中压天然气罐式半挂车罐体的设计和安全使用

王会赏 李毅飞

1. 石家庄安瑞科气体机械有限公司 河北石家庄 050061

2. 西安交通大学能源与动力工程学院 陕西西安 710048

1 前言

西气东输管线上的天然气压力一般不大于4 MPa，属于中压天然气。目前，天然气运输多采用经压缩机压缩至高压大容积钢质无缝气瓶内盛装，并安装于半挂车行走机构上运输。由于压缩机投资大，且压缩工序繁杂，增大了使用成本和时间成本。如果管线中的天然气不经过压缩机压缩而直接采用高压大容积气瓶运输，则带来了原始投资和运输成本的增大；如果采用4 MPa大容积气瓶，则因工作压力不高，瓶壁应减薄至3.5 mm以下便可满足使用要求，但如此薄的大容积气瓶无法采用热旋压工艺加工成型；如果选用小容积气瓶运输，则容重比减小，泄露点增加，运输效率降低而浪费能源。因此，开发适合于中压天然气罐式半挂车成为必然。

天然气的主要成分是甲烷，属于永久气体，永久气体汽车罐车是目前一种新兴产品，在设计制造与使用方面与液化气体罐车有着诸多区别，因国家尚未制订关于压缩气体运输半挂车的标准和规范，必须有针对性地加以研究，正确设计，合理使用，才能保证永久气体罐式半挂车的安全运营。

2 一般要求

天然气罐式运输半挂车设计主要包括两部分：行走机构和罐体的设计。天然气罐式半挂车设计时，外廓尺寸及轴荷必须符合GB 1589－2004的要求[1]，两轴罐式半挂车总长不得大于13 m，总宽不得大于2.5 m，总高不得大于4 m，总质量不得大于35 t，且应合理布置罐体及附件，双后轴最大轴荷不得超过18 t，且满足操作和运输要求，保证安全可靠。

天然气罐式半挂车(含罐体)属于特种设备中的移动式压力容器[2]，受《压力容器安全技术监察规程》监察，因此，须遵守规程的要求。另外，行走机构和罐体的连接也必须合理布置，通过计算，保证连接结构的强度和运营的安全。

3 罐体的设计

罐体是天然气运输半挂车承受内压和运输时惯性力的主要部件，在每次装卸过程中，罐体一般经过0.1～4 MPa的压力循环，属于承受疲劳载荷的压力容器，因此，设计时应采用有限元应力分析方法，按照JB 4732标准对罐体进行整体强度计算和校核。

3.1 材料的选择

罐体的选材应选用《锅炉和压力容器用钢板》中的材料，在我国南方地区使用的天然气运输车，一般使用温度高于－20℃，选用Q345R钢材即可；而在我国北方地区因冬季温度有时会低于－20℃，且在卸气过程中会出现降温的现象，故应选用16MnDR，以满足低温工况，保证材料低温韧性要求。

3.2 考虑各种载荷及工况

3.2.1 3种载荷

设计时，须考虑3种载荷。

a. 内压载荷：因罐体须承受0.1～4 MPa疲劳载荷，因此罐体的结构设计应符合JB 4732的规定，进行设计压力4.1 MPa应力分析和循环压力0.1～4 MPa的疲劳评定；

b. 自重载荷：包括罐体及正常工作条件下充装天然气后的重力载荷；

c. 惯性载荷：天然气半挂车在运输过程中的惯性载荷。

3.2.2 4种载荷工况

设计时，除应考虑罐体因内压变化引起的疲劳载荷外，还应校核在运营过程中惯性载荷下的4种载荷工况[3]。

工况1：内压＋自重＋沿运动方向(纵向)、大小为额定质量乘以两倍重力加速度的惯性力；

工况2：内压＋自重＋沿与运动方向成直角的水平方向、大小为额定质量乘以一倍重力加速度的惯性力；

工况3：内压＋沿垂直向上方向、大小为额定质量乘以一倍重力加速度的惯性力；

工况4：内压＋沿垂直向下方向、大小为额定质量乘以两倍重力加速度的惯性力。

3.3 有限元分析模型建立及确定

3.3.1 定义材料属性

材料选用Q345R，该材料的弹性模量E=2.0×105MPa；泊松比 μ=0.3；密度 ρ=7.85×103kg/m3；设计应力强度[Sm]=188 Mpa；屈服强度[σel]=325 MPa。

3.3.2 内压和内压引起的疲劳载荷

按照JB 4732要求[4]，取计算压力4.1 MPa，对筒体和封头进行设计计算，确定计算厚度。对于受内压载荷的总体元件封头、筒体，其厚度是按JB 4732的有关公式计算并向上圆整得到，一次总体薄膜应力强度已得到保证，可不再进行应力强度校核，仅对凸缘与壳体连接的几何不连续区域采用有效厚度建立局部实体模型。采用ANSYS有限元程序，20节点实体单元(SOLID95)进行网格划分，厚度方向划分为3层。施加4.1 MPa内压及相应约束后进行有限元求解，经应力线性化后，进行不连续处的应力分析；同时，对应力最大点进行疲劳评定。

