國內(nèi)外移動容器防波板設(shè)置要求對比分析

(1.上海市氣體工業(yè)協(xié)會,上海 200030；2.機(jī)械工業(yè)上海藍(lán)亞石化設(shè)備檢測所有限公司,上海 200000)

0 引言

移動式壓力容器的儲運(yùn)介質(zhì)在運(yùn)輸過程中會發(fā)生晃動，由于裝載介質(zhì)的質(zhì)量較大且存在慣性，遇到緊急剎車或急轉(zhuǎn)彎時(shí)，車輛重心發(fā)生偏移，容易導(dǎo)致車輛發(fā)生側(cè)翻、追尾等事故，罐體也容易因外殼支撐部位和內(nèi)容器與防波板連接部位承受局部應(yīng)力過大而發(fā)生破壞。此外，液體在晃動過程中會產(chǎn)生靜電和熱量，使得容器內(nèi)部的壓力上升，嚴(yán)重時(shí)會發(fā)生爆炸，危及移動容器的安全[1]。

防波板也稱防沖板、防浪板，是罐體內(nèi)部能夠部分隔斷橫截面但不封閉液體的，用于偏轉(zhuǎn)、阻隔或調(diào)整液體流向的結(jié)構(gòu)[2]。相關(guān)研究結(jié)果顯示，移動罐車裝設(shè)防波板后，在車輛制動時(shí)，罐體內(nèi)部的液體壓強(qiáng)分布更加均勻，能有效降低罐體內(nèi)介質(zhì)的晃動程度及其對罐體的峰值沖擊力[3]，減少側(cè)翻、追尾等事故的發(fā)生。根據(jù)對相關(guān)網(wǎng)站、文獻(xiàn)、媒體公開報(bào)道的檢索匯總結(jié)果，在2000～2016年間發(fā)生的200余起移動式壓力容器相關(guān)的事故中，明確事故原因?yàn)檐囕v發(fā)生側(cè)翻、追尾的占比最大，達(dá)到50%以上。由此可見，防波板的設(shè)置對移動式壓力容器，特別是汽車罐車的安全運(yùn)輸有重要的影響。如何合理設(shè)置防波板也是移動式壓力容器行業(yè)比較關(guān)注的問題。

國內(nèi)外移動式壓力容器(除鐵路罐車外)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，防波板均作為一個(gè)重要的部件，在容器設(shè)計(jì)時(shí)對防波板的設(shè)置給出了相關(guān)要求。本文將對國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)防波板設(shè)置的要求進(jìn)行匯總和對比，明確防波板的設(shè)置原則和技術(shù)要求。由于鐵路罐車運(yùn)輸過程中不存在急停、急轉(zhuǎn)的工況，可追溯的建國以后的鐵路罐車產(chǎn)品基本都沒有設(shè)置防波板，相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中也未提出設(shè)置防波板的要求，本文中將不作比對分析。

1 國內(nèi)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中對防波板設(shè)置要求

根據(jù)液體、液化氣體和冷凍液化氣體等主要介質(zhì)類別選取了幾個(gè)典型移動容器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，將防波板設(shè)置要求進(jìn)行匯總，見表1。

表1 國內(nèi)主要規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中防波板設(shè)置要求匯總

2 國外規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對防波板設(shè)置要求

國外有關(guān)移動式壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范也比較多，針對我國移動容器行業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)常用的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，將國外標(biāo)準(zhǔn)對防波板設(shè)置相關(guān)要求進(jìn)行匯總，見表2。

表2 國外主要規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中防波板設(shè)置要求匯總

3 國內(nèi)外規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中防波板設(shè)置要求對比分析

3.1 對比內(nèi)容匯總

國內(nèi)外防波板設(shè)置的要求存在一些差別，主要從防波板設(shè)置的前提條件、防波板數(shù)量、防波板面積和防波板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求等方面分別進(jìn)行匯總，見表3。

表3 國內(nèi)外主要規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中防波板設(shè)置要求對比

3.2 對比內(nèi)容分析

根據(jù)表3中幾個(gè)方面內(nèi)容的匯總，結(jié)合國內(nèi)移動式壓力容器行業(yè)的現(xiàn)狀，對以下幾方面情況進(jìn)行了對比分析工作。

3.2.1 防波板設(shè)置的原則

國內(nèi)移動式壓力容器規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中，對用于運(yùn)輸危險(xiǎn)液體、液化氣體、冷凍液化氣體等介質(zhì)的汽車罐車和罐式集裝箱產(chǎn)品，在是否需要設(shè)置防波板的規(guī)定存在區(qū)別。

