無水液氨罐式集裝箱設(shè)計(jì)

朱滌非，陳衛(wèi)峰，丁春雄

(1.南通中集能源裝備有限公司，江蘇 南通 226003；2.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇 南京 210036)

氨氣(NH3)作為一種重要的化工原料，廣泛應(yīng)用于化工、制藥、農(nóng)業(yè)、化纖等領(lǐng)域。氨氣在常溫下極易加壓液化，所以為了提高運(yùn)輸效率，通常將氨氣液化成無水液氨進(jìn)行運(yùn)輸。目前國內(nèi)儲運(yùn)無水液氨的方式主要有三種，分別為鋼瓶、罐車和罐式集裝箱，其中罐式集裝箱是2000年以后才從歐美傳入國內(nèi)的一種新型儲運(yùn)容器，憑借其容積大、安全環(huán)保、運(yùn)輸方式靈活多變等特點(diǎn)，近年來在國內(nèi)得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文主要針對20英尺無水液氨罐式集裝箱的設(shè)計(jì)過程及注意點(diǎn)進(jìn)行介紹。

1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及設(shè)計(jì)條件

1.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

無水液氨罐式集裝箱需要進(jìn)行公路、水路運(yùn)輸及多式聯(lián)運(yùn)，其設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)滿足TSG R0005-2011《移動(dòng)式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》、IMDG《國際海運(yùn)危險(xiǎn)貨物規(guī)則》等規(guī)范要求。罐體強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足GB/T150.1～150.4-2011《壓力容器》、NB/T47057-2017《液化氣體罐式集裝箱》標(biāo)準(zhǔn)要求。罐式集裝箱的框架尺寸、結(jié)構(gòu)要求及型式試驗(yàn)要求應(yīng)滿足GB/T1413《系列1集裝箱 分類、尺寸和額定質(zhì)量》、GB/T16563《系列1：液體、氣體及加壓干散貨罐式集裝箱技術(shù)要求和試驗(yàn)方法》。

1.2 設(shè)計(jì)條件

(1)本罐箱的工作溫度范圍-40～50℃；工作壓力范圍-0.1～1.97MPa(表壓)。

(2)本罐箱為20英尺1CC型標(biāo)準(zhǔn)ISO罐式集裝箱(整體結(jié)構(gòu)見圖1)，箱體外形尺寸為長6058mm、寬2438mm、高2591mm[1]。罐體內(nèi)直徑Φ2386mm。罐體頂部設(shè)置遮陽板。

圖1 罐箱整體結(jié)構(gòu)

2 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

2.1 設(shè)計(jì)溫度及最低設(shè)計(jì)金屬溫度

本罐箱的工作溫度范圍為-40℃～50℃，根據(jù)NB/T 47057章節(jié)6.4.3及TSG R0005-2011章節(jié)3.10.2的要求，罐箱的設(shè)計(jì)溫度應(yīng)不低于50℃[2-3]，故本罐箱的設(shè)計(jì)溫度取55℃。最低設(shè)計(jì)金屬溫度取-40℃。

2.2 設(shè)計(jì)壓力

罐體的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)不低于55℃(設(shè)置遮陽裝置時(shí))介質(zhì)的飽和蒸汽壓，且不小于0.7MPa。無水液氨在55℃時(shí)的飽和蒸汽壓為2.2MPa(表壓)，故本罐箱設(shè)計(jì)壓力取2.2MPa。

根據(jù)查取無水液氨在不同溫度下的飽和蒸汽壓可知，當(dāng)溫度低于-33℃時(shí)，罐內(nèi)將承受負(fù)壓，-40℃時(shí)，罐內(nèi)壓力為-0.03MPa。所以本罐箱在使用中可能會因溫度下降形成負(fù)壓工況或抽真空形成負(fù)壓工況，同時(shí)結(jié)合NB/T47057章節(jié)6.4.2.4的要求，因此罐體還需進(jìn)行-0.1MPa的外壓穩(wěn)定性校核。

