液氫裝車臂的技術(shù)研究

馮是公 秦棟成 冷啟遠(yuǎn)

摘 要：氫能是當(dāng)前非常熱門的能源，其燃燒后只產(chǎn)生水，具有零碳排放的優(yōu)點(diǎn)。江蘇長(zhǎng)隆石化裝備有限公司設(shè)計(jì)了一臺(tái)專門用于裝卸液氫的鶴管，屬于非常前沿的裝備技術(shù)?，F(xiàn)對(duì)其結(jié)構(gòu)、工藝、絕熱設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，并通過計(jì)算校核其絕熱性能和結(jié)構(gòu)可靠性。

關(guān)鍵詞：液氫;裝車;鶴管;低溫

0 引言

氫能源是未來能源技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向，對(duì)我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)起到重要作用。氫能產(chǎn)業(yè)正在快速布局，與之相關(guān)的制造、儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備的研發(fā)也在大力推進(jìn)。我公司研發(fā)的液氫裝車臂是專門用于將液氫裝載入槽車的設(shè)備。為了更方便經(jīng)濟(jì)地儲(chǔ)存運(yùn)輸氫氣，需要將其液化，然后通過裝車臂將液化氫裝載入公路運(yùn)輸槽車。但液化的氫氣有著非常低的溫度（-252.8 ℃），這對(duì)裝車臂提出了很高的技術(shù)要求。目前裝車臂的設(shè)計(jì)制造可以參考液化天然氣設(shè)備，同樣是超低溫介質(zhì)，選用的鋼材需要在低溫下保持一定的強(qiáng)度和韌性，選用的密封材料需要在低溫下保持一定的回彈性能，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上同樣需要考慮低溫收縮產(chǎn)生的應(yīng)力以及保冷絕熱。

與液化天然氣不同的是，液氫的溫度更低，已經(jīng)超過空氣中主要成分（氮?dú)夂脱鯕猓┑囊夯瘻囟?，因此設(shè)備表面容易產(chǎn)生液態(tài)氧和液態(tài)氮，造成一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。另外，氫容易對(duì)鋼材產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，極大地降低設(shè)備的可靠性?；谶@些情況，我公司查閱了相關(guān)前沿技術(shù)文獻(xiàn)，進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)論證，為國(guó)內(nèi)首臺(tái)液氫裝車臂設(shè)計(jì)制造做好了基礎(chǔ)準(zhǔn)備。

1 設(shè)計(jì)介紹

1.1 ? ?結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

液氫裝車臂總體結(jié)構(gòu)分為液相臂、氣相臂和立柱。其中，液相臂用于將液氫裝載入槽車罐箱，氣相臂用于回收槽車罐箱內(nèi)的BOG氣體。立柱為支撐結(jié)構(gòu)，氣相臂和液相臂分別安裝在立柱上下，可以圍繞立柱自由轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)任意位置接車。液氫裝車臂三維模型如圖1所示。

液相臂與氣相臂結(jié)構(gòu)相同，只是形式不同，都由內(nèi)臂、外臂和外伸臂組成。內(nèi)臂以旋轉(zhuǎn)接頭1為軸心，進(jìn)行水平旋轉(zhuǎn);通過立軸6和拉板7做支撐，減少接頭1所受的傾覆力矩。外臂以旋轉(zhuǎn)接頭2為軸心，進(jìn)行水平旋轉(zhuǎn)，以旋轉(zhuǎn)接頭3為軸心，進(jìn)行俯仰運(yùn)動(dòng);通過彈簧缸平衡，減少操作力矩。外伸臂以旋轉(zhuǎn)接頭4為軸心，進(jìn)行水平旋轉(zhuǎn)，以旋轉(zhuǎn)接頭5為軸心，進(jìn)行俯仰運(yùn)動(dòng)[1]。通過5個(gè)旋轉(zhuǎn)接頭，裝車臂接口可以與任意位置的槽車接口進(jìn)行對(duì)接。

1.2 ? ?工藝設(shè)計(jì)

