低溫絕熱儲(chǔ)運(yùn)容器用加溫罩優(yōu)化探討

＊呂學(xué)魯

（中車西安車輛有限公司 陜西 710086）

引言

眾所周知，人類社會(huì)存在和發(fā)展的基礎(chǔ)包括能源這一要素，目前在人類已經(jīng)開(kāi)發(fā)和利用的能源結(jié)構(gòu)中，類型多種多樣，比如風(fēng)能、地?zé)崮?、生物能、太?yáng)能等等，根據(jù)能源的利用程度不同，還可以將其分為可再生能源和不可再生能源。對(duì)于一個(gè)國(guó)家來(lái)講，經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展必然離不開(kāi)能源。在工業(yè)生產(chǎn)中，煤炭、石油、天然氣等能源得到了廣泛的應(yīng)用，其中有的能源屬于不可再生資源，在生產(chǎn)過(guò)程中不斷被消耗，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中同時(shí)破壞了環(huán)境與生態(tài)，使得二氧化碳濃度激增，極端天氣不斷增加，也影響著當(dāng)前人類的生存與發(fā)展。能源的開(kāi)發(fā)和利用問(wèn)題一直備受爭(zhēng)議，我國(guó)作為能源需求大國(guó)，如何協(xié)調(diào)能源利用與開(kāi)發(fā)和生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系，達(dá)成可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)是一個(gè)需要重點(diǎn)研究的問(wèn)題。

1.低溫絕熱儲(chǔ)運(yùn)容器結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)分析

在儲(chǔ)氫方面，目前人們非常重視儲(chǔ)氫技術(shù)，主要是高壓儲(chǔ)氫、低溫液體儲(chǔ)氫和金屬氫化物儲(chǔ)氫。當(dāng)然，也有一些新的儲(chǔ)氫技術(shù)，主要是新型儲(chǔ)氫材料，包括有機(jī)儲(chǔ)氫溶液以及納米碳儲(chǔ)氫管，它們具有一定的優(yōu)勢(shì)，在實(shí)驗(yàn)室研究中潛力巨大。但是，由于批量生產(chǎn)困難，成本高，脫氫效率低，目前與大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用有一些距離。

LNG低溫絕熱容器罐體部分是由兩部分組成，即內(nèi)罐體組成和外罐組成，內(nèi)罐體材質(zhì)為S30408，外罐體材質(zhì)為16MnDR。考慮到壁厚在6～60mm的低溫用16MnDR板材使用溫度下限為-40℃，這就要求在正常使用的情況下外罐后封頭上的溫度不能低于-40℃以保證其使用安全，在對(duì)罐體進(jìn)行充裝或卸載時(shí)，后封頭夾層的各種管路中，以頂（底）部進(jìn)出液管的溫度最低（等同于介質(zhì)溫度），而頂(底)部進(jìn)出液管在充裝和卸載時(shí)都不是和封頭直接接觸，而是通過(guò)加溫罩將低溫逐漸傳遞到外罐封頭上，所以使用的加溫罩必須保證熱量傳遞到外罐后使封頭上的溫度不得低于-40℃，同時(shí)也要考慮其經(jīng)濟(jì)性等。

加溫罩是由符合GB/T 12459-2005的管帽加工制作而成，考慮到頂（底）部進(jìn)出液管在充裝過(guò)程中所受到的低溫影響最大，所以頂（底）部進(jìn)出液管加溫罩為研究對(duì)象更具有代表性，本文中就以DN150-Sch20s管帽加工而成的頂（底）進(jìn)出液加溫罩為例來(lái)分析和解決問(wèn)題，根據(jù)GB/T12459的規(guī)定，這種加溫罩外徑為168mm，壁厚取5mm。

目前，使用的一種加溫罩是在將DN150-Sch20s管帽直邊部分切割一部分之后，在直邊段用φ168mm×5mm的不銹鋼管焊接加長(zhǎng)，然后整體與封頭現(xiàn)場(chǎng)研配。這種加溫罩具體結(jié)構(gòu)如 圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)一

通過(guò)計(jì)算和試制驗(yàn)證，對(duì)此結(jié)構(gòu)的若干優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，詳述如下：

