淺談小型移動式壓力容器的設(shè)計

朱滌非

(南通中集能源裝備有限公司，江蘇 南通 226003)

小型移動式壓力容器(又稱Small UN Portable Tank)，指的是一類能進(jìn)行國際運輸，容積較小的移動式壓力容器(下文簡稱“移動小罐”)，通常容積小于10 m3，以1～3 m3居多。這類容器具有體積小、運輸方式多元化(可通過汽車、火車、輪船等運輸工具運輸)的特點，可實現(xiàn)全球化多式聯(lián)運，具有廣闊的發(fā)展前景。下文以我單位近期承接的2000 L小型移動式壓力容器為例，簡單介紹其設(shè)計方法。

1 設(shè)計參數(shù)

2000 L移動小罐的罐體強(qiáng)度設(shè)計按照ASME Ⅷ-1(2017 Edition)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，同時為實現(xiàn)小罐的海運，其結(jié)構(gòu)設(shè)計還需滿足IMDG《國際海運危險貨物規(guī)則》的要求，且獲得Lloyd's Register(勞氏)船級社認(rèn)證。其他設(shè)計參數(shù)詳見表1。

表1 設(shè)計參數(shù)

2 設(shè)計計算

2.1 計算壓力的確定

根據(jù)IMDG章節(jié)6.7.2.2.12的要求，移動小罐的計算壓力應(yīng)當(dāng)考慮罐內(nèi)介質(zhì)對罐體內(nèi)壁產(chǎn)生的慣性力載荷(縱向2 g、橫向1 g、垂直向上1 g、垂直向下2 g)，取各方向載荷中的較大值，且不小于0.035 MPa[1]。根據(jù)核算，以縱向2 g的慣性力載荷最大。計算公式如下：

式中，Pd-計算壓力，P-設(shè)計壓力，g-重力加速度，MPGM-最大許可總重，TARE-小罐的自重，R-罐體內(nèi)半徑。

2.2 最小厚度核算

根據(jù)IMDG章節(jié)4.2.5.2.6的規(guī)定，T22移動小罐的最小罐殼厚度為10 mm，注意此厚度指的是標(biāo)準(zhǔn)鋼的厚度(標(biāo)準(zhǔn)鋼：定義為抗拉強(qiáng)度370 N/mm2和斷面拉伸率為27%的鋼材)[1]，而我們選用的罐體板材強(qiáng)度與之不同，所以需要進(jìn)行最小厚度的換算，換算公式如下：

式中，e1-所用鋼材的同等厚度，e0-標(biāo)準(zhǔn)鋼的最小厚度，Rm1-所用鋼材的抗拉強(qiáng)度下限值，A1-所用鋼材的斷后伸長率。

本移動小罐為了實現(xiàn)輕量化，降低罐體壁厚，選用的SA240M 316L鋼板提高了其強(qiáng)度下限值，即：抗拉強(qiáng)度Rm≥540 MPa，屈服強(qiáng)度Rp0.2≥240 MPa，斷后伸長率A=40%。數(shù)值帶入公式計算可得，罐體所需最小壁厚e1=7.68 mm。

2.3 筒體強(qiáng)度計算

首先按0.717 MPa的內(nèi)壓來計算筒體的壁厚，根據(jù)ASME Ⅷ-1 UG-27(c)(1)，計算公式如下：

其中，tr-計算厚度， S-設(shè)計溫度下許用應(yīng)力，E-焊接接頭系數(shù)(其余參數(shù)定義同上文)。

式中筒體材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力值從ASME ⅡPart D中查取，根據(jù)表格Table 1A可知，SA240M 316L鋼板在100℃時的許用應(yīng)力值為115 MPa[2]，帶入公式計算可得tr=4.2 mm。腐蝕余量C1=0 mm，且結(jié)合上文2.2節(jié)計算結(jié)果，所以筒體名義厚度取tn=8 mm。

本移動小罐存在-0.1 MPa的負(fù)壓工況，故還需外壓穩(wěn)定性校核。根據(jù)ASME ⅡPart D圖表Fig G，以L /D0=1.64，D0/t=142(L-筒體外壓計算長度，D0-筒體外徑)查圖表，可得系數(shù)A= 0.0004697。再根據(jù)圖表Fig HA-4查取系數(shù)B=45.34。最后按以下公式算出筒體的最大允許外壓：

