液化天然氣汽車(chē)罐車(chē)突發(fā)真空失效原因分析

于海東 肖學(xué)文

荊門(mén)宏圖特種飛行器制造有限公司 湖北荊門(mén) 448124

液化天然氣汽車(chē)罐車(chē)突發(fā)真空失效原因分析

于海東 肖學(xué)文

荊門(mén)宏圖特種飛行器制造有限公司 湖北荊門(mén) 448124

1 前言

液化天然氣汽車(chē)罐車(chē)是為運(yùn)輸液化天然氣而研制的專(zhuān)用車(chē)輛，由高真空多層絕熱罐體、管路、安全附件、儀表、裝卸附件以及定型底盤(pán)或半掛車(chē)行走機(jī)構(gòu)、支座、操作箱、自增壓器等組成[1]。高真空多層絕熱罐體主要由內(nèi)容器、外殼、高真空多層絕熱夾層和管路等部分組成。液化天然氣汽車(chē)罐車(chē)如圖1所示。高真空多層絕熱夾層必須保持真空，若在正常運(yùn)行的過(guò)程中突發(fā)真空失效，罐體外殼會(huì)結(jié)霜或結(jié)冰，內(nèi)容器充裝的液化天然氣壓力會(huì)迅速升高，安全閥頻繁開(kāi)啟排放，嚴(yán)重影響罐車(chē)的絕熱效果和安全使用性能，增加了運(yùn)營(yíng)成本。真空突發(fā)失效的主要原因?yàn)閮?nèi)容器泄漏、外殼泄漏和夾層管路泄漏。

圖1 液化天然氣汽車(chē)罐車(chē)簡(jiǎn)圖

2 內(nèi)容器泄漏引起的真空突發(fā)失效

2.1 內(nèi)容器封頭裂紋引起的內(nèi)容器泄漏

2.1.1 原因分析

內(nèi)容器封頭裂紋引起的內(nèi)容器泄漏主要是在低溫罐車(chē)年檢后或停用一段時(shí)間再次啟用時(shí)發(fā)生，此時(shí)內(nèi)容器溫度已達(dá)到常溫狀態(tài)，如果沒(méi)有對(duì)內(nèi)容器進(jìn)行充分的預(yù)冷，液化天然氣注入時(shí)會(huì)對(duì)內(nèi)容器造成急冷，引起較大的溫差應(yīng)力，導(dǎo)致內(nèi)容器封頭材料開(kāi)裂。內(nèi)容器的筒體與封頭一般均采用S30408奧氏體不銹鋼材料，奧氏體不銹鋼屬于面心立方晶格結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的低溫性能，無(wú)脆性轉(zhuǎn)變溫度，在低溫下具有良好的塑形和韌性。內(nèi)容器封頭在成型前為奧氏體組織，冷加工過(guò)程中由于塑形變形而會(huì)形成部分馬氏體組織，引起材料的強(qiáng)度及硬度增加，但延性和塑性下降。通過(guò)對(duì)封頭用鐵素體含量檢測(cè)儀測(cè)量，封頭的球面部位鐵素體含量較低，過(guò)渡半徑處較高，直邊段上最高，因此引起材料的裂紋主要都發(fā)生在封頭的直邊段上，經(jīng)測(cè)量鐵素體含量均達(dá)到30%以上。

2.1.2 預(yù)防措施

a. 封頭訂貨時(shí)，可提出鐵素體含量的要求，因目前國(guó)內(nèi)外的一些標(biāo)準(zhǔn)中，未對(duì)奧氏體不銹鋼中形變馬氏體的含量作出具體規(guī)定，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況及封頭制造廠的工藝制造水平推薦鐵素體的含量一般不宜高于15%，對(duì)于重要的使用場(chǎng)合，可提出在封頭壓制成型后進(jìn)行固溶處理的要求，但此要求會(huì)增加采購(gòu)成本并延長(zhǎng)交貨期[2]；

b. 設(shè)計(jì)時(shí)，上進(jìn)液噴淋管盡量延伸到內(nèi)容器前端，噴淋孔截面積總和應(yīng)不小于噴淋管截面積，管路端部設(shè)置非密閉性的封板，應(yīng)保證充液時(shí)整個(gè)內(nèi)容器都能均勻地預(yù)冷，減小溫差應(yīng)力；

c. 在產(chǎn)品使用說(shuō)明書(shū)中或給用戶(hù)培訓(xùn)時(shí)，必須強(qiáng)調(diào)低溫罐車(chē)在首次使用或停用一段時(shí)間再次啟用時(shí)，內(nèi)容器充分預(yù)冷的重要性，并可在罐車(chē)的操作箱內(nèi)粘貼提示。

