液化天然氣罐式集裝箱技術(shù)優(yōu)化

王偉 朱英波 賀軍 莊曉東

在國家政策和市場需求的雙重推動下，我國液化天然氣（liquefied natural gas，LNG）消費量逐年增加。罐式集裝箱（以下簡稱“罐箱”）因具有宜運宜儲的特點而成為市場青睞的LNG運載工具。一方面，LNG罐箱是一種移動式運輸裝備，而運輸裝備的市場競爭力在很大程度上由其運輸經(jīng)濟性決定;另一方面，LNG罐箱是一種真空絕熱壓力容器，其危險性遠大于一般設(shè)備，必須保證產(chǎn)品具有高可靠性;另外，LNG罐箱作為一種多式聯(lián)運裝備還應具有良好的互換性和通用性。本文分析與LNG罐箱經(jīng)濟性、安全性、通用性等相關(guān)的技術(shù)問題，并提出相應優(yōu)化措施，以期進一步提升產(chǎn)品綜合性能。

1 LNG罐箱輕量化技術(shù)優(yōu)化

罐箱自重是體現(xiàn)產(chǎn)品運輸經(jīng)濟性的一項核心指標。在保證安全的前提下，罐箱自重越輕，其市場競爭力越強。在設(shè)計壓力、容積和尺寸一定的前提下，減輕罐箱自重的關(guān)鍵之一是減小內(nèi)容器壁厚，其技術(shù)措施包括采用分析設(shè)計法、應用應變強化技術(shù)以及使用新材料等。通常情況下，與基于彈性失效準則的規(guī)則設(shè)計相比，采用基于彈塑性失效準則的分析設(shè)計可以明顯減小殼體壁厚。應變強化技術(shù)可利用奧氏體不銹鋼的特有性能，通過將材料拉伸變形到一定程度來提高材料的屈服強度，從而獲得較高的許用應力值，進而實現(xiàn)容器壁厚減薄。新材料技術(shù)主要使用抗拉強度、屈服強度等機械性能更加優(yōu)良的材料，此類材料通常指尚未被納入規(guī)范的新牌號材料或國外牌號材料等。

1.1 內(nèi)容器輕量化技術(shù)措施比較

罐箱內(nèi)容器常用S30408制成，而TAS30458是近來才開始使用的新材料。由表1可見：采用應變強化技術(shù)減輕罐箱內(nèi)容器自重的效果最為顯著，其次是采用新材料;就S30408材料而言，由于采用規(guī)則設(shè)計的許用應力和采用分析設(shè)計的設(shè)計應力強度均取決于材料的屈服強度，且安全系數(shù)均為1.5，所以兩者數(shù)值相等;另外，規(guī)則設(shè)計與分析設(shè)計的殼體壁厚計算公式相近，故采用分析設(shè)計減輕罐箱內(nèi)容器自重的效果不明顯。

1.2 應變強化技術(shù)措施

采用應變強化技術(shù)減輕罐箱內(nèi)容器自重的效果最理想，但應變強化技術(shù)對罐箱的適用性值得探討。罐箱最常見的罐體結(jié)構(gòu)如圖1所示：在內(nèi)容器與外殼筒體前后兩個支撐截面上各設(shè)置一組（至少4根）徑向非金屬支撐元件，簡稱“八點徑向支撐”，其中：靠近夾層管路端的一組支撐為固定支撐，用于限制內(nèi)容器沿軸向滑動或沿周向轉(zhuǎn)動;另一組支撐為滑動支撐。應變強化技術(shù)雖然能提高材料的承載能力，但容器壁厚相比規(guī)則設(shè)計減薄近2/5，這對于遠離結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)且以承受薄膜應力為主的部位是沒有問題的;然而，結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)（特別是內(nèi)外罐體連接支撐部位）除了承受薄膜應力外還要承受附加彎矩和剪力作用，高應力作用可能引起容器的塑性垮塌。[1]鑒于此，為了防止內(nèi)外罐體支撐處彈塑性失穩(wěn)，需要在相應位置增加內(nèi)置加強圈，以充分強化容器遠離結(jié)構(gòu)不連續(xù)處材料;但該措施會使得支撐處剛度偏大，從而造成局部材料強化不足，存在容器因整體強化程度不一致而失效的潛在風險。