2.3 等效壓力及計(jì)算壓力

本罐箱運(yùn)輸工況下，罐體將承受內(nèi)部介質(zhì)對其產(chǎn)生的各個(gè)方向的慣性力載荷，即(1)運(yùn)動(dòng)方向2g；(2)與運(yùn)動(dòng)方向垂直的水平方向1g(當(dāng)運(yùn)動(dòng)方向不明確時(shí)，為2g)；(3)垂直向上為1g；(4)垂直向下為最大質(zhì)量的2g。等效壓力應(yīng)當(dāng)取各個(gè)方向的慣性力除以所對應(yīng)的罐體有效截面積的所有值中的最大值[3]。根據(jù)計(jì)算，取縱向(運(yùn)動(dòng)方向)2g的慣性力載荷轉(zhuǎn)換成等效靜態(tài)力，為0.06MPa。罐體的計(jì)算壓力取Pc=2.2+0.06=2.26MPa。

2.4 單位容積充裝量

液化氣體罐箱的單位容積充裝量，應(yīng)滿足介質(zhì)在50℃時(shí)罐體內(nèi)至少留有5%的氣相空間，且該溫度下介質(zhì)的重量不超過罐箱允許的承載能力。同時(shí)還應(yīng)保證罐體在60℃時(shí)不應(yīng)充滿液體[3]。所以本罐箱單位容積充裝量確定為530KG/m3，可以滿足以上要求。

2.5 水壓試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)壓力

罐體水壓試驗(yàn)壓力計(jì)算公式為PT=1.3P×[σ]/[σ]t，(式中P--設(shè)計(jì)壓力，[σ]--罐體材料在試驗(yàn)溫度下的許用應(yīng)力，[σ]t --罐體材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力)[3]，由于本罐箱設(shè)計(jì)溫度為55℃，因此[σ]/[σ]t=1，所以水壓試驗(yàn)壓力值為PT=1.3×2.2×1=2.86MPa。氣密性試驗(yàn)壓力取設(shè)計(jì)壓力值，為2.2MPa。

3 材料的選擇

3.1 選材原則

本罐箱裝運(yùn)的介質(zhì)為無水液氨，它對碳鋼及低合金鋼的均勻腐蝕很微弱，但是在操作使用過程中一旦受到空氣的污染，再加上持續(xù)的拉應(yīng)力作用下，則會對鋼材產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕。所以罐體選材(碳鋼及低合金鋼)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1)避免選用高強(qiáng)度的鋼材，所選材料屈服強(qiáng)度下限值Rel≤355MPa; 材料實(shí)際抗拉強(qiáng)度Rm≤630MPa。

(2)優(yōu)先考慮選用低溫鋼。

(3)材料使用狀態(tài)應(yīng)為正火或正火+回火、退火及調(diào)質(zhì)狀態(tài)。

(4)應(yīng)限制鋼材碳當(dāng)量，低碳鋼和碳錳鋼CE≤0.43，低合金鋼(包括低溫鎳鋼)CE≤0.45。

3.2 罐體用鋼板

罐體用鋼板選用16MnDR，材料標(biāo)準(zhǔn)為GB/T3531-2014《低溫壓力容器用低合金鋼鋼板》。

用于筒體、封頭的鋼板需進(jìn)行-40℃夏比(V型缺口)低溫沖擊試驗(yàn)，并逐張進(jìn)行超聲波檢測。鋼板質(zhì)量證明書中常溫下的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度比值應(yīng)≤0.85，以保證材料具有足夠的塑性儲備。

3.3 罐體用鍛件

罐體所有的凸緣法蘭和管接頭鍛件選用NB/T 47009-2017《低溫承壓設(shè)備用低合金鋼鍛件》中的16MnDⅢ，使用狀態(tài)為調(diào)質(zhì)。鍛件需進(jìn)行-40℃夏比(V型缺口)低溫沖擊試驗(yàn)。

3.4 緊固件和墊片材料

由于液氨屬于強(qiáng)滲透性中度危害介質(zhì)，所以螺柱材料選用35CrMoA，螺母材料選用30CrMoA。按GB/T150.2-2011章節(jié)7.1.4中的規(guī)定，螺柱應(yīng)進(jìn)行-40℃低溫沖擊試驗(yàn)，沖擊功指標(biāo)為KV2≥41J[4]。

所有管口的墊片均選用S30408+PTFE金屬纏繞墊片。

3.5 框架材料

框架材料選用Q345D，具有良好可焊性、足夠的強(qiáng)度和韌性。且-20℃時(shí)，3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣沖擊吸收能量平均值(KV2)≥27J，滿足NB/T 47057中對于框架材料的要求。

角件材質(zhì)為JIS G 5102標(biāo)準(zhǔn)中的SCW480(SCW49)鑄鋼或等效材料，具備-40℃沖擊功≥21J的性能，符合GB/T1835《系列1集裝箱 角件》的規(guī)定。

