷裂評(píng)定等問題，揭示了復(fù)合材料殼體中初始缺陷的擴(kuò)展效應(yīng)和表面裂紋的臨界尺寸。

S Moharrerzadeh等[11]研究了一定的內(nèi)壓力下，多層復(fù)合材料圓柱形壓力容器的重量可以小于單層復(fù)合材料容器重量的一半，約束采用Hoffman準(zhǔn)則，采用凌亂遺傳算法(mGA) 對(duì)層數(shù)和厚度、鋪層角、體積分?jǐn)?shù)和每層的材料屬性設(shè)計(jì)變量進(jìn)行了優(yōu)化。

Behzad等[12]在設(shè)計(jì)考慮穩(wěn)定性和強(qiáng)度約束的情況下，使用正交各向異性材料公式計(jì)算了不同螺旋層數(shù)和不同周向?qū)訑?shù)纏繞的復(fù)合材料壓力容器的基體開裂壓力，然后采用網(wǎng)格分析法計(jì)算了復(fù)合材料容器的破裂壓力。采用帝國主義競(jìng)爭(zhēng)算法(ICA)，根據(jù)復(fù)合材料層合板的基體開裂壓力和破裂壓力確定復(fù)合材料層合板的最優(yōu)形狀和層合板的最優(yōu)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(fā)了一批高性能、經(jīng)濟(jì)型新材料;移動(dòng)式壓力容器用正火型高強(qiáng)鋼Q420R(抗拉強(qiáng)度由Q345R的510 MPa 提高到590 MPa);低溫壓力容器用鋼也實(shí)現(xiàn)了系列化和-60～-196 ℃全覆蓋[13-14];通過一系列基礎(chǔ)研究與實(shí)驗(yàn)將Q370R、06Ni9鋼、201LN、304N 等高強(qiáng)鋼和低鎳鋼應(yīng)用到真空絕熱深冷移動(dòng)容器建造中[15]，新型輕質(zhì)合金材料，高強(qiáng)度合金鋼材料，非金屬復(fù)合材料等處于開發(fā)階段，在不久的將來可作為壓力容器鋼材替換，進(jìn)一步減輕質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕型化。

2.2 輕體結(jié)構(gòu)

王曉東[16]用ANSYS對(duì)八點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)角度等幾何參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響規(guī)律進(jìn)行了研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)，朱艷[17]通過改變支撐角度、支撐圈尺寸、支撐圈形狀結(jié)構(gòu)等方式，對(duì)內(nèi)外容器支撐圈進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的總質(zhì)量比優(yōu)化前降低約20.64%。

Bagheri等[18]利用遺傳算法(GA) 對(duì)受外壓及軸向力作用的環(huán)形加筋圓柱殼進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在基頻、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)重量。Sadeghifar等[19]采用遺傳算法對(duì)環(huán)形加筋圓柱殼的重量和軸向屈曲進(jìn)行了優(yōu)化研究，結(jié)果表明:對(duì)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(shè)計(jì)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(qiáng)圈，一種新型板翅式夾芯結(jié)構(gòu)代替原有車罐外筒體加強(qiáng)圈，減少加強(qiáng)圈占用真空夾層的空間，提高內(nèi)罐直徑，增大罐體容積。但經(jīng)過長時(shí)間的模擬分析，采用高比剛度蜂窩夾芯加強(qiáng)筋并沒有取得滿意的結(jié)果，尚未投入實(shí)際工程應(yīng)用。

A Eswara[21]對(duì)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(qiáng)筋設(shè)計(jì)的壓力容器進(jìn)行建模。對(duì)其靜力結(jié)構(gòu)和自由振動(dòng)進(jìn)行分析。并計(jì)算了結(jié)構(gòu)的總變形、環(huán)向應(yīng)力、固有頻率、應(yīng)力和比剛度。綜合考慮結(jié)構(gòu)比剛度、von mises應(yīng)力、重量和總變形等因素，提出了最佳加勁肋設(shè)計(jì)方案。

邱婷[22]發(fā)現(xiàn)當(dāng)需要增加小型低溫液化氣體槽車用罐容積時(shí)，強(qiáng)度和保冷對(duì)結(jié)構(gòu)的要求互相矛盾，提出一種同時(shí)滿足兩方面要求的新型結(jié)構(gòu)，并對(duì)新型結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行了分析。王戰(zhàn)輝[23]考察了壓力容器中的橢圓形封頭和碟形封頭其應(yīng)力分布和位移分布的特點(diǎn)，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

Q S Chen等[24]對(duì)LNG低溫儲(chǔ)罐的溫度和壓力變化進(jìn)行了分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)特殊的支撐結(jié)構(gòu)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(jì)算了內(nèi)缺口的三軸應(yīng)力比為正，外缺口的三軸應(yīng)力比為負(fù)。Zhang[26]針對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中壓力容器材料浪費(fèi)的問題，利用有限元技術(shù)對(duì)壓力容器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用有限元分析進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算提取相關(guān)結(jié)果參數(shù)進(jìn)行后續(xù)計(jì)算，選擇優(yōu)化設(shè)計(jì)方法后進(jìn)行定量計(jì)算，得到滿足性能指標(biāo)的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。

Sergey等[27]利用MATLAB系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的Simulink仿真包中的計(jì)算機(jī)復(fù)雜性，在作者之前開發(fā)的專家模型的基礎(chǔ)上解決所提出的問題。根據(jù)計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)罐車立柱在改變運(yùn)動(dòng)方式時(shí)對(duì)運(yùn)輸設(shè)施的沖擊程度進(jìn)行了參數(shù)分析。Amir[28]利用線性晃動(dòng)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(duì)于水箱的晃動(dòng)力和滾轉(zhuǎn)力矩影響，隨后將該晃動(dòng)模型集成到鉸接罐式半掛車的側(cè)傾平面模型中，研究了恒定和可變負(fù)載條件下，動(dòng)態(tài)液體晃動(dòng)以及罐式橫截面對(duì)車輛穩(wěn)態(tài)側(cè)傾穩(wěn)定性極限的影響。結(jié)果表明，在中填料和高填料條件下，總體質(zhì)量中心較低和臨界晃動(dòng)長度較低的罐體截面可以提高滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定性極限。