(1)汽車罐車。國內(nèi)用于公路運(yùn)輸?shù)钠嚬捃囶惍a(chǎn)品，基本統(tǒng)一要求裝設(shè)防波板。這一要求也與國內(nèi)道路運(yùn)輸車輛事故中發(fā)生側(cè)翻、追尾的占比最大的情況相匹配。同時(shí)，道路運(yùn)輸受路況和司機(jī)駕駛習(xí)慣的影響較大，對汽車罐車提高要求，可以部分彌補(bǔ)路況和駕駛?cè)藛T素質(zhì)差別造成的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)罐式集裝箱。國內(nèi)罐式集裝箱產(chǎn)品防波板的設(shè)置原則，基本參照了國外相關(guān)規(guī)范的要求，將充滿率控制(對于危險(xiǎn)液體還提出了黏度要求)作為前提條件。但是，用于鐵路運(yùn)輸?shù)墓奘郊b箱產(chǎn)品，則采用了鐵路罐車不設(shè)置防波板的要求。這與最早裝設(shè)了防波板的用于運(yùn)輸液化石油氣、汽油、甲醇等介質(zhì)的鐵路罐箱發(fā)生過防波板開裂，以及防波板端部及其與罐體焊接部位不容易清洗干凈等因素有很大關(guān)系。TJ KH013—2013《鐵路液化天然氣(LNG)罐式集裝箱運(yùn)輸設(shè)施設(shè)備暫行技術(shù)條件》修訂過程中，也依然延續(xù)了不設(shè)防波板的要求。這對用于公、鐵、水(海)多式聯(lián)運(yùn)的罐式集裝箱產(chǎn)品通用性產(chǎn)生較大的影響。

國外ADR、IMDG等規(guī)范中，針對的是所有危險(xiǎn)貨物，其對防波板的設(shè)置不是一概而論。針對危險(xiǎn)液體、液化氣體、冷凍液化氣體等介質(zhì)，在介質(zhì)黏度、充滿率等方面給出了一些設(shè)置原則。美國低溫液體汽車罐車標(biāo)準(zhǔn)CGA-341，則通過罐體長度(是否超過4.6 m)，對是否需要加裝防波板進(jìn)行了規(guī)定。

相比較而言，國內(nèi)移動式壓力容器對防波板的設(shè)置，基本是在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)層面結(jié)合產(chǎn)品特點(diǎn)給出了各自的要求，缺少對于設(shè)置原則的總體規(guī)定。而國外的規(guī)范中，則對移動式壓力容器防波板的設(shè)置原則給出了明確的規(guī)定，在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中再給出防波板設(shè)置的具體技術(shù)要求，相對來說更科學(xué)、更合理。

3.2.2 防波板設(shè)置數(shù)量要求

增加防波板的數(shù)量，可以使得移動容器內(nèi)介質(zhì)晃動變得更平緩，有利于移動容器的平穩(wěn)運(yùn)行[15]，但是，相應(yīng)地會增加材料成本、加大罐體自重、提高運(yùn)輸能耗。因此，如何確定合理的防波板數(shù)量也是行業(yè)比較關(guān)注的問題。

近些年修訂的國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，基本都參照了ADR和IMDG等國際規(guī)范的要求，通過限定防波板間的容積不超過7.5 m3來確定防波板的數(shù)量。國外ADR和IMDG規(guī)范中，都統(tǒng)一通過控制防波板間的容積來確定防波板的數(shù)量，且基本都規(guī)定了防波板間容積不大于7 500 L的要求。

但是，在國外不同地區(qū)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中，對防波板數(shù)量的要求還有不同的規(guī)定。國外主流的ASME Ⅻ和ISO 20421-1標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，防波板之間的容積應(yīng)不超過10 500/ρ介質(zhì)(L)。據(jù)此，防波板間的容積要求將因介質(zhì)密度不同而發(fā)生變化。介質(zhì)密度越大，防波板間的容積要求減小，相應(yīng)的防波板數(shù)量將增多。對于密度最大的液氬介質(zhì)來說，其計(jì)算后得到的防波板間容積正好為7.5 m3，如表4所示。對于ADR和IMDG等規(guī)范中，罐式集裝箱等產(chǎn)品按照指南來劃分類別或等級，實(shí)際使用過程中可能發(fā)生介質(zhì)變更的情況，采用最大密度介質(zhì)嚴(yán)格要求，可以增加產(chǎn)品的通用性。

表4 不同密度介質(zhì)的防波板間容積計(jì)算表

美國CGA 341—2007通過罐體長度來控制防波板數(shù)量：長度超過15 ft(4.6 m)的液體罐應(yīng)加裝防波板，超過30 ft(9.1 m)的液體罐應(yīng)加裝多塊防沖板。這種規(guī)定比較粗放，未考慮罐體直徑和介質(zhì)密度的影響。以直徑為2 m的汽車罐車罐體為例，計(jì)算防波板間的容積可以達(dá)到57.8 m3，顯然不夠合理。