2.2 防波板處筒體裂紋引起的內(nèi)容器泄漏

2.2.1 原因分析

汽車(chē)罐車(chē)屬移動(dòng)式壓力容器，在運(yùn)行中由于受轉(zhuǎn)彎、緊急制動(dòng)以及不良路面等路況的影響，在慣性力的作用下罐內(nèi)液體也隨著涌動(dòng)。特別是在罐車(chē)緊急制動(dòng)的情況下，罐內(nèi)液體產(chǎn)生較大的縱向液體沖擊力，使防波板及連接焊縫受到交變沖擊載荷影響，固定防波板的托板（角鋼或扁鋼）與罐體焊縫處易發(fā)生開(kāi)裂。內(nèi)容器防波板如圖2所示。2.2.2 預(yù)防措施

圖2 內(nèi)容器防波板

a. 在托板與罐體之間增加與罐體材質(zhì)相同的墊板，防止托板焊縫產(chǎn)生的裂紋延伸至罐體母材；

b. 托板與罐體采用雙面連續(xù)焊接，增加焊縫面積，減小焊縫受力；

c. 在托板與罐體焊接處增加加強(qiáng)筋板，緩解焊縫處的應(yīng)力，避免焊縫開(kāi)裂。

3 外殼泄漏引起的真空喪失

3.1 外置加強(qiáng)圈引起的外殼泄漏

3.1.1 原因分析

低溫罐車(chē)的內(nèi)容器及外殼之間是高真空多層絕熱夾層，外殼承受著外壓，設(shè)置有抗外壓加強(qiáng)圈。根據(jù)加強(qiáng)圈在外殼上設(shè)置的位置，加強(qiáng)圈有內(nèi)置和外置兩種形式。外置加強(qiáng)圈一般采用半圓管或槽形件，可與外殼之間形成封閉的空間。加強(qiáng)圈與外殼之間采用連續(xù)焊接，但如果焊接時(shí)未能有效保證加強(qiáng)圈與外殼之間的密封性，在雨天時(shí)，雨水會(huì)滲入到加強(qiáng)圈內(nèi)部并在加強(qiáng)圈的底部聚集。當(dāng)?shù)蜏毓捃?chē)冬天進(jìn)入北方地區(qū)或其他氣溫低于0℃的地區(qū)時(shí)，聚集的水結(jié)成冰，體積發(fā)生膨脹，膨脹后在加強(qiáng)圈與外殼的焊接處易拉出裂紋，導(dǎo)致外殼泄漏。外殼外置加強(qiáng)圈如圖3所示。

3.1.2 預(yù)防措施

圖3 外殼外置加強(qiáng)圈

在外殼外置加強(qiáng)圈的最底部鉆排水孔，并注意在低溫罐車(chē)表面噴涂時(shí)，以及運(yùn)營(yíng)中必須要始終保持此孔的暢通。

3.2 V型支座前端墊板處裂紋引起的外殼泄漏

3.2.1 原因分析

V型支座用于低溫罐體和定型底盤(pán)或半掛車(chē)行走機(jī)構(gòu)的連接，由于低溫罐車(chē)是移動(dòng)式壓力容器，支座在受到罐體重力的同時(shí)，還受到罐體沖擊力的作用。此時(shí)會(huì)在V座前端處發(fā)生結(jié)構(gòu)突變，受力不連續(xù)，出現(xiàn)應(yīng)力集中。罐車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，罐體慣性力較大，產(chǎn)生附加應(yīng)力，造成在支座端部與罐體連接部位應(yīng)力水平較高，產(chǎn)生微裂紋，隨著時(shí)間的推移，微裂紋逐步擴(kuò)展導(dǎo)致外殼泄漏。外殼V座如圖4所示。

