低溫液體運(yùn)輸車罐體設(shè)計(jì)與分析

摘 " " "要： 開展了低溫移動液氧儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析。按照壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)范，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了工作溫度-183～ -162 ℃的0.52 MPa低溫移動液氧儲罐。按照壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，采用數(shù)值分析的方法，分析了低溫液體運(yùn)輸單車罐體前沖工況下的應(yīng)力分布規(guī)律。結(jié)果表明：封頭、補(bǔ)強(qiáng)板、角鋼圈、八點(diǎn)支撐等零件滿足設(shè)計(jì)要求以及分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對于材料最大強(qiáng)度的極限要求，雙層罐體具有良好的抗壓性能以及優(yōu)良的真空性。

關(guān) "鍵 "詞：液氧儲罐；低溫液體運(yùn)輸車；數(shù)值分析；應(yīng)力強(qiáng)度

中圖分類號：TQ053.2 " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A " " 文章編號： 1004-0935（2023）07-0995-04

低溫液體運(yùn)輸單車是一種小型工業(yè)氣體運(yùn)輸罐車，作為一種特殊的物料裝卸搬運(yùn)車輛，相較于管道運(yùn)輸工業(yè)氣體具有較強(qiáng)的靈活性，不受地理環(huán)境影響，可長期、全天候在公路運(yùn)輸?shù)蜏匾后w介質(zhì)。與固定式壓力容器相比，移動壓力容器具有更嚴(yán)苛的工作環(huán)境、更多的沖裝與卸液次數(shù)，這對移動壓力容器綜合性能提出了更高的要求。雙層殼體以及八點(diǎn)支撐加強(qiáng)圈等結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性高、絕熱性好、耐環(huán)境腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，符合移動壓力容器性能需求，可作為低溫液體運(yùn)輸單車的主要介質(zhì)載體。

基于壓力容器的廣泛應(yīng)用以及工業(yè)氣體產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，學(xué)者們對移動壓力容器展開了廣泛的研究。張正棠[1]等研究了壓力容器常見缺陷分析及影響。白崇暉[2]等分析了壓力容器用奧氏體不銹鋼制造特點(diǎn)。蔡昌全[3]等對液化氣體運(yùn)輸半掛車進(jìn)行有限元分析及強(qiáng)度評定。徐妙富[4]等對移動式低溫 LNG 貯罐強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析。黃歡明[5]等研究了低溫容器支承結(jié)構(gòu)的裝配狀態(tài)對支承功能的影響。張超[6]等完善了LNG槽車的安全管理探究。李金 "輝[7]等分析了液體晃動對車輛轉(zhuǎn)向輪擺振的影響。KRAVCHENKO[8]發(fā)表了一種新穎的槽罐車碰撞完整性保護(hù)裝置設(shè)計(jì)。VATULIA[9]等研究了槽罐車的結(jié)構(gòu)改進(jìn)與現(xiàn)代軟件包。

針對電力、鋼鐵、化工、交通等行業(yè)積極響應(yīng)國家碳達(dá)峰、碳中和政策目標(biāo)[10]，提升低碳競爭力，低溫液體運(yùn)輸車的關(guān)鍵受力零部件及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、受力分析和強(qiáng)度校核，對其適應(yīng)性發(fā)展與工程生產(chǎn)仍具有重要意義。本文以某公司12.6 m3移動液氧儲罐為例，基于《移動式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī) " 程》[11]，采用數(shù)值分析的方法，對其進(jìn)行有限元分析設(shè)計(jì)，參照《壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[12]中應(yīng)力分類法進(jìn)行仿真計(jì)算評定，考察了前沖力對設(shè)計(jì)壓力0.52 MPa儲罐殼體承載能力的影響，得到前沖工況下的精確分析結(jié)果，核驗(yàn)其應(yīng)力是否滿足設(shè)計(jì)要求，完成罐體和支座部分模型的ANSYS有限元工程分析，對模型進(jìn)行驗(yàn)證罐體設(shè)計(jì)的合理性[13]。

1 "低溫液氧儲罐設(shè)計(jì)

本文研究的低溫液氧儲罐主要由筒體、前封頭、后封頭、角鋼圈、防波板、襯環(huán)板、補(bǔ)強(qiáng)板、八點(diǎn)支撐玻璃鋼管、絕熱棒、固定環(huán)、加強(qiáng)板相連構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡圖如圖 1所示。玻璃鋼管在裝配過程以及設(shè)計(jì)初期已將其行程固定，工程上其余連接均采用焊接，八點(diǎn)支撐后上支撐的局部詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。模型幾何參數(shù)如下：計(jì)算壓力 pc=0.724 MPa，設(shè)計(jì)溫度 t= -161 ℃，內(nèi)徑 Di=1 800 mm，內(nèi)設(shè)計(jì)溫度許用應(yīng)力[σ]t=166.7 MPa，鋼板負(fù)偏差 C1=0.08 mm，腐蝕裕量 C2=0 mm，封頭曲面高度 hi=50 mm，封頭鋼板負(fù)偏差 C1=0.3 mm，容器筒體封頭選用材料為S30408（板材），腐蝕裕量 C2=0 mm，筒體計(jì)算厚度、封頭形狀系數(shù)、封頭計(jì)算厚度由以下公式計(jì)算求解[14]。

