無水液氨罐式集裝箱設計

朱滌非，陳衛峰，丁春雄

(1.南通中集能源裝備有限公司，江蘇 南通 226003；2.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院，江蘇 南京 210036)

氨氣(NH3)作為一種重要的化工原料，廣泛應用于化工、制藥、農業、化纖等領域。氨氣在常溫下極易加壓液化，所以為了提高運輸效率，通常將氨氣液化成無水液氨進行運輸。目前國內儲運無水液氨的方式主要有三種，分別為鋼瓶、罐車和罐式集裝箱，其中罐式集裝箱是2000年以后才從歐美傳入國內的一種新型儲運容器，憑借其容積大、安全環保、運輸方式靈活多變等特點，近年來在國內得到越來越廣泛的應用。本文主要針對20英尺無水液氨罐式集裝箱的設計過程及注意點進行介紹。

1 設計標準、規范及設計條件

1.1 設計標準

無水液氨罐式集裝箱需要進行公路、水路運輸及多式聯運，其設計應當滿足TSG R0005-2011《移動式壓力容器安全技術監察規程》、IMDG《國際海運危險貨物規則》等規范要求。罐體強度及結構設計應滿足GB/T150.1～150.4-2011《壓力容器》、NB/T47057-2017《液化氣體罐式集裝箱》標準要求。罐式集裝箱的框架尺寸、結構要求及型式試驗要求應滿足GB/T1413《系列1集裝箱 分類、尺寸和額定質量》、GB/T16563《系列1：液體、氣體及加壓干散貨罐式集裝箱技術要求和試驗方法》。

1.2 設計條件

(1)本罐箱的工作溫度范圍-40～50℃；工作壓力范圍-0.1～1.97MPa(表壓)。

(2)本罐箱為20英尺1CC型標準ISO罐式集裝箱(整體結構見圖1)，箱體外形尺寸為長6058mm、寬2438mm、高2591mm[1]。罐體內直徑Φ2386mm。罐體頂部設置遮陽板。

圖1 罐箱整體結構

2 設計參數的確定

2.1 設計溫度及最低設計金屬溫度

本罐箱的工作溫度范圍為-40℃～50℃，根據NB/T 47057章節6.4.3及TSG R0005-2011章節3.10.2的要求，罐箱的設計溫度應不低于50℃[2-3]，故本罐箱的設計溫度取55℃。最低設計金屬溫度取-40℃。

2.2 設計壓力

罐體的設計壓力應不低于55℃(設置遮陽裝置時)介質的飽和蒸汽壓，且不小于0.7MPa。無水液氨在55℃時的飽和蒸汽壓為2.2MPa(表壓)，故本罐箱設計壓力取2.2MPa。

根據查取無水液氨在不同溫度下的飽和蒸汽壓可知，當溫度低于-33℃時，罐內將承受負壓，-40℃時，罐內壓力為-0.03MPa。所以本罐箱在使用中可能會因溫度下降形成負壓工況或抽真空形成負壓工況，同時結合NB/T47057章節6.4.2.4的要求，因此罐體還需進行-0.1MPa的外壓穩定性校核。

2.3 等效壓力及計算壓力

本罐箱運輸工況下，罐體將承受內部介質對其產生的各個方向的慣性力載荷，即(1)運動方向2g；(2)與運動方向垂直的水平方向1g(當運動方向不明確時，為2g)；(3)垂直向上為1g；(4)垂直向下為最大質量的2g。等效壓力應當取各個方向的慣性力除以所對應的罐體有效截面積的所有值中的最大值[3]。根據計算，取縱向(運動方向)2g的慣性力載荷轉換成等效靜態力，為0.06MPa。罐體的計算壓力取Pc=2.2+0.06=2.26MPa。

2.4 單位容積充裝量

液化氣體罐箱的單位容積充裝量，應滿足介質在50℃時罐體內至少留有5%的氣相空間，且該溫度下介質的重量不超過罐箱允許的承載能力。同時還應保證罐體在60℃時不應充滿液體[3]。所以本罐箱單位容積充裝量確定為530KG/m3，可以滿足以上要求。

2.5 水壓試驗和氣密性試驗壓力

罐體水壓試驗壓力計算公式為PT=1.3P×[σ]/[σ]t，(式中P--設計壓力，[σ]--罐體材料在試驗溫度下的許用應力，[σ]t --罐體材料在設計溫度下的許用應力)[3]，由于本罐箱設計溫度為55℃，因此[σ]/[σ]t=1，所以水壓試驗壓力值為PT=1.3×2.2×1=2.86MPa。氣密性試驗壓力取設計壓力值，為2.2MPa。