為了解決容器強化程度不一致的問題，依據(jù)相關(guān)標準設(shè)計兩端軸向支撐內(nèi)外罐體連接結(jié)構(gòu)（見圖2），使內(nèi)容器結(jié)構(gòu)盡量簡單，以盡可能減少結(jié)構(gòu)突變。在兩端軸向支撐結(jié)構(gòu)中，與夾層管路連接的一端為固定支撐，另一端為滑動支撐;部分容器在筒體中部設(shè)置防周向扭轉(zhuǎn)的固定支撐。兩端軸向支撐結(jié)構(gòu)比較適用于裝載氫氣、氦氣等介質(zhì)質(zhì)量較輕的小型公路罐箱;但對于鐵路運輸LNG罐箱而言，由于該支撐結(jié)構(gòu)不具備雙向承載較大縱向沖擊力的能力，目前少有應用。

此外，應變強化技術(shù)的應用還需要注意容器制造工藝的適應性。應變強化工藝比較復雜，對材料性能的一致性要求較高，對容器制造、返修等有諸多限制，并且強化參數(shù)控制不當往往會造成容器報廢。T/CATSI 05001―2018《移動式真空絕熱深冷壓力容器內(nèi)容器應變強化技術(shù)要求》對應變強化工藝提出詳細要求，可照此執(zhí)行應變強化工藝流程。值得注意的是，應變強化技術(shù)應用于移動式壓力容器的風險仍待研究。為此，特種設(shè)備監(jiān)管部門要求在使用應變強化容器的過程中，必須將強化過程數(shù)據(jù)上傳至相關(guān)平臺，以便于管控和研究。

1.3 新材料技術(shù)措施

（1）政策可行性 依據(jù)TSG R0005―2011《移動式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，新材料由國家市場監(jiān)督管理總局特種設(shè)備安全監(jiān)察局（以下簡稱“特種設(shè)備局”）委托有關(guān)技術(shù)組織或機構(gòu)技術(shù)評審通過并報其批準后即可用于制造容器。TAS30458材料已通過相關(guān)技術(shù)評審，特種設(shè)備局亦有批復。近期，《TSG R0005―2011〈移動式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程〉第3號修改單（征求意見稿）》擬進一步放寬新材料使用要求，規(guī)定新材料經(jīng)技術(shù)評審后無須特種設(shè)備局批準即可投入使用，這充分說明監(jiān)管部門對新材料使用持開放和鼓勵態(tài)度。

（2）技術(shù)可行性 TAS30458與S30408相比在焊接材料、焊接工藝等方面沒有太大差別，只是前者增加 196℃沖擊功值和側(cè)向膨脹量測定。

1.4 小結(jié)

在工藝可控、良品率較高、用戶認可的情況下，非鐵路運輸LNG罐箱首選應變強化技術(shù)措施來達到減輕容器自重的目的。對于多式聯(lián)運LNG罐箱，建議采用新材料，這樣既能保證產(chǎn)品具有較好的經(jīng)濟性和安全性，又能適度降低罐箱設(shè)計和制造難度。

2 LNG罐箱容積增大技術(shù)優(yōu)化

2.1 容積增大技術(shù)措施

罐箱容積是體現(xiàn)產(chǎn)品運輸經(jīng)濟性的另一項核心指標。目前，罐箱主流型號為1AA標準箱（見圖3（a））。為了進一步增大罐箱內(nèi)容器容積，可采用以下方案。

（1）將外殼加強圈的布置方式由內(nèi)置調(diào)整為外置，并將罐體兩側(cè)削薄，使其不超出框架尺寸限值（見圖3（b））。

（2）罐箱采用寬體結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同外形尺寸和結(jié)構(gòu)分為2AA標準箱（見圖3（c））和1AA異形箱（見圖3（d））。2AA標準箱與1AA標準箱相比，長度和高度不變，寬度由2 438 mm增至2 550 mm，框架采用寬體角件，框架吊孔位置與標準箱一致。1AA異形箱與1AA標準箱相比，端框立柱中部外突，寬度由2 438 mm增至2 550 mm，框架采用標準角件，框架吊孔位置與標準箱一致。