圖4 外殼V座

3.2.2 預(yù)防措施

a. 通過(guò)應(yīng)力分析計(jì)算此處的受力情況，應(yīng)力值控制在材料的許用應(yīng)力范圍內(nèi)；

b. 結(jié)構(gòu)上可通過(guò)增加前端V座墊板的長(zhǎng)度、在V座端部增加封板或V座前端形狀采用逐步過(guò)渡的方式減緩局部應(yīng)力[3]。

3.3 真空隔離閥松動(dòng)引起的外殼泄漏

3.3.1 原因分析

低溫罐車(chē)上設(shè)置的真空隔離閥和真空規(guī)管主要用于檢測(cè)罐車(chē)的真空度，但真空規(guī)管的規(guī)腳容易發(fā)生氧化，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)罐車(chē)的真空度，這時(shí)需要對(duì)真空規(guī)管進(jìn)行更換，真空規(guī)管與真空隔離閥采用螺紋連接，真空隔離閥與外殼之間也采用螺紋連接，如在拆卸真空規(guī)管的過(guò)程中不固定真空隔離閥，真空隔離閥會(huì)隨著真空規(guī)管一起轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致其與外殼連接處發(fā)生泄漏，真空隔離閥如圖5所示。

圖5 真空隔離閥

3.3.2 預(yù)防措施

a. 做好真空規(guī)管的防護(hù)措施，增加防護(hù)罩，隔離雨水和空氣，避免規(guī)腳發(fā)生氧化；

b. 在真空規(guī)管損壞需拆卸更換時(shí)，必須采用兩個(gè)扳手，以保證拆卸真空規(guī)管時(shí)真空隔離閥不發(fā)生松動(dòng)。

3.4 防爆口處泄漏

3.4.1 原因分析

低溫罐車(chē)外殼設(shè)置防爆裝置，主要作用為當(dāng)內(nèi)容器或夾層管路發(fā)生泄漏造成真空夾層壓力升高時(shí)，防爆裝置自動(dòng)泄壓，保證夾層的壓力控制在0.1 MPa以?xún)?nèi)，保護(hù)外殼。防爆裝置一般由防爆口、O形圈及防爆口蓋組成，當(dāng)外殼抽真空后，在大氣壓的作用下進(jìn)行密封。若防爆口剛性較弱，在與外殼焊接時(shí)，端部會(huì)發(fā)生變形，引起O形圈與防爆口端部密封處的泄漏。當(dāng)罐車(chē)在周轉(zhuǎn)或運(yùn)輸過(guò)程中防爆裝置遭到意外碰撞時(shí)，也會(huì)引起O形圈與防爆口端部密封處發(fā)生泄漏，防爆裝置如圖6所示。

3.4.2 預(yù)防措施

a. 增加防爆口的剛性，并控制焊接過(guò)程中的電流，預(yù)防焊接引起的變形；

b. 在罐車(chē)周轉(zhuǎn)及運(yùn)輸過(guò)程中，注意防爆口的防護(hù)，避免發(fā)生意外碰撞。

圖6 防爆裝置

3.5 操作箱附近外殼泄漏

3.5.1 原因分析

低溫罐車(chē)的裝卸管路通常布置在罐車(chē)尾部的操作箱內(nèi)，罐體安全閥也設(shè)置在操作箱內(nèi)管路上，為了避免安全閥排放時(shí)危險(xiǎn)氣體在箱體內(nèi)的聚集，安全排放口通過(guò)引出管引到箱體外部的頂端。當(dāng)罐體壓力升高超過(guò)安全閥的設(shè)定開(kāi)啟壓力時(shí)，安全閥開(kāi)啟排放，如排放口朝向外殼，因外殼采用的是低合金鋼材料，此時(shí)排放的低溫氣體將對(duì)外殼造成冷脆，產(chǎn)生裂紋，引起外殼泄漏。