3 材料的選擇

3.1 選材原則

本罐箱裝運的介質為無水液氨，它對碳鋼及低合金鋼的均勻腐蝕很微弱，但是在操作使用過程中一旦受到空氣的污染，再加上持續的拉應力作用下，則會對鋼材產生嚴重的應力腐蝕。所以罐體選材(碳鋼及低合金鋼)時應注意以下幾點：

(1)避免選用高強度的鋼材，所選材料屈服強度下限值Rel≤355MPa; 材料實際抗拉強度Rm≤630MPa。

(2)優先考慮選用低溫鋼。

(3)材料使用狀態應為正火或正火+回火、退火及調質狀態。

(4)應限制鋼材碳當量，低碳鋼和碳錳鋼CE≤0.43，低合金鋼(包括低溫鎳鋼)CE≤0.45。

3.2 罐體用鋼板

罐體用鋼板選用16MnDR，材料標準為GB/T3531-2014《低溫壓力容器用低合金鋼鋼板》。

用于筒體、封頭的鋼板需進行-40℃夏比(V型缺口)低溫沖擊試驗，并逐張進行超聲波檢測。鋼板質量證明書中常溫下的屈服強度與抗拉強度比值應≤0.85，以保證材料具有足夠的塑性儲備。

3.3 罐體用鍛件

罐體所有的凸緣法蘭和管接頭鍛件選用NB/T 47009-2017《低溫承壓設備用低合金鋼鍛件》中的16MnDⅢ，使用狀態為調質。鍛件需進行-40℃夏比(V型缺口)低溫沖擊試驗。

3.4 緊固件和墊片材料

由于液氨屬于強滲透性中度危害介質，所以螺柱材料選用35CrMoA，螺母材料選用30CrMoA。按GB/T150.2-2011章節7.1.4中的規定，螺柱應進行-40℃低溫沖擊試驗，沖擊功指標為KV2≥41J[4]。

所有管口的墊片均選用S30408+PTFE金屬纏繞墊片。

3.5 框架材料

框架材料選用Q345D，具有良好可焊性、足夠的強度和韌性。且-20℃時，3個標準試樣沖擊吸收能量平均值(KV2)≥27J，滿足NB/T 47057中對于框架材料的要求。

角件材質為JIS G 5102標準中的SCW480(SCW49)鑄鋼或等效材料，具備-40℃沖擊功≥21J的性能，符合GB/T1835《系列1集裝箱 角件》的規定。

4 罐體設計

4.1 強度計算

罐體的壁厚根據GB/T150.3-2011 《壓力容器 第三部分：設計》中的計算方法，按計算壓力2.26MPa進行計算。筒體計算厚度為15.6mm，封頭計算厚度為14.46mm。加上腐蝕余量、厚度負偏差及考慮封頭的成形減薄量，最終選取筒體壁厚為18mm，封頭壁厚為19mm。

罐體還需要進行-0.1MPa的外壓穩定性校核，經過計算，筒體的許用外壓為0.27MPa，封頭的許用外壓為0.82MPa，均可以滿足要求。

4.2 罐體結構設計

罐體內部設有3塊可拆卸式防波板，防波板隔開的單艙容積不大于7.5m3。防波板采用3mm厚不銹鋼板折彎而成，具有結構堅固、重量輕、容易制作等特點。防波板可以減少罐內液體對罐體產生的沖擊力，并且可以減輕罐箱在公路運輸時，由于內部液體的晃動而帶來的重心不穩，提高運輸安全性。

罐體頂部設有鋁制遮陽板，遮陽板與罐體之間有40mm寬的間隙，用于空氣流通。遮陽板覆蓋在罐體上部1/3以上但不超過1/2的面積，可以防止罐箱在運輸過程中受到陽光直接照射，從而避免罐內溫度和壓力的升高。

本罐箱充裝介質無水液氨不屬于毒性程度為極度或高度危害類介質，允許罐體液面以下開口。所以除安全閥口以外，本罐箱的其余管口都集中設置在后端封頭中下部，以便于操作。管口外面設有閥門操作箱，可以對各管口的閥門、儀表進行保護。本罐箱設置的管口和閥門儀表等附件如下：

(1)人孔 人孔設置在罐箱后端封頭中部，公稱尺寸為DN500mm，人孔凸緣焊接在后端封頭上，人孔法蘭蓋通過螺柱與人孔凸緣聯接。由于介質為強滲透性氣體，所以人孔密封面型式選用榫槽面，密封效果更好。

(2)液相口 液相口設置在后端封頭下部，為2"凸緣接頭，密封面形式為凹凸面，內部設有液相管(不銹鋼)連接至罐底積液窩。液相口安裝有緊急切斷裝置和裝卸閥門。緊急切斷裝置由緊急切斷閥、遠程控制系統、過流控制閥及易熔合金栓組成。裝卸閥門的連接端為ACME螺紋接頭，材質為316鑄鋼，有良好的耐腐蝕性能。