4 罐體設(shè)計(jì)

4.1 強(qiáng)度計(jì)算

罐體的壁厚根據(jù)GB/T150.3-2011 《壓力容器 第三部分：設(shè)計(jì)》中的計(jì)算方法，按計(jì)算壓力2.26MPa進(jìn)行計(jì)算。筒體計(jì)算厚度為15.6mm，封頭計(jì)算厚度為14.46mm。加上腐蝕余量、厚度負(fù)偏差及考慮封頭的成形減薄量，最終選取筒體壁厚為18mm，封頭壁厚為19mm。

罐體還需要進(jìn)行-0.1MPa的外壓穩(wěn)定性校核，經(jīng)過計(jì)算，筒體的許用外壓為0.27MPa，封頭的許用外壓為0.82MPa，均可以滿足要求。

4.2 罐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

罐體內(nèi)部設(shè)有3塊可拆卸式防波板，防波板隔開的單艙容積不大于7.5m3。防波板采用3mm厚不銹鋼板折彎而成，具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、重量輕、容易制作等特點(diǎn)。防波板可以減少罐內(nèi)液體對罐體產(chǎn)生的沖擊力，并且可以減輕罐箱在公路運(yùn)輸時(shí)，由于內(nèi)部液體的晃動(dòng)而帶來的重心不穩(wěn)，提高運(yùn)輸安全性。

罐體頂部設(shè)有鋁制遮陽板，遮陽板與罐體之間有40mm寬的間隙，用于空氣流通。遮陽板覆蓋在罐體上部1/3以上但不超過1/2的面積，可以防止罐箱在運(yùn)輸過程中受到陽光直接照射，從而避免罐內(nèi)溫度和壓力的升高。

本罐箱充裝介質(zhì)無水液氨不屬于毒性程度為極度或高度危害類介質(zhì)，允許罐體液面以下開口。所以除安全閥口以外，本罐箱的其余管口都集中設(shè)置在后端封頭中下部，以便于操作。管口外面設(shè)有閥門操作箱，可以對各管口的閥門、儀表進(jìn)行保護(hù)。本罐箱設(shè)置的管口和閥門儀表等附件如下：

(1)人孔 人孔設(shè)置在罐箱后端封頭中部，公稱尺寸為DN500mm，人孔凸緣焊接在后端封頭上，人孔法蘭蓋通過螺柱與人孔凸緣聯(lián)接。由于介質(zhì)為強(qiáng)滲透性氣體，所以人孔密封面型式選用榫槽面，密封效果更好。

(2)液相口 液相口設(shè)置在后端封頭下部，為2"凸緣接頭，密封面形式為凹凸面，內(nèi)部設(shè)有液相管(不銹鋼)連接至罐底積液窩。液相口安裝有緊急切斷裝置和裝卸閥門。緊急切斷裝置由緊急切斷閥、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、過流控制閥及易熔合金栓組成。裝卸閥門的連接端為ACME螺紋接頭，材質(zhì)為316鑄鋼，有良好的耐腐蝕性能。

(3)氣相口 氣相口設(shè)置在后端封頭下部，與液相口平行，為2"凸緣接頭，密封面形式為凹凸面，通過內(nèi)部氣相管(不銹鋼)連接到罐頂。氣相口安裝有緊急切斷裝置和裝卸閥門。裝卸閥門的連接端為ACME螺紋接頭。

(4)溫度計(jì)口 溫度計(jì)口設(shè)置在后端封頭下部，為G1/2"螺紋接頭，接頭在罐體內(nèi)部焊有一根不銹鋼溫度計(jì)套管。溫度計(jì)探頭放置在封閉套管內(nèi)，與罐內(nèi)介質(zhì)不接觸。溫度計(jì)的測溫范圍為-60～100℃。

(5)壓力表口 壓力表口設(shè)置在后端封頭下部，與溫度計(jì)口并排布置，為NPT1/2"螺紋接頭，內(nèi)部通過壓力表彎管(不銹鋼)連接到氣相管，使壓力表測量頂部氣相空間的壓力。壓力表前配有球閥。選用抗震型壓力表，精度等級為1.6級，量程為-0.1～3.9MPa。

