低溫絕熱儲運容器用加溫罩優化探討

＊呂學魯

（中車西安車輛有限公司 陜西 710086）

引言

眾所周知，人類社會存在和發展的基礎包括能源這一要素，目前在人類已經開發和利用的能源結構中，類型多種多樣，比如風能、地熱能、生物能、太陽能等等，根據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。對于一個國家來講，經濟建設和發展必然離不開能源。在工業生產中，煤炭、石油、天然氣等能源得到了廣泛的應用，其中有的能源屬于不可再生資源，在生產過程中不斷被消耗，在開發過程中同時破壞了環境與生態，使得二氧化碳濃度激增，極端天氣不斷增加，也影響著當前人類的生存與發展。能源的開發和利用問題一直備受爭議，我國作為能源需求大國，如何協調能源利用與開發和生態環境之間的關系，達成可持續發展目標是一個需要重點研究的問題。

1.低溫絕熱儲運容器結構優缺點分析

在儲氫方面，目前人們非常重視儲氫技術，主要是高壓儲氫、低溫液體儲氫和金屬氫化物儲氫。當然，也有一些新的儲氫技術，主要是新型儲氫材料，包括有機儲氫溶液以及納米碳儲氫管，它們具有一定的優勢，在實驗室研究中潛力巨大。但是，由于批量生產困難，成本高，脫氫效率低，目前與大規模工業應用有一些距離。

LNG低溫絕熱容器罐體部分是由兩部分組成，即內罐體組成和外罐組成，內罐體材質為S30408，外罐體材質為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，在對罐體進行充裝或卸載時，后封頭夾層的各種管路中，以頂（底）部進出液管的溫度最低（等同于介質溫度），而頂(底)部進出液管在充裝和卸載時都不是和封頭直接接觸，而是通過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℃，同時也要考慮其經濟性等。

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）部進出液管在充裝過程中所受到的低溫影響最大，所以頂（底）部進出液管加溫罩為研究對象更具有代表性，本文中就以DN150-Sch20s管帽加工而成的頂（底）進出液加溫罩為例來分析和解決問題，根據GB/T12459的規定，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，然后整體與封頭現場研配。這種加溫罩具體結構如 圖1所示。

圖1 結構一

通過計算和試制驗證，對此結構的若干優缺點進行了分析，詳述如下：

(1)從熱量傳遞來講

本件考慮到低溫絕熱儲運容器以液氮為介質進行低溫型式試驗，所以頂（底）進液管能達到的金屬溫度最低為-196℃，《移動式壓力容器安全技術監察規程》（TSG R0005-2011）第1號修改單規定：真空絕熱罐體內容積不得大于52.6m3，要將這樣一個容器充滿其有效容積所需的LNG耗時小于60min，充裝同等質量的液氮耗時更短，從結構二的ANSYS傳熱分析可以說明在這一充裝過程中封頭上的溫度一定大于-40℃（因為結構一比結構二直邊段更長，熱阻更高）。這也是結構一的優點。

(2)從該件制造工藝來看

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φ168mm×5mm的鋼管進行加工，一端開坡口，另一端要與封頭現場研配。而另一部分的管帽也得進行兩次加工，一端要對管帽的直邊段進行切割并開坡口，另一端開φ59mm的孔，50°坡口，并留1mm鈍邊。加工過程較為繁瑣，而且現場研配工作量大，不適合大批量的生產。

(3)從經濟性來分析

該件首先要購買φ168mm×5mm的不銹鋼管，對管帽直邊段切割一部分造成了浪費，本件在與后封頭及進出液管組焊完成后，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，而且焊縫要進行表面探傷（100%的滲透檢測，合格級別不低于Ⅰ級）和氦質譜檢漏（漏率不得大于1×10-9Pa·m3/s）。可見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，在批量生產時將消耗大量的焊材和無損檢測材料，而且焊縫越多夾層真空失效的可能性越大。

(4)從安裝工藝來看

該件長度較長，在與閥門箱的承插焊彎頭焊接時靠的太近，大約是50mm左右，這個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。

