液化天然氣汽車罐車突發真空失效原因分析

于海東 肖學文

荊門宏圖特種飛行器制造有限公司 湖北荊門 448124

液化天然氣汽車罐車突發真空失效原因分析

于海東 肖學文

荊門宏圖特種飛行器制造有限公司 湖北荊門 448124

1 前言

液化天然氣汽車罐車是為運輸液化天然氣而研制的專用車輛，由高真空多層絕熱罐體、管路、安全附件、儀表、裝卸附件以及定型底盤或半掛車行走機構、支座、操作箱、自增壓器等組成[1]。高真空多層絕熱罐體主要由內容器、外殼、高真空多層絕熱夾層和管路等部分組成。液化天然氣汽車罐車如圖1所示。高真空多層絕熱夾層必須保持真空，若在正常運行的過程中突發真空失效，罐體外殼會結霜或結冰，內容器充裝的液化天然氣壓力會迅速升高，安全閥頻繁開啟排放，嚴重影響罐車的絕熱效果和安全使用性能，增加了運營成本。真空突發失效的主要原因為內容器泄漏、外殼泄漏和夾層管路泄漏。

圖1 液化天然氣汽車罐車簡圖

2 內容器泄漏引起的真空突發失效

2.1 內容器封頭裂紋引起的內容器泄漏

2.1.1 原因分析

內容器封頭裂紋引起的內容器泄漏主要是在低溫罐車年檢后或停用一段時間再次啟用時發生，此時內容器溫度已達到常溫狀態，如果沒有對內容器進行充分的預冷，液化天然氣注入時會對內容器造成急冷，引起較大的溫差應力，導致內容器封頭材料開裂。內容器的筒體與封頭一般均采用S30408奧氏體不銹鋼材料，奧氏體不銹鋼屬于面心立方晶格結構，具有優異的低溫性能，無脆性轉變溫度，在低溫下具有良好的塑形和韌性。內容器封頭在成型前為奧氏體組織，冷加工過程中由于塑形變形而會形成部分馬氏體組織，引起材料的強度及硬度增加，但延性和塑性下降。通過對封頭用鐵素體含量檢測儀測量，封頭的球面部位鐵素體含量較低，過渡半徑處較高，直邊段上最高，因此引起材料的裂紋主要都發生在封頭的直邊段上，經測量鐵素體含量均達到30%以上。

2.1.2 預防措施

a. 封頭訂貨時，可提出鐵素體含量的要求，因目前國內外的一些標準中，未對奧氏體不銹鋼中形變馬氏體的含量作出具體規定，根據實際應用情況及封頭制造廠的工藝制造水平推薦鐵素體的含量一般不宜高于15%，對于重要的使用場合，可提出在封頭壓制成型后進行固溶處理的要求，但此要求會增加采購成本并延長交貨期[2]；

b. 設計時，上進液噴淋管盡量延伸到內容器前端，噴淋孔截面積總和應不小于噴淋管截面積，管路端部設置非密閉性的封板，應保證充液時整個內容器都能均勻地預冷，減小溫差應力；

c. 在產品使用說明書中或給用戶培訓時，必須強調低溫罐車在首次使用或停用一段時間再次啟用時，內容器充分預冷的重要性，并可在罐車的操作箱內粘貼提示。

2.2 防波板處筒體裂紋引起的內容器泄漏

2.2.1 原因分析

汽車罐車屬移動式壓力容器，在運行中由于受轉彎、緊急制動以及不良路面等路況的影響，在慣性力的作用下罐內液體也隨著涌動。特別是在罐車緊急制動的情況下，罐內液體產生較大的縱向液體沖擊力，使防波板及連接焊縫受到交變沖擊載荷影響，固定防波板的托板（角鋼或扁鋼）與罐體焊縫處易發生開裂。內容器防波板如圖2所示。2.2.2 預防措施

