航天運(yùn)載火箭燃料供給罐式集裝箱的設(shè)計(jì)計(jì)算

回鳳娜， 王忠連， 倪建生， 于美娜， 吳云日， 劉闞元， 劉春良

（大連中集物流裝備有限公司，遼寧大連116600）

0 引言

一種罐式集裝箱是為航天運(yùn)載火箭供給燃料用，內(nèi)裝的燃料有毒，易燃易爆，危險(xiǎn)性高。罐內(nèi)設(shè)計(jì)壓力1.26 MPa，設(shè)計(jì)溫度65℃，且需要在衛(wèi)星發(fā)射基地進(jìn)行燃料的運(yùn)載和轉(zhuǎn)注。

根據(jù)以上的承壓及運(yùn)載要求，單一地使用固定式壓力容器標(biāo)準(zhǔn)或者可移動(dòng)罐柜標(biāo)準(zhǔn)去設(shè)計(jì)，都不能滿足要求。因?yàn)楣潭ㄊ綁毫θ萜鳂?biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的壓力容器無法在場(chǎng)地內(nèi)運(yùn)載；可移動(dòng)罐柜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中又不包含對(duì)如此高壓設(shè)備的設(shè)計(jì)規(guī)則。所以，文中將結(jié)合兩種標(biāo)準(zhǔn)，即固定式壓力容器標(biāo)準(zhǔn)ASMEⅧ-1《壓力容器建造規(guī)則》［2］和可移動(dòng)罐柜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)IMDG《國際海運(yùn)危險(xiǎn)貨物規(guī)則》［1］，設(shè)計(jì)一種突破性的新型的罐式集裝箱。然而，因?yàn)橥瑫r(shí)依據(jù)兩種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，需要理清兩種標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于某些計(jì)算部分的不同要求，以遵循設(shè)計(jì)的安全性和可靠性為原則，對(duì)罐式集裝箱的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算及校核。

如下內(nèi)容將重點(diǎn)闡述在兩種不同標(biāo)準(zhǔn)的要求下，對(duì)于罐式集裝箱的設(shè)計(jì)思路和方法。此部分也是設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

1 罐體壁厚的強(qiáng)度計(jì)算

罐式集裝箱內(nèi)裝的燃料一種為氧化劑，一種為燃燒劑。根據(jù)IMDG《國際海運(yùn)危險(xiǎn)貨物規(guī)則》［1］中要求，此氧化劑的UN代碼所指向的T code（罐柜導(dǎo)則）為T50，此燃燒劑的UN代碼所指向的T code為T20。

IMDG標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于T50的罐式集裝箱的要求為適用于非冷凍液化氣體，須符合6.7.3相關(guān)章節(jié)，最大允許工作壓力0.7 MPa,液面以下不允許開口，壓力釋放裝置應(yīng)包括一個(gè)彈簧式壓力釋放裝置和其前面的保險(xiǎn)片。IMDG標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于T20的罐式集裝箱的要求為需滿足6.7.2相關(guān)章節(jié)，最低試驗(yàn)壓力1MPa，最小罐殼厚度8mm，底部不允許開口，壓力釋放裝置應(yīng)包括一個(gè)彈簧式壓力釋放裝置和其前面的保險(xiǎn)片。