但是，對于國內(nèi)僅限于單一介質(zhì)運(yùn)輸使用的汽車罐車、罐式集裝箱來說，限定7.5 m3存在一定的不合理性。如表4所示，對于密度較低的液化天然氣(液態(tài)甲烷)來說，按照10 500/ρ介質(zhì)(L)公式計(jì)算得到的防波板間的容積，可以放大到24.6 m3。對應(yīng)于國內(nèi)目前常見的52.6 m3規(guī)格的LNG汽車罐車來說，僅需安裝兩塊防波板即可。相比業(yè)內(nèi)目前普遍的5～6塊防波板，存在較大的調(diào)整空間。

針對表1中液氬(LAr)和液化天然氣(LNG)介質(zhì)及其防波板間容積的參數(shù)，采用ANSYS軟件建立模型，進(jìn)行分析對比，對比模型邊界條件見表5，對比結(jié)果見圖1，2。

表5 液氬(LAr)和液化天然氣(LNG)對比模型邊界條件

圖1 裝載液氬(LAr)時(shí)防波板與筒體連接部位應(yīng)力云圖

圖2 裝載液化天然氣(LNG)時(shí)防波板與筒體連接部位應(yīng)力云圖

從圖1,2中可以看出，按照ASME Ⅻ和ISO 20421-1標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)不同介質(zhì)密度計(jì)算得出不同的防波板間容積的罐體，裝運(yùn)介質(zhì)時(shí)在防波板與筒體連接部位的應(yīng)力水平基本一致，差別很小。

由此可見，國外主流標(biāo)準(zhǔn)中，根據(jù)不同介質(zhì)的密度計(jì)算得到的防波板數(shù)量，應(yīng)該是比較合理的要求。這一要求，也得到了國內(nèi)移動容器設(shè)計(jì)制造單位和行業(yè)技術(shù)機(jī)構(gòu)的認(rèn)可。但是考慮到國內(nèi)道路狀況和司機(jī)駕駛習(xí)慣的問題，以及道路運(yùn)輸車輛事故中發(fā)生側(cè)翻、追尾的占比較大的情況，在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制修訂時(shí)，也未直接采用通過不同介質(zhì)密度調(diào)整防波板間容積的規(guī)定。

3.2.3 防波板面積要求

目前，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中對防波板面積的要求，基本都統(tǒng)一要求不小于所在位置筒體橫截面積的70%。國內(nèi)NB/T 47058—2017《冷凍液化氣體汽車罐車》標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)，將原JB/T 4783—2007《低溫液體汽車罐車》中防波板面積不小于筒體橫截面40%的要求調(diào)整為了70%，同時(shí)相應(yīng)地放大了防波板間容積的限制。防波板面積不小于筒體橫截面積的70%，能夠?qū)⒎啦ò屙敳亢偷撞康目臻g控制在20%以內(nèi)，也與國外規(guī)范中充滿率低于20%或高于80%時(shí)無需安裝防波板的要求相符合。

防波板的面積與數(shù)量是一組相關(guān)的數(shù)值，在不影響裝卸的情況下，面積越大、效果越好。同時(shí)，防波板的形狀，也對防波板的效果影響較大，整體的防波板設(shè)計(jì)比分散設(shè)計(jì)的防波效果更好[16]；相同面積時(shí)，不同形狀的防波板(圓環(huán)形、條形、弓形)的防波板，弓形板防波效果最為顯著[17]。但是，綜合考慮防波板的數(shù)量、面積、形狀、介質(zhì)密度等因素，并考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性問題，則需要借助流體力學(xué)分析軟件進(jìn)行大量的數(shù)值模擬分析得出最優(yōu)結(jié)果。

3.2.4 防波板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求

根據(jù)相關(guān)數(shù)值模擬分析結(jié)果，罐內(nèi)液體晃動產(chǎn)生的最大壓強(qiáng)遠(yuǎn)大于初始最大靜壓強(qiáng)，流場湍流劇烈[18-19]。設(shè)置防波板可以降低罐體所受的總沖擊力，使得罐車內(nèi)介質(zhì)晃動變得更平緩，有利于罐車的平穩(wěn)運(yùn)行。