δ=（P_c D_i）/（2[σ]^t φ-P_c ）=3.92。 " " " （1）

K=1/6 [2+（D_i/（2h_i ））^2 ]=1.000 0。 " "（2）

δ=（KP_c D_i）/（2[σ]^t φ-0.5P_c ）=3.92。 " " "（3）

筒體、封頭計(jì)算厚度加上鋼材厚度負(fù)偏差與腐蝕余量分別向上圓整至名義厚度4 mm、名義厚度 "5 mm。內(nèi)容器儲藏運(yùn)輸液體為低溫液氧，為達(dá)到低溫儲藏環(huán)境，罐體為中空兩層結(jié)構(gòu)，內(nèi)容器和外殼中間采用前后八點(diǎn)支撐，環(huán)氧支撐玻璃鋼棒中部開有小孔，兩層結(jié)構(gòu)中間在制造完成時(shí)通過管路系統(tǒng)液壓閥門抽取高真空，滿足高真空多層絕熱制造工藝，基本設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

2 "前沖工況應(yīng)力分析

前沖工況的目的是考察前向2g加速度對罐體強(qiáng)度影響，包括雙層殼體夾層壓力p外=-0.1 MPa、內(nèi)容器設(shè)計(jì)壓力p內(nèi)=0.52 MPa、沿鞍座方向的重力加速度g、液柱靜壓力p靜、鞍座上向前的牽引力 " F牽引，前封頭2g向前的慣性力F向前。添加模型載荷以及邊界條件，液柱靜壓力計(jì)算數(shù)值為0.018 MPa，小于5%的設(shè)計(jì)壓力0.52 MPa，此處忽略液柱靜 " 壓力。

《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JB " " "4732—1995）中按照應(yīng)力產(chǎn)生的原因、分布以及應(yīng)力對失效的影響將應(yīng)力分為三大類，分別是一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力[15]，對于不同性質(zhì)的應(yīng)力給予不同的限制條件。再根據(jù)應(yīng)力對容器失效所起作用的大小分為一次總體薄膜應(yīng)力、一次局部薄膜應(yīng)力、一次彎曲應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力，并計(jì)算出不同應(yīng)力類型及其組合的應(yīng)力強(qiáng)度，要求相應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度不超過各自許用值[16-17]。

Q345R設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力為196 MPa，S30408設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力為163 MPa。經(jīng)大型商業(yè)工程有限元軟件ANSYS分析后，分析得到的前沖工況罐體各零部件等效應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖如 " 圖3至圖7所示。應(yīng)力值整體分布較為合理，分析結(jié)果表明，低溫液體運(yùn)輸半掛車罐體和支座部分上大部分的應(yīng)力值較小，靠近罐體與支座連接處的應(yīng)力值會逐漸增大，整體應(yīng)力最大值出現(xiàn)在內(nèi)罐與外罐八點(diǎn)支撐墊板處（如圖3所示），雖然局部區(qū)域達(dá)到了最大值410.14 MPa，為重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，此處屬于結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域，存在一次局部薄膜應(yīng)力與一次彎曲應(yīng)力加二次應(yīng)力，選用3Sm=489 MPa進(jìn)行結(jié)核，其應(yīng)力強(qiáng)度小于489 MPa，滿足要求，如圖4所示。內(nèi)封頭材料S30408應(yīng)力最大值出現(xiàn)在與內(nèi)筒體過渡處，存在一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力，選用1.5Sm=244.5 MPa進(jìn)行校核，其應(yīng)力強(qiáng)度最大值為211.85 MPa（如圖5所示），小于244.5 MPa，滿足要求。

內(nèi)罐加強(qiáng)圈上的應(yīng)力強(qiáng)度如圖6所示，結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)區(qū)域主要為圖示標(biāo)識區(qū)，最大值為219.32 MPa，選用3Sm=489 MPa進(jìn)行校核，結(jié)果合格，觀察8點(diǎn)支撐4個(gè)Z3848玻璃鋼管剪切力，結(jié)果如圖7所示，其最大剪切力為27.402 MPa，小于28 MPa許用值，符合設(shè)計(jì)要求。