Ehud等[29]在基線結(jié)構(gòu)的半球形容器和經(jīng)過反復(fù)設(shè)計(jì)和分析循環(huán)演變的簡單環(huán)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(tǒng)方法無法或很難生產(chǎn)的幾何形狀來節(jié)省相當(dāng)大的重量。并利用有限元應(yīng)力分析對(duì)直觀的幾何外形進(jìn)行迭代變化，直到最終的設(shè)計(jì)顯示出整個(gè)容器內(nèi)表面的應(yīng)力水平基本均勻，而其他地方的應(yīng)力相對(duì)較高。在保持內(nèi)部體積、壓力和允許應(yīng)力不變的情況下，發(fā)現(xiàn)“花生”形容器的重量比圓頂圓柱形容器節(jié)省約26%，不對(duì)稱環(huán)面比對(duì)稱基線節(jié)省約63%。

Calum等[30]對(duì)高壓氣體燃料儲(chǔ)存環(huán)面復(fù)合材料壓力容器(CPV)優(yōu)化及耐損傷設(shè)計(jì)綜述，對(duì)環(huán)面cpv的設(shè)計(jì)和優(yōu)化進(jìn)行了全面和批判性的回顧，將損傷容錯(cuò)設(shè)計(jì)作為滿足安全標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵要求，并優(yōu)化環(huán)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(yīng)力不均勻性。環(huán)面復(fù)合材料壓力容器被認(rèn)為是一種體積高效的解決方案，可以減少容器質(zhì)量，同時(shí)提高存儲(chǔ)效率。

伴隨人工智能[31]的發(fā)展，多種新型智能算法在國內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)被陸續(xù)提出，陳定樑等[32]利用改進(jìn)螢火蟲算法對(duì)具有圓柱形筒體和標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的壓力容器殼體進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。伍能和[33]采用布谷鳥搜索算法對(duì)某型號(hào)立式徑向流分子篩吸附器的下封頭接管進(jìn)行了優(yōu)化。Truong等[34]使用差分進(jìn)化算法和粒子群優(yōu)化算法對(duì)內(nèi)壓環(huán)形殼容器進(jìn)行幾何和壁厚優(yōu)化，可節(jié)省72%的材料。

2.3 應(yīng)變強(qiáng)化工藝技術(shù)

奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化工藝主要分室溫與低溫兩種，通過拉伸材料產(chǎn)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(yīng)力和屈服強(qiáng)度。國內(nèi)通過大量的仿真實(shí)驗(yàn)，行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)已發(fā)展成熟并應(yīng)用于工程生產(chǎn)，表1列舉了國內(nèi)外壓力容器應(yīng)變強(qiáng)化制造相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 國內(nèi)外應(yīng)變強(qiáng)化制造相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Domestic and foreign strain strengthening manufacturing related standards

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

Molaie等[45]研究了具有非線性應(yīng)變強(qiáng)化特性的加壓型厚壁圓筒。利用Tresca屈服準(zhǔn)則并考慮包辛格效應(yīng)，解析地得到了非線性應(yīng)變強(qiáng)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(yīng)力分布。并將預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，且吻合度高。通過獲得殘余應(yīng)力分布確定這些厚壁圓筒在工業(yè)使用前的最佳自增強(qiáng)水平，以提高強(qiáng)度重量比。

2.4 不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的選用與安全系數(shù)下調(diào)

世界上比較通用的壓力容器標(biāo)準(zhǔn)有三大系列，GB150、ASME BPVC VIII-2、EN13530見表2。規(guī)則設(shè)計(jì)方法主要依據(jù)第一、第三、第四強(qiáng)度理論，ASME標(biāo)準(zhǔn)引入數(shù)值分析方法，充分考慮罐體的受力情況，采用第四強(qiáng)度理論——形狀改變比能理論，計(jì)算出的結(jié)果更具經(jīng)濟(jì)性。

表2 壓力容器國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Pressure vessel domestic and foreign standards

我國GB 150—2011《壓力容器》相應(yīng)做出的修訂情況(常規(guī)設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)從3.0調(diào)整到2.7)，并充分調(diào)整可能給壓力容器安全帶來的影響。安全系數(shù)的降低，提高了材料許用應(yīng)力與強(qiáng)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(zhì)量。

3 結(jié)論與展望

本文從多方面介紹了國內(nèi)外近年來在移動(dòng)壓力容器輕量化方面的相關(guān)研究進(jìn)展。輕質(zhì)材料在纏繞多層復(fù)合材料方面發(fā)展是未來壓力容器替代傳統(tǒng)材料的可行性研究方向，國內(nèi)移動(dòng)型壓力容器主要為傳統(tǒng)圓頂圓柱形容器，受制于生產(chǎn)與加工制造水平，對(duì)環(huán)面壓力容器(CPV)研究較少，環(huán)狀耐壓殼主要集中在深?？臻g站。未來液化氣體運(yùn)輸設(shè)備的輕量化技術(shù)理念應(yīng)是安全與經(jīng)濟(jì)并重、安全與節(jié)能減排、開發(fā)新材料、提高加工制造與工藝水平、降低安全系數(shù)、運(yùn)用有限元分析設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化以及新型優(yōu)化算法和新型結(jié)構(gòu)等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)液化氣體運(yùn)輸設(shè)備的輕型化。