移動容器罐體的環(huán)向剛度較小，承受載荷后具有環(huán)向膨脹的趨向。設(shè)置防波板后，防波板環(huán)向剛度增大，限制了罐體的環(huán)向膨脹，同時(shí)存在局部應(yīng)力集中。如果局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，容易在承受載荷時(shí)(如耐壓試驗(yàn)、緊急剎車等)使連接部位的角焊縫開裂，造成防波板的損壞或脫落。此外，運(yùn)輸過程中防波板頻繁受到介質(zhì)沖擊作用，容易使防波板與罐體連接部位的角焊縫出現(xiàn)疲勞裂紋，采用螺栓固定的部位也容易發(fā)生松脫現(xiàn)象[20-22]。因此，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)在防波板設(shè)置中，對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均給出了具體要求。

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：防波板與罐體的聯(lián)接應(yīng)牢固可靠，防波板應(yīng)能承受慣性力的共同作用，防止產(chǎn)生裂紋和脫落。從運(yùn)動方向來看，防波板承受的縱向沖擊載荷應(yīng)為防波板間的介質(zhì)質(zhì)量乘以2g的加速度。這一要求與ASME Ⅻ和ISO 20421-1標(biāo)準(zhǔn)一致。

CGA 341標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定每塊防波板在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮不小于3/4g加速度(注：防波板最大受力狀態(tài)下，即1/2裝載質(zhì)量乘以1.5g沖擊載荷)乘以每個(gè)防波板間的質(zhì)量的縱向沖擊載荷，許用應(yīng)力等于室溫下極限強(qiáng)度的1/4。這一要求與中國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范存在較大差別，也難以適用國內(nèi)的許用應(yīng)力和安全系數(shù)規(guī)定，不具有參考價(jià)值。

4 結(jié)語

國內(nèi)的安全技術(shù)規(guī)范僅給出防波板設(shè)置的原則性規(guī)定，直接通過相應(yīng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)給出了具體要求。國內(nèi)近幾年修訂后的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，基本上都與ADR,IMDG等國際主流規(guī)范中的防波板設(shè)置原則和設(shè)置要求相一致。但是，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求鐵路運(yùn)輸?shù)墓奘郊b箱產(chǎn)品不應(yīng)設(shè)置防波板，對于公、鐵、水(海)多式聯(lián)運(yùn)的罐式集裝箱產(chǎn)品來說，將造成標(biāo)準(zhǔn)要求沖突的問題，對該類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造帶來困擾。從本文的對比分析可以看出，設(shè)置防波板對于公路運(yùn)輸?shù)钠嚬捃噥碚f是必需的；對于水路運(yùn)輸?shù)墓奘郊b箱來說，雖然有充滿率和黏度的前提條件，但是需要根據(jù)具體的運(yùn)輸和使用工況，考慮設(shè)置防波板；而鐵路運(yùn)輸用罐式集裝箱不應(yīng)設(shè)置防波板的要求，無法適應(yīng)國內(nèi)多式聯(lián)運(yùn)快速發(fā)展的需求。因此，建議按照NB/T 47059—2017《冷凍液化氣體罐式集裝箱》標(biāo)準(zhǔn)的要求，統(tǒng)一設(shè)置防波板，以滿足公、鐵、水(海)多式聯(lián)運(yùn)各個(gè)環(huán)節(jié)的要求，真正打通從液源地到終端用戶的整個(gè)運(yùn)輸鏈條。

從防波板設(shè)置數(shù)量上來看，由于防波板間容積的限制要求存在差異，導(dǎo)致防波板的數(shù)量要求差別較大。通過以上的比較計(jì)算和模型分析結(jié)果來看，ASME Ⅻ和ISO 20421-1標(biāo)準(zhǔn)中，根據(jù)裝運(yùn)介質(zhì)的不同密度計(jì)算得到不同的防波板數(shù)量要求，是科學(xué)合理的。國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)修訂過程中，由于對國內(nèi)道路狀況和司機(jī)的駕駛習(xí)慣，以及道路運(yùn)輸車輛發(fā)生側(cè)翻、追尾事故多、占比大等因素，未能直接與ASME Ⅻ和ISO 20421-1標(biāo)準(zhǔn)接軌，僅適當(dāng)放寬了防波板間容積的上限要求。對于密度較小的LNG等介質(zhì)來說，防波板的數(shù)量過多，從經(jīng)濟(jì)性角度，會造成不必要的浪費(fèi)；從安全性角度，也產(chǎn)生了更多的薄弱點(diǎn)，增加了使用風(fēng)險(xiǎn)。希望行業(yè)技術(shù)機(jī)構(gòu)重點(diǎn)開展相關(guān)分析和研究，論證ASME Ⅻ和ISO 20421-1標(biāo)準(zhǔn)中防波板設(shè)置要求的合理性并納入國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中，根據(jù)介質(zhì)密度的差別，合理減少防波板數(shù)量，降低能耗、提升產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性。