3.5.2 預(yù)防措施

設(shè)計(jì)及制造安裝時(shí)注意安全閥排放口不應(yīng)對(duì)著外殼排放。

3.6 外殼八點(diǎn)支撐處泄漏

3.6.1 原因分析

低溫罐車(chē)的內(nèi)容器與外殼之間通常采用八點(diǎn)進(jìn)行支撐，此八點(diǎn)支撐處是非常關(guān)鍵的部位，特別是罐車(chē)下部的四點(diǎn)支撐，承受著內(nèi)容器、介質(zhì)的質(zhì)量及動(dòng)載荷的影響，局部受力較大，易在支撐封板與外殼連接焊縫處產(chǎn)生裂紋，引起外殼泄漏。

3.6.2 預(yù)防措施

a. 在八點(diǎn)支撐處增加卡板減緩局部應(yīng)力；

b. 可通過(guò)將下部的四點(diǎn)支撐布置在罐車(chē)的銷(xiāo)座和V座處減緩局部應(yīng)力。

4 夾層管路泄漏引起的真空喪失

4.1 細(xì)管與內(nèi)容器的管接頭焊接處裂紋引起的泄漏

4.1.1 原因分析

低溫罐車(chē)的上、下液位計(jì)接管及壓力表接管一般選用直徑為Φ10的管子，此管較細(xì)，某些廠家的普通退火管質(zhì)量不穩(wěn)定[4]，且在與內(nèi)容器的管接頭焊接處受力較復(fù)雜，在低溫狀態(tài)下以及運(yùn)輸過(guò)程中易產(chǎn)生振動(dòng)導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，并擴(kuò)展而引起泄漏。管路細(xì)管如圖7所示。

4.1.2 預(yù)防措施

a. 選擇質(zhì)量可靠的生產(chǎn)廠家，并優(yōu)選性能更佳的退火光亮管；

b. 增加細(xì)管的固定，避免細(xì)管在生產(chǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中及車(chē)輛運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大的振動(dòng)；

c. 考慮細(xì)管有足夠的柔性，避免細(xì)管的冷縮引起較大應(yīng)力。

圖7 管路細(xì)管

4.2 細(xì)管裂紋引起的泄漏

細(xì)管裂紋引起的泄漏原因分析及預(yù)防措施類(lèi)同2.3.1，此處不再贅述。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)液化天然氣汽車(chē)罐車(chē)常見(jiàn)的突發(fā)真空失效原因進(jìn)行分析，提出了在設(shè)計(jì)、制造及使用罐車(chē)過(guò)程中的注意事項(xiàng)及預(yù)防措施，以避免在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中突然出現(xiàn)真空喪失引發(fā)安全事故。

[1] JB/T 4783-2007.低溫液體汽車(chē)罐車(chē)[S].

[2] GB/T 25198-2010.壓力容器封頭[S].

[3] 徐達(dá),蔣崇賢.專(zhuān)用汽車(chē)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1998.

[4] GB/T 14976-2012.流體輸送用不銹鋼無(wú)縫鋼管[S].

Analysis on Emergent Vacuum Failure of Liquefied Natural Gas Tanker Truck

YU Hai-dong et al

為避免液化天然氣汽車(chē)罐車(chē)在行駛過(guò)程中突發(fā)真空失效，分析了引發(fā)失效的主要原因分別為內(nèi)容器泄漏、外殼泄漏和夾層管路泄漏，針對(duì)引發(fā)失效原因的分析，提出了相應(yīng)的預(yù)防措施，供設(shè)計(jì)、制造和使用單位借鑒。

液化天然氣 汽車(chē)罐車(chē) 突發(fā)真空失效 原因分析 預(yù)防措施

In order to avoid emergent vacuum failure on liquefied natural gas tanker truck on the road, cause analysis was performed and the main causes were internal container leakage, shell leakage and inter layer leakage. Regarding to the analysis, precautionary measures on emergent vacuum failure in the operation process was provided for the designer, manufacturer and user's reference.

liquefied natural gas; tanker truck; emergent vacuum failure; cause analysis; precautionary measures

U46.96+.1.07

A文章編號(hào)：1004-0226(2017)09-0092-04

于海東，男，1974年生，工程師，現(xiàn)從事低溫儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的研發(fā)工作。

2017-07-30