3.3.3 惯性载荷下的4种工况

对于4种载荷工况中的工况1(纵向)、工况3(垂直向上)、工况4(垂直向下)，由于结构及载荷对于轴线在竖直方向的垂直面对称，因此，可以取竖直方向1/2的罐体及行走机构进行实体建模分析；对于工况2(横向)承受的载荷为非轴对称，需用罐体及行走机构整体建模[5]。由于凸缘不连续区域应力对惯性动载荷引起的应力影响极小，可以忽略，因此，4种工况均可忽略凸缘结构。需要考虑的各个元件，均采用有效厚度作为建模厚度。应力分析采用ANSYS有限元程序，罐体采用20节点SOLID95实体单元进行网格划分；行走机构简化为刚性梁和弹簧单元，力边界条件的施加：

a. 对于工况1、3和4，在垂直剖面上施加对称边界条件；

b. 在鞍座的底板中心施加UX、UY、UZ约束；模拟行走的弹簧单元下节点施加UY、UZ约束(半挂车前行方向不必约束)；

c. 对模型分别施加与各工况方向、大小一致的加速度；

d. 对模型施加与罐体轴线方向垂直向下的加速度，大小为g=9.81 m/s2，相当于罐体的重力(工况3、4除外)；

e. 罐体的内表面施加内压为4.1 MPa。

3.4 惯性载荷工况下的应力分布

罐体(含罐体前、后支座支撑)结构简图如图1所示。施加力边界条件后，按4种载荷工况分别求解，可得出相应的SINT应力云图，如图2～4。

3.5 安全评定

根据引起应力的原因和对结构强度影响的性质不同而对应力进行分类，按照JB 4732标准，对不同类型的应力分别进行不同的限制和评定。通过以上应力分布云图分析，分别得出4种载荷工况下的应力最大值。在4种载荷工况中，工况1和4，最大应力点均出现在支座支撑和罐体连接部位，该点属于罐体的一部分，两种工况下的应力最大值均属于二次应力的范畴，应按二次应力进行评定，小于3倍的设计应力强度即符合标准要求[4]，工况1应力最大值为515.239 MPa ，工况4应力最大值为479.088 MPa，小于3倍的设计应力强度值564 MPa，符合标准规定和设计要求。工况2和3中的最大应力值分别为712.529 MPa和597.790 MPa ，两个最大应力点位置均远离罐体的筒体和封头，分别出现在前支座支撑底板和后支座支撑的底脚处，且均大于1.5倍屈服强度(487.5 MPa)，不符合应力分析标准要求[4]，故判定为不合格。

由于篇幅所限，罐体的疲劳分析和评定略。疲劳分析和评定结果为：该罐体能承受0.1～4 MPa疲劳载荷2.2万次，按每天充放天然气3次计算，满足设计疲劳寿命为20年的要求。

3.6 改进思路和方案

在以上分析和评定中，如果出现任何一项评定不满足标准要求，则需要增大元件壁厚或改进结构设计，重新建模和分析，直至合格。对于工况2，可采用增加支座底板厚度6 mm的方法，进行重新建模、加载、分析计算，得出该工况的最大应力值减小至475 MPa的结果；而对于工况3，可采用在后支座支撑的底脚处增加厚度为6 mm筋板和延长支座270 mm的结构(如图6)，以减小应力集中的缺陷，重新建模、加载、分析计算，得出该工况的最大应力值为426 MPa。改进后的工况2和工况3，分析结果均满足小于1.5倍屈服强度(487.5 MPa)的要求，符合JB 4732标准要求，故判定合格。

3.7 其它要求

在罐体设计时，需要注明对疲劳容器的特殊要求：A、B类焊接接头进行100%射线检测；C、D类焊接接头进行表面检测；焊缝余高须打磨平滑，以尽可能地减小应力集中；几何不连续处采用圆滑过度；不得采用硬印打标记等。

4 安全使用

天然气罐式半挂车因充装的介质为永久气体，充装和运营与液化气体罐车存在着本质区别。在充装过程中，如果充装速度过快，会因压力急剧变化而出现罐体受力不均衡，导致罐体出现异常；也会因此而使罐内天然气温度快速上升，无法确定介质应达到的充装压力而有可能出现欠装的现象，因此，充装时需要控制充装速度在经济流速15 m/s范围内，不宜过快。

罐内压力是随环境温度的改变而变化，环境温度提高，罐内压力便会相应提高，因此工作压力为4 MPa的罐车，运营过程中，虽然在较低环境温度下，充装量在保证不超载的情况下可相对增加，但是必须保证在任何充装和运营环境温度下，罐内压力都应确保不得大于4 MPa。在不同温度下，安全的充装压力和充装温度对应关系如图7所示。

5 结束语

随着经济的不断发展，特别是近年来西气东输及清洁能源的普及和利用，更多工业气体项目的发展大大促进了天然气、氢气、氦气等永久气体的使用，随着市场需求的不断扩大，近年来，部分厂家才开始自主研发永久气体罐式运输车，设计、制造所依据的标准为企业标准。亟待制订不同于液化气体罐式运输车的国家标准或行业标准，以规范设计、制造和使用，保证永久气体罐式运输车更合理、更安全的运营。

[1] GB 1589－2004道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限制[S].

[2] 压力容器安全技术监察规程,中国劳动社会保障出版社.1999.

[3] 集装箱检验规范,中国船级社.2010.

[4] JB 4732－1995.钢制压力容器 分析设计标准[S].

[5] 余伟炜,高炳军.ANSYS在机械与化工设备中的应用[M].北京:中国水利水电出版社,2007.