圖2 內容器防波板

a. 在托板與罐體之間增加與罐體材質相同的墊板，防止托板焊縫產生的裂紋延伸至罐體母材；

b. 托板與罐體采用雙面連續焊接，增加焊縫面積，減小焊縫受力；

c. 在托板與罐體焊接處增加加強筋板，緩解焊縫處的應力，避免焊縫開裂。

3 外殼泄漏引起的真空喪失

3.1 外置加強圈引起的外殼泄漏

3.1.1 原因分析

低溫罐車的內容器及外殼之間是高真空多層絕熱夾層，外殼承受著外壓，設置有抗外壓加強圈。根據加強圈在外殼上設置的位置，加強圈有內置和外置兩種形式。外置加強圈一般采用半圓管或槽形件，可與外殼之間形成封閉的空間。加強圈與外殼之間采用連續焊接，但如果焊接時未能有效保證加強圈與外殼之間的密封性，在雨天時，雨水會滲入到加強圈內部并在加強圈的底部聚集。當低溫罐車冬天進入北方地區或其他氣溫低于0℃的地區時，聚集的水結成冰，體積發生膨脹，膨脹后在加強圈與外殼的焊接處易拉出裂紋，導致外殼泄漏。外殼外置加強圈如圖3所示。

3.1.2 預防措施

圖3 外殼外置加強圈

在外殼外置加強圈的最底部鉆排水孔，并注意在低溫罐車表面噴涂時，以及運營中必須要始終保持此孔的暢通。

3.2 V型支座前端墊板處裂紋引起的外殼泄漏

3.2.1 原因分析

V型支座用于低溫罐體和定型底盤或半掛車行走機構的連接，由于低溫罐車是移動式壓力容器，支座在受到罐體重力的同時，還受到罐體沖擊力的作用。此時會在V座前端處發生結構突變，受力不連續，出現應力集中。罐車運行過程中，罐體慣性力較大，產生附加應力，造成在支座端部與罐體連接部位應力水平較高，產生微裂紋，隨著時間的推移，微裂紋逐步擴展導致外殼泄漏。外殼V座如圖4所示。

圖4 外殼V座

3.2.2 預防措施

a. 通過應力分析計算此處的受力情況，應力值控制在材料的許用應力范圍內；

b. 結構上可通過增加前端V座墊板的長度、在V座端部增加封板或V座前端形狀采用逐步過渡的方式減緩局部應力[3]。

3.3 真空隔離閥松動引起的外殼泄漏

3.3.1 原因分析

低溫罐車上設置的真空隔離閥和真空規管主要用于檢測罐車的真空度，但真空規管的規腳容易發生氧化，導致無法準確檢測罐車的真空度，這時需要對真空規管進行更換，真空規管與真空隔離閥采用螺紋連接，真空隔離閥與外殼之間也采用螺紋連接，如在拆卸真空規管的過程中不固定真空隔離閥，真空隔離閥會隨著真空規管一起轉動，導致其與外殼連接處發生泄漏，真空隔離閥如圖5所示。

圖5 真空隔離閥

3.3.2 預防措施

a. 做好真空規管的防護措施，增加防護罩，隔離雨水和空氣，避免規腳發生氧化；

b. 在真空規管損壞需拆卸更換時，必須采用兩個扳手，以保證拆卸真空規管時真空隔離閥不發生松動。

3.4 防爆口處泄漏

3.4.1 原因分析

低溫罐車外殼設置防爆裝置，主要作用為當內容器或夾層管路發生泄漏造成真空夾層壓力升高時，防爆裝置自動泄壓，保證夾層的壓力控制在0.1 MPa以內，保護外殼。防爆裝置一般由防爆口、O形圈及防爆口蓋組成，當外殼抽真空后，在大氣壓的作用下進行密封。若防爆口剛性較弱，在與外殼焊接時，端部會發生變形，引起O形圈與防爆口端部密封處的泄漏。當罐車在周轉或運輸過程中防爆裝置遭到意外碰撞時，也會引起O形圈與防爆口端部密封處發生泄漏，防爆裝置如圖6所示。