(6)安全閥口 安全閥口設(shè)置在罐體上部，偏離罐頂中心線18°的位置，處于氣相空間。安全閥口結(jié)構(gòu)形式為DN80凸緣法蘭，密封面為凹凸面。本罐箱采用安全閥與爆破片串聯(lián)組合裝置。安全閥為內(nèi)置、全啟式、彈簧結(jié)構(gòu)，爆破片設(shè)置在安全閥的前端，在非泄放狀態(tài)下首先與介質(zhì)接觸的是爆破片，考慮到介質(zhì)液氨的應(yīng)力腐蝕傾向，所以選用的安全閥彈性元件材質(zhì)為316不銹鋼。安全閥與爆破片之間的腔體設(shè)有平衡壓力表。

按TSG R0005-2011章節(jié)9.4.2及NB/T47057章節(jié)7.2.8、7.2.9中的規(guī)定，安全閥的整定壓力應(yīng)為罐體設(shè)計(jì)壓力的1.05～1.1倍[2-3]，故整定壓力取2.31 MPa?；刈鶋毫Σ坏眯∮?.08MPa。爆破片的爆破壓力應(yīng)為整定壓力的1.0～1.1倍，所以爆破壓力取值為2.426MPa。經(jīng)安全泄放量計(jì)算，可以滿足罐箱完全處于火災(zāi)環(huán)境等壓力出現(xiàn)異常情況時(shí)能迅速排放，并且安全泄放裝置的排放壓力能足以將罐體內(nèi)的壓力限制在不超過設(shè)計(jì)壓力的1.2倍的要求。

(7)由于本罐箱是通過稱重來控制最大充裝量的，故不設(shè)置液位計(jì)口。

4.3 焊接結(jié)構(gòu)及熱處理

由于移動(dòng)式壓力容器的使用情況較為復(fù)雜，在運(yùn)輸及裝卸物料過程中會受到各種載荷，所以對于罐體焊縫結(jié)構(gòu)的要求相對較高，罐體的所有A,B類對接接頭均應(yīng)采用全焊透的接頭形式，凸緣、接管等與罐體的焊接接頭應(yīng)采用不帶墊板的全焊透結(jié)構(gòu)[3]。由于無水液氨有應(yīng)力腐蝕傾向，所以焊縫結(jié)構(gòu)上還應(yīng)注意避免焊縫過多、焊縫過于密集、不等厚部件對接焊的部位應(yīng)削薄、控制焊縫余高，以免造成應(yīng)力集中。

罐體制造完成后應(yīng)進(jìn)行焊后整體消應(yīng)力熱處理，目的是去除殘余焊接應(yīng)力，并降低焊縫和熱影響區(qū)的硬度。熱處理后罐體不宜再施焊。

5 框架設(shè)計(jì)

框架結(jié)構(gòu)采用20英尺1CC型ISO標(biāo)準(zhǔn)集裝箱框架，外形尺寸為長6058mm、寬2438mm、高2591mm。通過連接圈(Collar圈)與罐體兩端封頭焊接連接，并通過端框的斜撐，連接框架與罐體部分。框架結(jié)構(gòu)尺寸符合NB/T47057、GB/T16563和GB/T1413的要求?？蚣芙Y(jié)構(gòu)經(jīng)有限元分析，其強(qiáng)度可以滿足縱向2g、橫向1g、垂直向上1g、垂直向下2g的慣性力載荷及堆碼9層(含自身)的載荷條件(計(jì)算模型見圖2，計(jì)算結(jié)果匯總見表1)。

圖2 計(jì)算模型

表1 有限元分析結(jié)果匯總

本罐箱參與公路和水路運(yùn)輸，所以樣箱須通過GB/T 16563中所要求的包括堆碼試驗(yàn)、吊頂試驗(yàn)、吊底試驗(yàn)在內(nèi)的各項(xiàng)型式試驗(yàn)。且每根角柱與角件焊接后，還應(yīng)進(jìn)行12000kg的角柱拉力試驗(yàn)[5]。

框架部分對罐體、閥件可以起到較好的防護(hù)作用，防止罐箱在使用過程中，由于突發(fā)事故受到?jīng)_擊或翻倒而造成損壞或者介質(zhì)泄漏。

6 結(jié)束語

本無水液氨罐式集裝箱的設(shè)計(jì)滿足了TSG R0005-2011、NB/T47057等各項(xiàng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求，可以實(shí)現(xiàn)公路運(yùn)輸、水路運(yùn)輸及多式聯(lián)運(yùn)，且具有容積大、自重輕、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平。按此制造的罐箱已被多家客戶使用，其安全可靠性得到客戶的一致好評。