（3）采用1EE標準箱（見圖3（e）），即45英尺箱。1EE標準箱與1AA標準箱相比，寬度和高度不變，長度由12 192 mm增至13 716 mm，并沿長度方向在40英尺位置設(shè)置4個中間頂角件和4個中間底角件。

2.2 容積增大技術(shù)措施比較

在上述三種罐箱容積增大技術(shù)方案中：第一種方案曾廣泛應用于汽車罐車領(lǐng)域，該方案屬于具體結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，但其存在容器夾層容積偏小、不利于維持真空性能等缺點，并且在加強圈采用段焊形式的情況下，加強圈內(nèi)容易積水，積水結(jié)冰后膨脹可能引起外殼失穩(wěn)，導致容器的真空絕熱性能下降;后兩種技術(shù)方案擴大罐箱尺寸規(guī)格，在應用過程中須考慮各種限制因素（見表2）。值得一提的是，上述技術(shù)方案互不矛盾，不同方案可相互組合，理論上可以衍生出10余種容積增大技術(shù)方案。

2.3 容積增大技術(shù)方案選用

行業(yè)普遍采用外殼加強圈外置的方式來增大汽車罐車容積;但隨著罐車容積上限不斷突破，風險隱患也相應增加。為此，移動式壓力容器監(jiān)管部門在《TSG R0005―2011〈移動式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程〉第1號修改單》中對罐車容積上限值進行限制。隨之，汽車罐車基本摒棄了外殼加強圈外置的容積增大技術(shù)方案。盡管TSG R0005―2011《移動式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》未針對罐箱產(chǎn)品設(shè)定容積上限要求，但監(jiān)管部門已關(guān)注同類問題;因此，采用外殼加強圈外置技術(shù)方案不僅要充分預判相關(guān)標準未來可能對此進行限制所帶來的風險，而且要注意研究該結(jié)構(gòu)可能存在的隱患并采取相應規(guī)避措施。

1AA異形箱的框架結(jié)構(gòu)強度和剛度無法滿足公鐵水聯(lián)運要求，并且在規(guī)范標準、堆碼放置、運載工具等方面存在諸多限制;因此，該技術(shù)方案不適合作為主流技術(shù)方案。

2AA標準箱存在的問題可通過管理措施或技術(shù)措施解決，并且國內(nèi)政策在一定程度上也支持發(fā)展寬體箱，國際標準化組織后續(xù)也將制定系列2罐箱產(chǎn)品標準;因此，該技術(shù)方案可用于滿足國內(nèi)特定市場需求。

1EE標準箱有現(xiàn)行標準可依，其存在的問題從技術(shù)層面較易解決，并且國內(nèi)政策亦支持發(fā)展45英尺箱，加之國外大量使用45英尺箱，相關(guān)配套比較成熟;因此，從儲備國內(nèi)市場、開拓國際市場的角度考慮，應首選該技術(shù)方案。

3 LNG罐箱典型故障分析及解決措施

3.1 外部管路結(jié)霜及其解決措施

液相管路與外殼連接處非正常結(jié)霜是LNG罐箱使用過程中的常見故障。[2]管路結(jié)霜會導致以下問題：一方面，外殼局部區(qū)域溫度過低，存在脆斷風險;另一方面，外界環(huán)境輸入內(nèi)容器的熱量顯著增加，使得罐箱無損存儲時間縮短。導致管路結(jié)霜的原因包括根部閥門關(guān)閉不嚴、夾層管路設(shè)置過短、管路氣封液結(jié)構(gòu)設(shè)置不合理等，其中，管路氣封液結(jié)構(gòu)設(shè)置不合理是最為突出的原因，也是后期幾乎無法處理的源頭故障之一;因此，合理設(shè)置管路氣封液結(jié)構(gòu)非常重要。管路氣封液結(jié)構(gòu)設(shè)置如圖4所示：圖4（a）顯示氣封液結(jié)構(gòu)設(shè)置在內(nèi)容器內(nèi)時管路內(nèi)液體發(fā)生變化的過程;圖4（b）顯示氣封液結(jié)構(gòu)設(shè)置在夾層內(nèi)時管路內(nèi)液體發(fā)生變化的過程。