3 "結(jié) 論

本文以張家港中集圣達(dá)因低溫裝備有限公司某型號低溫氧車罐體為研究對象，運(yùn)用了ANSYS Workbench 軟件對低溫液體運(yùn)輸半掛車罐體和支座部分進(jìn)行了前沖工況的有限元分析。結(jié)果表明，罐體及其支座部分的安全系數(shù)符合要求，完成了低溫液體運(yùn)輸半掛車罐體和支座部分的應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算，通過軟件驗(yàn)證數(shù)值設(shè)計(jì)計(jì)算的可靠性。有效利用有限元分析方法提高了設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期，有利于企業(yè)競爭力的提升。該研究為低溫液體運(yùn)輸半掛車的后續(xù)優(yōu)化工作提供了理論參考。

參考文獻(xiàn)：

張正棠，孫寶財(cái)，張秉乾，等.壓力容器常見缺陷分析及影響[J].遼寧化工，2021，50（2）：232-234.

白崇暉，白崇陽，張正棠.壓力容器用奧氏體不銹鋼制造特點(diǎn)[J].遼寧化工，2021，50（5）：689-691.

蔡昌全，李帥旗，姚勇.液化氣體運(yùn)輸半掛車有限元分析及強(qiáng)度評定[J].化學(xué)工程與裝備，2013（8）：64-66.

徐妙富，劉寶慶，蔣家羚，金志江.移動式低溫LNG貯罐強(qiáng)度的有限元分析[J].低溫工程，2010（1）：11-16.

黃歡明，潘衛(wèi)明，馮慧華.低溫容器支承結(jié)構(gòu)的裝配狀態(tài)對支承功能的影響[J].低溫工程，2012（4）：44-49.

張超，孫繼偉. LNG槽車的安全管理探究[J]. 化工設(shè)計(jì)通訊，2018，44（3）：38.

李金輝，盧劍偉，姜俊昭，等. 液體晃動對槽罐車擺振系統(tǒng)動力學(xué)響應(yīng)的影響分析[J]. 振動與沖擊，2018，37（2）：135-141.

KRAVCHENKO K， ??ASTNIAK P， MORAV?íK M， et al. An innovative design of a protective device for integrity of tank wagons in a collision[J]. Transportation Research Procedia， 2021，55： 767-773.

VATULIA G， FALENDYSH A， OREL Y，et al. Structural improvements in a tank wagon with modern software packages[J]. Procedia Engineering， 2017，187：301-307.

［10］余碧瑩，趙光普，安潤穎，等.碳中和目標(biāo)下中國碳排放路徑研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，23（2）：17-24.

［11］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.移動式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程TSG R0005—2011 [M]. 北京：新華出版社，2011.

［12］JB 4732—1995，鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

［13］朱國忠，楊陽，施喜昌，等.200 m3低溫立式貯罐產(chǎn)品夾套內(nèi)工藝配管管線分析計(jì)算[J].遼寧化工，2021，50（7）：1026-1028.

［14］GB 150.1～150.4—2011，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.壓力容器[S].

［15］姚志燕，何遠(yuǎn)新，李永泰，等. 聯(lián)運(yùn)液化天然氣（LNG）罐箱內(nèi)容器與外殼連接結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].壓力容器，2014，31（12）：23-30.

［16］JAVED H M， ASIF M. Optimation of location and size of opening in a pressure vessel cylinder using ANSYS[J]. Engineering Failure Analysis， 2008，15 （1/2）：1-19.

［17］徐秉業(yè)，劉信聲.應(yīng)用彈塑性力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1995.

Design and Analysis of Cryogenic Liquid Transporter Tank

WU Xiao-fang1， HUANG Bing-jian 1， WANG Qi2 ， DING Xv-qiang2

（1. Zhangjiagang CIMC Santum Cryogenic Equipment Co.， Ltd.， Suzhou Jiangsu 215600， China;

2. School of Automotive Engineering， Nantong University of Science and Technology， Nantong Jiangsu 226000， China）

Abstract： "The structure design and analysis of low temperature mobile liquid oxygen storage tank were carried out. According to the design specification of pressure vessel and the design method of empirical formula， the 0.52 MPa low temperature mobile liquid oxygen storage tank with working temperature from -183 ℃ to -162 ℃ was designed. According to the standard of pressure vessel analysis and design， the stress distribution of single tank in cryogenic liquid transportation was analyzed by numerical analysis method. The results showed that the head， reinforcing plate， angle ring， eight-point support parts met the design requirements and limit requirements for the maximum strength of the material in the analysis of the design standards， double-tank had good compressive performance and excellent vacuum.

Key words： "Liquid oxygen storage tank; Cryogenic liquid transport vehicle; Numerical analysis; Stress intensity