氫氣是易燃易爆氣體，因此裝車前后需把管道置換干凈。又因?yàn)橐簹渲胁荒芑烊肫渌麣怏w，因此置換需分成兩個(gè)步驟。

氣液相臂上分別配置有3個(gè)閥門：閥門8為主切斷閥，閥門9為吹掃閥，閥門10為放空閥。

裝車前，閥門8至接口11之間為空氣。打開閥門9和槽車放空閥，把管道內(nèi)空氣置換成氮?dú)?再打開閥門9和閥門10，把管道內(nèi)氮?dú)庵脫Q成氫氣。

裝車后，閥門8至接口11之間為液氫。打開閥門9，將液氫吹入槽車，置換成氫氣;再打開閥門10，把氫氣置換成氮?dú)?，最后可以斷開接口連接。

1.3 ? ?絕熱設(shè)計(jì)

由于液氫是超低溫介質(zhì)，吸熱會(huì)氣化，因此需要絕熱。又因?yàn)槠湟夯瘻囟鹊陀谘鯕庖夯瘻囟?，管壁外容易形成液氧，因此考慮真空絕熱。

1.3.1 ? ?管道絕熱

以內(nèi)臂為例，設(shè)計(jì)夾套管結(jié)構(gòu)，如圖2所示。內(nèi)管1流通液氫，承受介質(zhì)壓力。內(nèi)管1和外管2之間填充絕熱棉4。使用抽真空接頭3進(jìn)行整體抽真空。

1.3.2 ? ?旋轉(zhuǎn)接頭絕熱

旋轉(zhuǎn)接頭結(jié)構(gòu)如圖3所示，其主要由法蘭、內(nèi)圈和外圈三部分組成。內(nèi)圈與法蘭設(shè)計(jì)成夾套結(jié)構(gòu)，兩端可分別與管道的內(nèi)管和外管焊接。內(nèi)外圈之間有兩圈滾道，裝配鋼球可實(shí)現(xiàn)靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。

旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)外圈是相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的，其承受著一定的結(jié)構(gòu)載荷，因此需要有一定的金屬連接支撐，但設(shè)計(jì)上可以減少?gòu)较蛏系膫鳠崦娣e，保持夾套結(jié)構(gòu)，如圖3所示。由于其需在低溫下相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)計(jì)有三道彈性蓄能密封圈。主密封圈、副密封圈用于密封液氫，夾套密封圈用于與外界隔絕。通過兩端卡套接頭，在夾套間通入微正壓氦氣，一方面保證腔體內(nèi)不會(huì)進(jìn)入空氣結(jié)冰，另一方面隔絕外圈與內(nèi)圈之間的傳熱，保證外圈表面溫度高于氧氣的液化溫度。

2 技術(shù)參數(shù)

液氫裝車臂使用工況條件苛刻，其主要參數(shù)如表1所示。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 ? ?絕熱計(jì)算

液化氫的溫度很低，傳輸過程中應(yīng)盡量避免吸熱，造成升溫。將整個(gè)液相臂傳熱分為兩部分：一部分是真空管道傳熱，另一部分是金屬支撐傳熱。

3.1.1 ? ?真空管道傳熱

按高真空度進(jìn)行熱傳導(dǎo)計(jì)算。對(duì)于同軸圓筒熱傳導(dǎo)，當(dāng)氣體分子的平均自由程大于內(nèi)圓筒半徑，熱流量可用下式表示：

式中：Φ1為熱流量（W）;r2為內(nèi)管半徑（m）;r1為外管半徑（m）;L為圓筒長(zhǎng)度（m）;p為氣體絕對(duì)壓力（Pa）;λ0為自由分子熱傳導(dǎo)系數(shù)[W/（m2·K·Pa）];α1、α2為適應(yīng)系數(shù)，空氣與不銹鋼表面適應(yīng)系數(shù)取0.9。

按初步設(shè)計(jì)的液氫裝車臂取值，r2為2寸管，半徑0.03 m，r1為3寸管，半徑0.044 5 m，L為整條臂的真空管，長(zhǎng)度5 m，λ0取1.12，真空度p取10 Pa，最終計(jì)算得Φ1=8.9 W。

為了保證真空破壞時(shí)，液氫裝車臂依然能保持較好的絕熱效果，在真空夾層內(nèi)添加絕熱棉，參考標(biāo)準(zhǔn)《固定式真空絕熱深冷壓力容器 第6部分：安全防護(hù)》（GB/T 18442.6—2019）式A.9[3]計(jì)算熱流量：