當介質(zhì)在管路內(nèi)處于圖4（a）中第一張圖片所示的位置時，管路吸收外界環(huán)境熱量使部分介質(zhì)汽化;汽化后的氣體往管路A區(qū)域上部聚集，使A區(qū)域的氣體壓力增大，并逐漸推動介質(zhì)到達圖4（a）中第二張圖片所示的位置（虛線處）;此時，A區(qū)域的一部分氣體上浮到達B區(qū)域，由于內(nèi)容器介質(zhì)溫度極低，故B區(qū)域聚集的氣體快速液化，而A區(qū)域壓力會因一部分氣體損失而有所降低;管路內(nèi)壓力平衡破壞后，介質(zhì)在罐內(nèi)壓力的推動下到達圖4（a）中第三張圖片所示的位置。這一動態(tài)循環(huán)過程使低溫液體始終接近外殼，從而造成液相管路與外殼連接處經(jīng)常性結(jié)霜現(xiàn)象。

將氣封液結(jié)構(gòu)設(shè)置在夾層內(nèi)可有效解決管路結(jié)霜故障：初始，介質(zhì)在管路內(nèi)處于圖4（b）中第一張圖片所示的位置，管路吸收外界環(huán)境熱量，使部分介質(zhì)汽化;汽化后的氣體不斷往管路C區(qū)域上部聚集，使C區(qū)域的空間和壓力越來越大，從而推動D區(qū)域液體進入內(nèi)容器，而E區(qū)域由于沒有新的液體進入，最終全部汽化，管路內(nèi)氣體壓力進一步增大;最終，管路內(nèi)液體在圖4（b）中第三張圖片所示的虛線平面處形成穩(wěn)定的氣液分界面，使低溫液體遠離外殼，從而避免液相管路與外殼連接處結(jié)霜。

3.2 液位測量異常及其解決措施

LNG罐箱通常采用機械差壓式液位計，液位計指針異常擺動是使用過程中的常見故障之一，嚴重影響對介質(zhì)充裝液位和質(zhì)量的判斷。該故障的直接原因是管路內(nèi)壓力波動，而壓力波動的原因在于管路內(nèi)未形成穩(wěn)定的氣液分界面。

在液位計質(zhì)量相同的前提下：若液位計內(nèi)部液相管按圖5（a）設(shè)置，罐箱充裝介質(zhì)后液位計指針經(jīng)常性異常擺動;若液位計內(nèi)部液相管按圖5（b）設(shè)置，罐箱充裝介質(zhì)后液位計指針指示平穩(wěn)。兩種結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于：圖5（a）管路的氣封液結(jié)構(gòu)設(shè)置在內(nèi)容器內(nèi)部，夾層管路長度相對較短;圖5（b）管路的氣封液結(jié)構(gòu)設(shè)置在夾層內(nèi)，夾層內(nèi)管路設(shè)置螺旋盤管結(jié)構(gòu)，長度相對較長。管路氣封液結(jié)構(gòu)設(shè)置在夾層內(nèi)能使管路內(nèi)介質(zhì)形成穩(wěn)定的氣液分界面，這點在前文已有詳細分析說明。夾層管路設(shè)置螺旋盤管結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于：一方面，有利于增加管路長度，使液位計液相管能從外界環(huán)境吸收更多熱量，保證管路內(nèi)液體充分汽化，從而使氣封液效果更佳且管路內(nèi)氣液分界面更加穩(wěn)定;另一方面，盤管結(jié)構(gòu)對管路內(nèi)氣體壓力波動起到緩沖作用，從而抑制液位計指針的異常擺動。

另外，可將液位計內(nèi)部液相管水平設(shè)置，并盡可能縮短其與罐體底部中心線的垂直距離，同時將夾層管路的盤管結(jié)構(gòu)盡量設(shè)置在靠近管路接緣處，使得管路內(nèi)氣液分界面（圖5（b）中的虛線C平面）與罐體底部距離最短，從而將液位測量盲區(qū)控制在最小范圍。