2.4 封頭強(qiáng)度計算

與筒體計算相同，先按0.717 MPa的內(nèi)壓來計算罐體橢圓形封頭的壁厚，根據(jù)ASME Ⅷ-1 UG-32(c)，封頭壁厚的計算公式如下：

根據(jù)計算可得，封頭計算厚度th=3.5 mm，結(jié)合上文2.2節(jié)計算結(jié)果，且考慮封頭成形減薄量，封頭名義厚度取tn=9 mm，成形后最小厚度為7.7 mm。

封頭的外壓穩(wěn)定性校核與筒體的不同之處是：ASME Ⅷ-1 UG-32(a)規(guī)定，對于凸面受壓的封頭，不但要按外壓規(guī)則進(jìn)行厚度校核，還需以1.67倍的設(shè)計外壓力按照內(nèi)壓計算公式來校核封頭過渡段的厚度[3]。具體計算方法如下：

(1)先按以下公式計算系數(shù)A：

從ASME ⅡPart D圖表Fig HA-4查取系數(shù)B=63.9，根據(jù)系數(shù)A和系數(shù)B計算封頭的許用外壓：

(2)1.67倍設(shè)計外壓按內(nèi)壓公式校核封頭過渡段，按以下公式計算封頭的最大許用外壓：

(3)封頭的最大許用外壓取步驟(1)和步驟(2)計算結(jié)果中的較小值，即Pa=0.48 MPa，大于0.1 MPa，所以封頭外壓校核合格。

2.5 水壓試驗壓力及應(yīng)力校核

ASME Ⅷ-1中對于水壓試驗壓力為Pt=1.3Pw×St/Sr，(式中，Pw-最高允許工作壓力，St-試驗溫度下材料的許用應(yīng)力， Sr-設(shè)計溫度下材料許用應(yīng)力)。而IMDG的章節(jié)6.7.2.3.2中對于水壓試驗的規(guī)定為罐體需能承受相當(dāng)于設(shè)計壓力1.5倍的水壓試驗壓力[1]，即Pt=1.5Pw，可以看出，對于本移動小罐來說，IMDG規(guī)定的試驗壓力更高。故水壓試驗壓力取值Pt=1.5×0.667=1.0 MPa。

根據(jù)IMDG規(guī)范要求，移動小罐還需進(jìn)行水壓試驗的應(yīng)力校核，具體要求為水壓試驗壓力下，罐殼的一次總體薄膜應(yīng)力σt應(yīng)不超過0.5Rm或0.75Rel(對于奧氏體不銹鋼，取0.75Rp0.2)。筒體的薄膜應(yīng)力按以下公式計算：

封頭的薄膜應(yīng)力按以下公式計算：

經(jīng)核算，筒體和封頭的薄膜應(yīng)力水平均未超過316L鋼板的0.5Rm或0.75Rp0.2，故水壓試驗應(yīng)力校核合格。

2.6 安全泄放量計算

本移動小罐裝運的介質(zhì)在設(shè)計溫度下為液態(tài)，可以采用IMDG章節(jié)6.7.2.12.2.2介紹的方法進(jìn)行安全泄放量計算，此方法為查表法，較為便捷。具體為：計算罐體的表面積A，通過A值查取每秒鐘所需的空氣流量Q，所選用的安全閥開啟時的流量若不小于該Q值，則判定為合格。

經(jīng)計算，本移動小罐的外表面積A=1.31 m2，查表可得所需的空氣流量Q=1.067 m3/s。

所選用的安全閥90%全啟時的流量為6.104 m3/s，大于Q值，故安全泄放量計算合格。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本移動小罐為臥式結(jié)構(gòu)，罐體內(nèi)直徑Φ1120 mm，總長2280 mm，總寬1162 mm，總高1545 mm。總體結(jié)構(gòu)見圖1。由于IMDG可移動罐柜導(dǎo)則中規(guī)定T22移動小罐不允許底部開口，所以本移動小罐的管口均設(shè)置在罐體頂部，分別有人孔、氣相口、液相口、備用口和安全閥口。下面對小罐的結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖1 總體結(jié)構(gòu)

3.1 管口介紹

1)人孔 人孔設(shè)置在罐體頂部，公稱直徑16"，由于外伸高度較小，故采用SA182 F316L材質(zhì)的整體鍛件結(jié)構(gòu)。密封面型式為突面。人孔蓋通過螺柱、螺母與人孔法蘭連接。墊片材質(zhì)選用增強(qiáng)柔性石墨+304纏繞墊片。設(shè)置人孔結(jié)構(gòu)可便于日后移動小罐進(jìn)行檢修、內(nèi)部清理以及定期檢驗。