(1)從熱量傳遞來(lái)講

本件考慮到低溫絕熱儲(chǔ)運(yùn)容器以液氮為介質(zhì)進(jìn)行低溫型式試驗(yàn)，所以頂（底）進(jìn)液管能達(dá)到的金屬溫度最低為-196℃，《移動(dòng)式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（TSG R0005-2011）第1號(hào)修改單規(guī)定：真空絕熱罐體內(nèi)容積不得大于52.6m3，要將這樣一個(gè)容器充滿其有效容積所需的LNG耗時(shí)小于60min，充裝同等質(zhì)量的液氮耗時(shí)更短，從結(jié)構(gòu)二的ANSYS傳熱分析可以說(shuō)明在這一充裝過(guò)程中封頭上的溫度一定大于-40℃（因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)一比結(jié)構(gòu)二直邊段更長(zhǎng)，熱阻更高）。這也是結(jié)構(gòu)一的優(yōu)點(diǎn)。

(2)從該件制造工藝來(lái)看

該件由兩部分組成，一部分為鋼管，另一部分為管帽，首先要對(duì)φ168mm×5mm的鋼管進(jìn)行加工，一端開(kāi)坡口，另一端要與封頭現(xiàn)場(chǎng)研配。而另一部分的管帽也得進(jìn)行兩次加工，一端要對(duì)管帽的直邊段進(jìn)行切割并開(kāi)坡口，另一端開(kāi)φ59mm的孔，50°坡口，并留1mm鈍邊。加工過(guò)程較為繁瑣，而且現(xiàn)場(chǎng)研配工作量大，不適合大批量的生產(chǎn)。

(3)從經(jīng)濟(jì)性來(lái)分析

該件首先要購(gòu)買φ168mm×5mm的不銹鋼管，對(duì)管帽直邊段切割一部分造成了浪費(fèi)，本件在與后封頭及進(jìn)出液管組焊完成后，總共形成3條焊縫，其中加溫罩與封頭的焊縫焊角至少要達(dá)到6mm，加溫罩與加排管的焊角至少得5mm，不僅僅焊接量大，而且焊縫要進(jìn)行表面探傷（100%的滲透檢測(cè)，合格級(jí)別不低于Ⅰ級(jí)）和氦質(zhì)譜檢漏（漏率不得大于1×10-9Pa·m3/s）。可見(jiàn)這種鋼管和管帽焊接加工而成的加溫罩增加了焊接量和檢漏量，在批量生產(chǎn)時(shí)將消耗大量的焊材和無(wú)損檢測(cè)材料，而且焊縫越多夾層真空失效的可能性越大。

(4)從安裝工藝來(lái)看

該件長(zhǎng)度較長(zhǎng)，在與閥門(mén)箱的承插焊彎頭焊接時(shí)靠的太近，大約是50mm左右，這個(gè)間隙不利于氬弧焊施焊。如果要增大間隙，只能將φ168mm×5mm鋼管切短，但是這樣在與封頭組焊時(shí)有可能形成楔形焊縫，或者使得鋼管和管帽的連接焊縫與加溫罩與封頭的焊縫距離太近，形成重疊的熱影響區(qū)。

經(jīng)過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)一加溫罩優(yōu)缺點(diǎn)的分析，現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)一進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的加溫罩如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)二

2.比對(duì)與分析

與結(jié)構(gòu)一比對(duì)分析，對(duì)結(jié)構(gòu)二的優(yōu)點(diǎn)詳細(xì)分析如下：

(1)從熱量傳遞來(lái)講

低溫絕熱儲(chǔ)運(yùn)容器以液氮為介質(zhì)進(jìn)行低溫型式試驗(yàn)時(shí)頂（底）部進(jìn)液管能達(dá)到的金屬溫度最低為-196℃，當(dāng)充裝的液氮達(dá)到容器規(guī)定的最大允許充裝質(zhì)量時(shí)，耗時(shí)小于1h，在對(duì)圖2加溫罩與封頭組焊后，整體通過(guò)ANSYS熱分析可以看出：頂（底）部進(jìn)出液管通過(guò)加溫罩熱量傳遞后，封頭上的溫度也大于-40℃（時(shí)間以1h計(jì)算）。達(dá)到了與結(jié)構(gòu)一一樣的效果，滿足要求。ANSYS分析如圖3所示：

圖3 結(jié)構(gòu)二熱量傳遞圖

(2)從制造工藝來(lái)看

圖2所示加溫罩沒(méi)有接鋼管，省去了對(duì)鋼管的加工，只對(duì)DN150的管帽一端進(jìn)行少量切割，一端開(kāi)φ59mm的孔并開(kāi)坡口，這些工序都可以用機(jī)加工來(lái)實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)組焊只需小量研配，保證組焊時(shí)的根部間隙。這樣工作效率明顯提高，更適合大批量的生產(chǎn)。