(3)氣相口 氣相口設置在后端封頭下部，與液相口平行，為2"凸緣接頭，密封面形式為凹凸面，通過內部氣相管(不銹鋼)連接到罐頂。氣相口安裝有緊急切斷裝置和裝卸閥門。裝卸閥門的連接端為ACME螺紋接頭。

(4)溫度計口 溫度計口設置在后端封頭下部，為G1/2"螺紋接頭，接頭在罐體內部焊有一根不銹鋼溫度計套管。溫度計探頭放置在封閉套管內，與罐內介質不接觸。溫度計的測溫范圍為-60～100℃。

(5)壓力表口 壓力表口設置在后端封頭下部，與溫度計口并排布置，為NPT1/2"螺紋接頭，內部通過壓力表彎管(不銹鋼)連接到氣相管，使壓力表測量頂部氣相空間的壓力。壓力表前配有球閥。選用抗震型壓力表，精度等級為1.6級，量程為-0.1～3.9MPa。

(6)安全閥口 安全閥口設置在罐體上部，偏離罐頂中心線18°的位置，處于氣相空間。安全閥口結構形式為DN80凸緣法蘭，密封面為凹凸面。本罐箱采用安全閥與爆破片串聯組合裝置。安全閥為內置、全啟式、彈簧結構，爆破片設置在安全閥的前端，在非泄放狀態下首先與介質接觸的是爆破片，考慮到介質液氨的應力腐蝕傾向，所以選用的安全閥彈性元件材質為316不銹鋼。安全閥與爆破片之間的腔體設有平衡壓力表。

按TSG R0005-2011章節9.4.2及NB/T47057章節7.2.8、7.2.9中的規定，安全閥的整定壓力應為罐體設計壓力的1.05～1.1倍[2-3]，故整定壓力取2.31 MPa。回座壓力不得小于2.08MPa。爆破片的爆破壓力應為整定壓力的1.0～1.1倍，所以爆破壓力取值為2.426MPa。經安全泄放量計算，可以滿足罐箱完全處于火災環境等壓力出現異常情況時能迅速排放，并且安全泄放裝置的排放壓力能足以將罐體內的壓力限制在不超過設計壓力的1.2倍的要求。

(7)由于本罐箱是通過稱重來控制最大充裝量的，故不設置液位計口。

4.3 焊接結構及熱處理

由于移動式壓力容器的使用情況較為復雜，在運輸及裝卸物料過程中會受到各種載荷，所以對于罐體焊縫結構的要求相對較高，罐體的所有A,B類對接接頭均應采用全焊透的接頭形式，凸緣、接管等與罐體的焊接接頭應采用不帶墊板的全焊透結構[3]。由于無水液氨有應力腐蝕傾向，所以焊縫結構上還應注意避免焊縫過多、焊縫過于密集、不等厚部件對接焊的部位應削薄、控制焊縫余高，以免造成應力集中。

罐體制造完成后應進行焊后整體消應力熱處理，目的是去除殘余焊接應力，并降低焊縫和熱影響區的硬度。熱處理后罐體不宜再施焊。

5 框架設計

框架結構采用20英尺1CC型ISO標準集裝箱框架，外形尺寸為長6058mm、寬2438mm、高2591mm。通過連接圈(Collar圈)與罐體兩端封頭焊接連接，并通過端框的斜撐，連接框架與罐體部分。框架結構尺寸符合NB/T47057、GB/T16563和GB/T1413的要求。框架結構經有限元分析，其強度可以滿足縱向2g、橫向1g、垂直向上1g、垂直向下2g的慣性力載荷及堆碼9層(含自身)的載荷條件(計算模型見圖2，計算結果匯總見表1)。

圖2 計算模型

表1 有限元分析結果匯總

本罐箱參與公路和水路運輸，所以樣箱須通過GB/T 16563中所要求的包括堆碼試驗、吊頂試驗、吊底試驗在內的各項型式試驗。且每根角柱與角件焊接后，還應進行12000kg的角柱拉力試驗[5]。

框架部分對罐體、閥件可以起到較好的防護作用，防止罐箱在使用過程中，由于突發事故受到沖擊或翻倒而造成損壞或者介質泄漏。

6 結束語

本無水液氨罐式集裝箱的設計滿足了TSG R0005-2011、NB/T47057等各項規范標準的要求，可以實現公路運輸、水路運輸及多式聯運，且具有容積大、自重輕、安全性高等優點，在國內處于領先水平。按此制造的罐箱已被多家客戶使用，其安全可靠性得到客戶的一致好評。