4 LNG罐箱通用性技術(shù)解決措施

4.1 滿足公鐵水聯(lián)運工況要求

LNG罐箱滿足公鐵水聯(lián)運工況要求需要考慮諸多因素，本文重點以罐箱容器最為關(guān)鍵的內(nèi)外罐體連接支撐結(jié)構(gòu)為例進行說明。內(nèi)外罐體連接支撐結(jié)構(gòu)不僅是內(nèi)外罐體間的傳力通道，而且是外界環(huán)境熱量進入內(nèi)容器的主要途徑。從傳遞力載荷的角度來看，支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計越強大越好;而從盡量減少熱量輸入的角度來看，支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計越“弱”越好。這一矛盾在LNG罐箱設(shè)計中尤為突出。罐箱的優(yōu)點和生命力在于能參與公鐵水聯(lián)運，但是不同運輸方式對罐箱要求的側(cè)重點各不相同：按鐵路運輸工況核算的縱向慣性力接近4.5g，而按公路和水路（海洋）運輸工況核算的縱向慣性力僅為2.0g;海洋運輸要求罐箱無損維持時間至少在90 d以上，而鐵路運輸要求罐箱無損維持時間不超過60 d，即海運罐箱對漏熱量的控制明顯嚴于鐵路罐箱?？梢?，鐵路罐箱首要考慮支撐結(jié)構(gòu)的強度，而海運罐箱則首要考慮支撐結(jié)構(gòu)的漏熱量控制;因此，為了實現(xiàn)罐箱公鐵水聯(lián)運的通用性要求，內(nèi)外罐體連接支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計必須平衡傳力和傳熱功能。根據(jù)罐箱各支撐結(jié)構(gòu)承受慣性力功能的不同，可對聯(lián)運罐箱內(nèi)外罐體連接支撐結(jié)構(gòu)進行差異化設(shè)計，適當增大固定端支撐裝置橫截面積，適當減小滑動端支撐裝置橫截面積，同時盡量加長支撐裝置軸向長度。

4.2 滿足與加注裝置匹配和承載工具互換要求

LNG罐箱裝卸接口需要與LNG工廠、港口接收站、存儲庫等各類地面設(shè)施匹配。由于各種原因，各類地面設(shè)施裝卸臂接口離地高度可調(diào)范圍存在較大差別，部分港口設(shè)施的最大可調(diào)高度小于1.60 m。罐箱運輸用帶鵝頸骨架車角件承載面離地高度約為1.17 m，不帶鵝頸骨架車高度約為1.30 m，故罐箱設(shè)置鵝頸槽并配套使用帶鵝頸骨架車更容易與地面設(shè)施匹配。另外，國外集裝箱運輸大多采用帶鵝頸結(jié)構(gòu)車輛，故罐箱設(shè)置鵝頸槽結(jié)構(gòu)有利于參與國際聯(lián)運。可見，從提高罐箱與加注裝置的匹配度和與運輸工具的互換性方面考慮，建議LNG罐箱設(shè)置鵝頸槽結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)束語

為了進一步提升LNG罐箱的綜合性能，可采用一定技術(shù)手段和措施來提升其使用經(jīng)濟性、安全性和通用性。

（1）LNG罐箱的經(jīng)濟性主要體現(xiàn)為輕量化和大容積。通過采用新材料、新技術(shù)可實現(xiàn)罐箱內(nèi)容器輕量化，通過改進具體結(jié)構(gòu)、采用新規(guī)格型號罐箱可增大罐箱容積，這需要針對不同的目標要求并結(jié)合現(xiàn)實條件采用合適的技術(shù)措施。

（2）優(yōu)化液相管路等具體部件設(shè)計，保證個體系統(tǒng)實現(xiàn)預期功能，從而以點帶面提升LNG罐箱整體的安全性和可靠性。

（3）通過內(nèi)外罐體連接支撐、鵝頸槽等具體結(jié)構(gòu)設(shè)計，確保LNG罐箱滿足公鐵水聯(lián)運工況要求，實現(xiàn)其與地面設(shè)施和運載工具無縫匹配，從而全面提升LNG罐箱的通用性和互換性。

參考文獻：

[1] 徐鹍鵬. 奧氏體不銹鋼應變強化型移動式深冷容器的強度分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D]. 上海：華東理工大學，2017.

[2] 洪玉. LNG低溫運輸車進液管路的結(jié)霜問題[J]. 中國特種設(shè)備安全，2010，26（2）：56-58.

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2020-06-13）