Φ2=2.6×（Ta-Td）×U×Ar

式中：Ta為外表面最高溫度（K）;Td為內(nèi)表面最低溫度（K）;U為絕熱材料總的傳熱系數(shù)[W/（m2·K）]，U=λ/ti，λ為絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)[W/（m·K）]，ti為絕熱材料的名義厚度（m）;Ar為絕熱層內(nèi)外表面積的平均值（m2）。

按初步設(shè)計(jì)的液氫裝車臂取值，Ta取外管表面溫度333 K，Td取液氫溫度20 K，絕熱材料的傳熱系數(shù)U=0.19，按內(nèi)管2寸、外管3寸計(jì)算絕熱層Ar為0.019 m2，最終計(jì)算得Φ2≈2.9 W。

3.1.2 ? ?金屬支撐傳熱

整條液氫裝車臂除了旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)外層有局部剛性連接外，其余均為真空結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)對(duì)此部分傳熱進(jìn)行計(jì)算，參考《固定式真空絕熱深冷壓力容器 第6部分：安全防護(hù)》（GB/T 18442.6—2019）式A.2[3]：

式中：Ns，t為金屬支撐構(gòu)件的數(shù)量;λs，t為金屬支撐在溫度Ta與Td之間的平均導(dǎo)熱率[W/（m·K）];As，t為金屬支撐構(gòu)件的橫截面積（m2）;Ls，t為金屬支撐構(gòu)件的長(zhǎng)度（m）。

按內(nèi)外夾套的連接截面進(jìn)行計(jì)算，Ns，t旋轉(zhuǎn)接頭數(shù)量為5，λs，t取值9 W/（m·K），As，t為連接截面平均面積0.001 5 m2，Ls，t連接截面的長(zhǎng)度為0.01 m，Ta截面最外層溫度為63 K，Td橫截面最內(nèi)層溫度為20 K，最終計(jì)算得Φ3≈290 W。

3.1.3 ? ?溫升計(jì)算

根據(jù)傳熱平衡方程：

qm×（h2-h1）=3.6×Φ[2]

式中：qm為液氫質(zhì)量流量（kg/h）;h2為液氫在入口處的比焓（kJ/kg）;h1為液氫在出口處的比焓（kJ/kg）;Φ=Φ1+Φ3=298.9 W。

可計(jì)算出液氫裝車臂在設(shè)計(jì)流量下，溫度上升約0.2 K，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 ? ?有限元分析

液氫裝車臂結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，只依靠公式計(jì)算難以獲得每個(gè)點(diǎn)的溫度和應(yīng)力。選擇ANSYS軟件進(jìn)行模擬分析，給內(nèi)管壁加載溫度-253 ℃，環(huán)境溫度定義為65 ℃，得到溫度場(chǎng)如圖4所示?？梢娡獗砻孀畹蜏囟仍谛D(zhuǎn)接頭處為-162.1 ℃，高于氧氣液化溫度，滿足設(shè)計(jì)要求。

液氫裝車臂的受力主要考慮兩個(gè)方面：一是采用夾套結(jié)構(gòu)后自身載荷更大;二是內(nèi)外層溫差引起的熱應(yīng)力。施加重力載荷、管道內(nèi)壓與熱載荷后，得到應(yīng)力云圖（圖5）。可見整個(gè)液氫裝車臂最大應(yīng)力為130.76 MPa，小于材質(zhì)許用應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

液氫設(shè)備的技術(shù)還處于探索儲(chǔ)備階段，以上是我公司通過總結(jié)大量文獻(xiàn)和模擬計(jì)算得到的研究成果，后期還需要在實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)行中進(jìn)行驗(yàn)證完善。希望本文能夠?qū)σ簹湓O(shè)備設(shè)計(jì)者有所幫助，促進(jìn)行業(yè)發(fā)展。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 液體裝卸臂工程技術(shù)要求：HG/T 21608—2012[S].

[2] 杜建梅，王文軍，李潔，等.真空絕熱管道的傳熱計(jì)算[J].煤氣與熱力，2011，31（12）：1-3.

[3] 固定式真空絕熱深冷壓力容器 第6部分：安全防護(hù)：GB/T 18442.6—2019[S].

收稿日期：2021-07-29

作者簡(jiǎn)介：馮是公（1970—），男，上海人，高級(jí)工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。