經過對結構一加溫罩優缺點的分析，現對結構一進行改進，改進后的加溫罩如圖2所示。

圖2 結構二

2.比對與分析

與結構一比對分析，對結構二的優點詳細分析如下：

(1)從熱量傳遞來講

低溫絕熱儲運容器以液氮為介質進行低溫型式試驗時頂（底）部進液管能達到的金屬溫度最低為-196℃，當充裝的液氮達到容器規定的最大允許充裝質量時，耗時小于1h，在對圖2加溫罩與封頭組焊后，整體通過ANSYS熱分析可以看出：頂（底）部進出液管通過加溫罩熱量傳遞后，封頭上的溫度也大于-40℃（時間以1h計算）。達到了與結構一一樣的效果，滿足要求。ANSYS分析如圖3所示：

圖3 結構二熱量傳遞圖

(2)從制造工藝來看

圖2所示加溫罩沒有接鋼管，省去了對鋼管的加工，只對DN150的管帽一端進行少量切割，一端開φ59mm的孔并開坡口，這些工序都可以用機加工來實現，現場組焊只需小量研配，保證組焊時的根部間隙。這樣工作效率明顯提高，更適合大批量的生產。

(3)從經濟性來分析

圖2所示加溫罩，只需購買DN150管帽加工即可，省去了購買φ168mm×5mm不銹鋼管的費用，同時也省去了鋼管與管帽的焊接，以及對鋼管與管帽焊縫的表面探傷和氦質譜檢漏，降低了人工成本，節約了焊材的使用量。減輕了整個低溫絕熱儲運容器的重量，焊縫的減少從整體結構上也增加了產品在使用方面的可靠性。

(4)從安裝工藝來講

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

3.結論

綜上所述，改進后的加溫罩在熱量傳遞上符合要求，能保證在充裝介質的過程中封頭的溫度不低于-40℃；結構二制造工藝更加簡單，加工量少，焊接量小，無損檢測和氦質譜檢漏量少，并且能實現機加工，在一定程度上節約了人工和材料成本；根據上次試制的經驗，結構一在與封頭裝配的時候，至少得進行4次研配，組裝完一個加溫罩至少得2h，組裝完整個容器的加溫罩至少得8h，如果是批量生產，組裝加溫罩成了生產線的瓶頸，而結構二能實現與封頭的快速裝配，不需現場大量加工，組裝一個不超過0.5h，更適合批量化生產。

形成納米制造技術時是將納米技術作為基礎，進行有效升級，這對微型機械制造而言，對其發展有積極作用，也是一種極為先進的科學技術。納米制造技術被廣泛應用于產品的細加工，并且一直受到大量科研人員的熱愛，并得到廣泛的應用。此外，納米制造技術被廣泛應用于細加工，在再制造產業中得到廣泛應用，將自身的價值充分體現出來。

循環經濟受到廣泛的關注，再制造業可以促進循環經濟的發展，與此同時，再制造業有一些高效的技術。并且隨著制造業不斷發展使得該方面產業的潛力得到有效提高。與此同時，在制造業方面我國具有一定的優勢，可以促進制造業的發展，有助于超過歐美等發達國家，成為制造大國。

氫能的開發利用包括制備、儲存、運輸等關鍵要素。但是，常溫常壓氫氣為氣態，易于擴散，體積能量儲備密度低，燃燒溫度范圍廣，能引起金屬材料氫脆性，難以有效安全運輸和儲存氫氣。

圖4 液氫儲罐

在實際工業應用中，氫能儲運技術是制約氫能大規模發展和應用的主要瓶頸之一，因為氫能的儲運需要大容量、低成本、高安全性、易使用性，而且根據終端用戶的需求和輸送距離有很大差異。目前，根據氫氣儲存和輸送過程中應用的工藝原理，氫氣可以分為化學氫氣和物理氫氣。在介紹各類氫能儲運關鍵技術和設備的基礎上，對比分析了其技術特點和應用，最后闡述了氫能儲運技術的前景和發展方向，并提出了建議。