可以看出，用戶要求的罐內(nèi)設(shè)計(jì)壓力超過了T50要求的最大允許工作壓力，其試驗(yàn)壓力必然也高于T20要求的最低試驗(yàn)壓力。所以，對(duì)于罐壁厚度的強(qiáng)度計(jì)算不適用IMDG標(biāo)準(zhǔn)中的壁厚計(jì)算公式。這樣，在設(shè)計(jì)計(jì)算罐式集裝箱的壁厚時(shí)，就僅依靠ASMEⅧ-1［2］標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算公式來確定。但在計(jì)算過程中，對(duì)于部分參數(shù)的選取，仍需考慮兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的不同要求。比如，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)液壓試驗(yàn)壓力的要求不同。IMDG中對(duì)T20的要求為罐殼的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)須能承受相當(dāng)于設(shè)計(jì)壓力1.5倍的液壓試驗(yàn)壓力。而ASMEⅧ-1中要求，除某章節(jié)另有規(guī)定外，按內(nèi)壓設(shè)計(jì)的容器應(yīng)進(jìn)行液壓試驗(yàn)，在液壓試驗(yàn)時(shí)，任一點(diǎn)的壓力至少應(yīng)等于最大許用工作壓力的1.3倍再乘以所制造容器材料的最小應(yīng)力比值。對(duì)本T20的罐式集裝箱的設(shè)計(jì)參數(shù)而言，IMDG要求的液壓試驗(yàn)壓力要大于ASMEⅧ-1要求的液壓試驗(yàn)壓力。所以，選擇數(shù)值較大的IMDG要求的液壓試驗(yàn)壓力來校核罐體的壁厚，這樣更能保證罐體的強(qiáng)度及安全性。再如，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)液壓試驗(yàn)下的最大許用應(yīng)力值的要求也不同。所以，在對(duì)壁厚的校核計(jì)算中，選用較嚴(yán)格的IMDG標(biāo)準(zhǔn)要求的液壓試驗(yàn)壓力下的最大許用應(yīng)力值。在對(duì)罐體壁厚的整個(gè)計(jì)算中，結(jié)合兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。雖然兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于某些參數(shù)的取值有些不同，但可以選取對(duì)計(jì)算較嚴(yán)格的數(shù)值，這樣使設(shè)計(jì)更加合理和安全。

2 安全泄放裝置相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算

不論承裝氧化劑的T50罐式集裝箱還是承裝燃燒劑的T20罐式集裝箱，其安全泄放裝置都應(yīng)包括一個(gè)彈簧式壓力釋放裝置和其前面的保險(xiǎn)片，即安全閥和爆破片。所以在設(shè)計(jì)中，需要確定安全閥的整定壓力、排量、反映流通面積的喉部直徑以及爆破片的爆破壓力等。

對(duì)于這些參數(shù)的計(jì)算，選擇容易理解并闡述詳細(xì)的 GB 150.1《壓力容器第一部分：通用要求》［3］中的附錄B《超壓泄放裝置》標(biāo)準(zhǔn)，以結(jié)合IMDG標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。首先，先按GB 150.1的《超壓泄放裝置》的內(nèi)容，對(duì)這些相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)這些數(shù)值，去選擇合適的安全閥和爆破片，確定所選安全閥的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)。然后，再應(yīng)用IMDG中有關(guān)壓力釋放裝置的相關(guān)章節(jié)，對(duì)安全閥的這些指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行反向校核，進(jìn)一步確定所選安全閥的合理性和安全性。應(yīng)用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行先正算再反校核的方式，提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性及適用的廣泛性，這樣的設(shè)計(jì)思想和方法值得應(yīng)用于其他產(chǎn)品和領(lǐng)域。

3 其他計(jì)算

對(duì)于上封頭開孔計(jì)算、法蘭蓋開孔計(jì)算等，因IMDG標(biāo)準(zhǔn)未有相關(guān)章節(jié)的內(nèi)容，按ASMEⅧ-1中的相關(guān)章節(jié)計(jì)算。綜上所述，航天運(yùn)載火箭燃料供給罐式集裝箱在設(shè)計(jì)計(jì)算上主要應(yīng)用了ASMEⅧ-1《壓力容器建造規(guī)則》和IMDG《國際海運(yùn)危險(xiǎn)貨物規(guī)則》兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。在不同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，需明確不同點(diǎn)，再根據(jù)不同點(diǎn)，去選擇更加嚴(yán)苛的要求來計(jì)算，這樣可以保證設(shè)計(jì)強(qiáng)度及設(shè)計(jì)的安全性；同時(shí)可通過不同標(biāo)準(zhǔn)間正反計(jì)算與校核的方式，提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

［1］ International Maritime Organization.International Maritime Dangerous Goods Code including Amendment 35-10,IMDG 2010 Edition［Z］.

［2］ ASME Boiler and Pressure Vessel Committee on Pressure Vessels.ASME Boiler&Pressure Vessel Code，Section Ⅷ，Division 1：Rules for Construction of Pressure Vessels［M］.New York：ASME,2010.

［3］ 壓力容器第一部分：通用要求：GB150.1-2011［S］.