(3)從經(jīng)濟(jì)性來(lái)分析

圖2所示加溫罩，只需購(gòu)買DN150管帽加工即可，省去了購(gòu)買φ168mm×5mm不銹鋼管的費(fèi)用，同時(shí)也省去了鋼管與管帽的焊接，以及對(duì)鋼管與管帽焊縫的表面探傷和氦質(zhì)譜檢漏，降低了人工成本，節(jié)約了焊材的使用量。減輕了整個(gè)低溫絕熱儲(chǔ)運(yùn)容器的重量，焊縫的減少?gòu)恼w結(jié)構(gòu)上也增加了產(chǎn)品在使用方面的可靠性。

(4)從安裝工藝來(lái)講

圖2所示加溫罩長(zhǎng)度與圖1相比明顯有所變短，在整個(gè)罐體長(zhǎng)度不變的情況下，增大了與閥門(mén)箱中承插焊彎頭之間距離，在80～120mm之間，更適合氬弧焊施焊。也使得對(duì)焊縫的質(zhì)量檢測(cè)更加方便。

3.結(jié)論

綜上所述，改進(jìn)后的加溫罩在熱量傳遞上符合要求，能保證在充裝介質(zhì)的過(guò)程中封頭的溫度不低于-40℃；結(jié)構(gòu)二制造工藝更加簡(jiǎn)單，加工量少，焊接量小，無(wú)損檢測(cè)和氦質(zhì)譜檢漏量少，并且能實(shí)現(xiàn)機(jī)加工，在一定程度上節(jié)約了人工和材料成本；根據(jù)上次試制的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)構(gòu)一在與封頭裝配的時(shí)候，至少得進(jìn)行4次研配，組裝完一個(gè)加溫罩至少得2h，組裝完整個(gè)容器的加溫罩至少得8h，如果是批量生產(chǎn)，組裝加溫罩成了生產(chǎn)線的瓶頸，而結(jié)構(gòu)二能實(shí)現(xiàn)與封頭的快速裝配，不需現(xiàn)場(chǎng)大量加工，組裝一個(gè)不超過(guò)0.5h，更適合批量化生產(chǎn)。

形成納米制造技術(shù)時(shí)是將納米技術(shù)作為基礎(chǔ)，進(jìn)行有效升級(jí)，這對(duì)微型機(jī)械制造而言，對(duì)其發(fā)展有積極作用，也是一種極為先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)。納米制造技術(shù)被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的細(xì)加工，并且一直受到大量科研人員的熱愛(ài)，并得到廣泛的應(yīng)用。此外，納米制造技術(shù)被廣泛應(yīng)用于細(xì)加工，在再制造產(chǎn)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，將自身的價(jià)值充分體現(xiàn)出來(lái)。

循環(huán)經(jīng)濟(jì)受到廣泛的關(guān)注，再制造業(yè)可以促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，與此同時(shí)，再制造業(yè)有一些高效的技術(shù)。并且隨著制造業(yè)不斷發(fā)展使得該方面產(chǎn)業(yè)的潛力得到有效提高。與此同時(shí)，在制造業(yè)方面我國(guó)具有一定的優(yōu)勢(shì)，可以促進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展，有助于超過(guò)歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，成為制造大國(guó)。

氫能的開(kāi)發(fā)利用包括制備、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)汝P(guān)鍵要素。但是，常溫常壓氫氣為氣態(tài)，易于擴(kuò)散，體積能量?jī)?chǔ)備密度低，燃燒溫度范圍廣，能引起金屬材料氫脆性，難以有效安全運(yùn)輸和儲(chǔ)存氫氣。

圖4 液氫儲(chǔ)罐

在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是制約氫能大規(guī)模發(fā)展和應(yīng)用的主要瓶頸之一，因?yàn)闅淠艿膬?chǔ)運(yùn)需要大容量、低成本、高安全性、易使用性，而且根據(jù)終端用戶的需求和輸送距離有很大差異。目前，根據(jù)氫氣儲(chǔ)存和輸送過(guò)程中應(yīng)用的工藝原理，氫氣可以分為化學(xué)氫氣和物理氫氣。在介紹各類氫能儲(chǔ)運(yùn)關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備的基礎(chǔ)上，對(duì)比分析了其技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用，最后闡述了氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的前景和發(fā)展方向，并提出了建議。