3.4.2 預防措施

a. 增加防爆口的剛性，并控制焊接過程中的電流，預防焊接引起的變形；

b. 在罐車周轉及運輸過程中，注意防爆口的防護，避免發生意外碰撞。

圖6 防爆裝置

3.5 操作箱附近外殼泄漏

3.5.1 原因分析

低溫罐車的裝卸管路通常布置在罐車尾部的操作箱內，罐體安全閥也設置在操作箱內管路上，為了避免安全閥排放時危險氣體在箱體內的聚集，安全排放口通過引出管引到箱體外部的頂端。當罐體壓力升高超過安全閥的設定開啟壓力時，安全閥開啟排放，如排放口朝向外殼，因外殼采用的是低合金鋼材料，此時排放的低溫氣體將對外殼造成冷脆，產生裂紋，引起外殼泄漏。

3.5.2 預防措施

設計及制造安裝時注意安全閥排放口不應對著外殼排放。

3.6 外殼八點支撐處泄漏

3.6.1 原因分析

低溫罐車的內容器與外殼之間通常采用八點進行支撐，此八點支撐處是非常關鍵的部位，特別是罐車下部的四點支撐，承受著內容器、介質的質量及動載荷的影響，局部受力較大，易在支撐封板與外殼連接焊縫處產生裂紋，引起外殼泄漏。

3.6.2 預防措施

a. 在八點支撐處增加卡板減緩局部應力；

b. 可通過將下部的四點支撐布置在罐車的銷座和V座處減緩局部應力。

4 夾層管路泄漏引起的真空喪失

4.1 細管與內容器的管接頭焊接處裂紋引起的泄漏

4.1.1 原因分析

低溫罐車的上、下液位計接管及壓力表接管一般選用直徑為Φ10的管子，此管較細，某些廠家的普通退火管質量不穩定[4]，且在與內容器的管接頭焊接處受力較復雜，在低溫狀態下以及運輸過程中易產生振動導致裂紋產生，并擴展而引起泄漏。管路細管如圖7所示。

4.1.2 預防措施

a. 選擇質量可靠的生產廠家，并優選性能更佳的退火光亮管；

b. 增加細管的固定，避免細管在生產轉運過程中及車輛運輸過程中產生過大的振動；

c. 考慮細管有足夠的柔性，避免細管的冷縮引起較大應力。

圖7 管路細管

4.2 細管裂紋引起的泄漏

細管裂紋引起的泄漏原因分析及預防措施類同2.3.1，此處不再贅述。

5 結語

通過對液化天然氣汽車罐車常見的突發真空失效原因進行分析，提出了在設計、制造及使用罐車過程中的注意事項及預防措施，以避免在運營過程中突然出現真空喪失引發安全事故。

[1] JB/T 4783-2007.低溫液體汽車罐車[S].

[2] GB/T 25198-2010.壓力容器封頭[S].

[3] 徐達,蔣崇賢.專用汽車結構與設計[M].北京:北京理工大學出版社,1998.

[4] GB/T 14976-2012.流體輸送用不銹鋼無縫鋼管[S].

Analysis on Emergent Vacuum Failure of Liquefied Natural Gas Tanker Truck

YU Hai-dong et al

為避免液化天然氣汽車罐車在行駛過程中突發真空失效，分析了引發失效的主要原因分別為內容器泄漏、外殼泄漏和夾層管路泄漏，針對引發失效原因的分析，提出了相應的預防措施，供設計、制造和使用單位借鑒。

液化天然氣 汽車罐車 突發真空失效 原因分析 預防措施

In order to avoid emergent vacuum failure on liquefied natural gas tanker truck on the road, cause analysis was performed and the main causes were internal container leakage, shell leakage and inter layer leakage. Regarding to the analysis, precautionary measures on emergent vacuum failure in the operation process was provided for the designer, manufacturer and user's reference.

liquefied natural gas; tanker truck; emergent vacuum failure; cause analysis; precautionary measures

U46.96+.1.07

A文章編號：1004-0226(2017)09-0092-04

于海東，男，1974年生，工程師，現從事低溫儲運設備的研發工作。

2017-07-30