2)液相口 液相口為1-1/4"凸緣法蘭，密封面形式為突面，結(jié)構(gòu)見圖2。凸緣上分別安裝了轉(zhuǎn)接法蘭、球閥、帶螺紋接頭的盲法蘭、螺紋堵頭。轉(zhuǎn)接法蘭內(nèi)側(cè)焊有一根液相管，連接到罐體底部。出口端為1-1/4"NPT螺紋，可與客戶的裝卸軟管接頭螺紋相配合。

圖2 液相口結(jié)構(gòu)

3)氣相口 氣相口為1"凸緣法蘭，密封面形式為突面。凸緣上分別安裝了球閥、帶螺紋接頭的盲法蘭、螺紋堵頭。出口端為3/4"NPT螺紋。

4)備用口 備用口為1-1/4"凸緣法蘭，與液相口凸緣尺寸相同，后續(xù)客戶也可以將此管口改為液相口使用。備用口配備了盲法蘭。

5)安全閥口 安全閥口為2.5"凸緣法蘭，密封面形式為突面。根據(jù)IMDG章節(jié)6.7.2.8.3，本移動小罐的安全泄放裝置應(yīng)為彈簧式安全閥和裝在其前端的爆破片串聯(lián)組合結(jié)構(gòu)[1]。安全閥通過螺柱與管口凸緣連接，爆破片兼做墊片。安全閥的排放口安裝有防火網(wǎng)。安全閥的整定壓力應(yīng)為設(shè)計壓力的1.1

倍，即0.734 MPa。爆破片的爆破壓力應(yīng)高于安全閥起排壓力的10%，即爆破壓力為0.807 MPa。在安全閥與爆破片之間的腔體設(shè)有壓力表，用于檢測爆破片破裂、穿孔或泄漏等可能引起安全泄放裝置失靈的情況。

3.2 溢流盒

罐體頂部設(shè)置有溢流盒結(jié)構(gòu)，采用3 mm厚304不銹鋼板制作。氣相口、液相口和備用口在溢流盒內(nèi)，可以得到一定程度的保護(hù)。溢流盒頂蓋和面板均可以開啟，方便裝、卸液操作。

3.3 底支撐

底支撐結(jié)構(gòu)俯視圖見圖3。底座采用不銹鋼矩形鋼管制作成"井"字形，從而形成四組叉槽，從四個方向均可以叉運本移動小罐。叉槽中心之間的距離超過移動小罐總長度的1/2，符合IMDG的要求[1]。底座通過支撐板與罐體進(jìn)行連接。在支撐板的兩側(cè)設(shè)置加強(qiáng)筋板，用以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在底支撐寬度方向的兩側(cè)設(shè)有橡膠防撞緩沖結(jié)構(gòu)。底支撐結(jié)構(gòu)可以承受罐體(及內(nèi)部介質(zhì))對其產(chǎn)生的各種慣性力載荷，安全可靠。

圖3 底支撐俯視圖

4 氣密性試驗及充氮保護(hù)

IMDG規(guī)范對于可移動罐柜氣密性試驗壓力的規(guī)定為不小于最大允許工作壓力的25%，所以本移動小罐的氣密性試驗壓力取0.2 MPa。氣密性試驗在水壓試驗合格后進(jìn)行，試驗時應(yīng)將所有閥件、安全附件安裝到位。試驗過程中除了要檢查焊縫、密封面有無泄漏以外，還需注意檢查閥件的密封性能。

由于裝運的介質(zhì)UN3394(正丁基鋰)具有很強(qiáng)的還原性，遇水會發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)。所以本移動小罐制造完成后應(yīng)將罐內(nèi)殘留的水分吹干，并充入0.05MPa的干燥氮氣。

5 結(jié)束語

此2000 L小型移動式壓力容器的強(qiáng)度計算滿足ASME Ⅷ-1標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)上滿足IMDG規(guī)范中的各項要求，可以實現(xiàn)多元化的運輸模式。并且通過提高316L鋼板強(qiáng)度下限值，降低了罐體壁厚，減輕自重，從而降低產(chǎn)品成本，提高移動小罐的運輸效率，在行業(yè)中具有較強(qiáng)市場競爭力。