新型多式联运液化天然气罐式集装箱设计

贺军 朱英波 王伟 庄晓东

液化天然气（liquefied natural gas， LNG）作为一种新兴的绿色清洁能源，其终端应用发展迅猛;但由于国内天然气供需存在区域不平衡问题，现有LNG公路运力和管道运力缺口巨大。LNG罐式集装箱（以下简称“罐箱”）作为一种储运灵活的多式联运装备，在LNG铁路运输领域具有广阔的发展潜力。本文介绍一种新型铁路、公路、水路联运LNG罐箱技术参数、结构特点及试验情况，以期为相关低温罐箱产品（特别是铁路低温罐箱产品）设计提供借鉴。

1 新型多式联运 LNG罐箱设计制造规范和主要技术参数

新型多式联运LNG罐箱设计和制造遵循的标准和规范包括TSG R0005―2011《移动式压力容器安全技术监察规程》、GB 150.1～150.4―2011《压力容器》、NB/T 47059―2017《冷冻液化气体罐式集装箱》、《国际海运危险货物规则》（第38-16修正案）、ISO 1496-3：1995《系列1集装箱 技术要求和试验方法 第3部分：液体、气体及加压干散货罐式集装箱》以及TB/T 3550.2―2019《机车车辆强度设计及试验鉴定规范 车体 第2部分：货车车体》等。新型多式联运LNG罐箱主要技术参数见表1。

2 新型多式联运LNG罐箱设计

2.1 主体结构

新型多式联运LNG罐箱主要由罐体、框架、阀门箱等组成。罐体为储存LNG的高真空多层绝热容器，由内容器与外壳套合，并由径向非金属支撑结构联结而成;内容器外壁间隔缠绕多层反射屏（铝箔）和玻璃纤维纸，内外壳体间的夹层为高真空，具有较好的绝热性能。[1]框架主要由端框、侧梁、鹅颈槽、斜撑、纵梁、裙座等组成，框架与罐体通过端部裙座、底部纵梁、斜撑连接。阀门箱布置于罐体端部侧下方，主要由箱体、装卸管路、安全附件及仪表、安全监测系统等组成。

2.2 内容器材料

新型多式联运LNG罐箱内容器是直接承压并盛装LNG低温液体的压力容器，是LNG罐箱的核心部件，其不仅须满足强度、冲击韧性和 196℃低温要求，还须具有一定的可靠性和经济性。国内移动式低温罐箱产品的内容器材料一般选用符合GB/T 24511―2017《承压设备用不锈钢和耐热钢钢板和钢带》的S30408不锈钢。经深入研究适用材料和国内外相关规范，LNG罐箱内容器材料采用符合EN 10028-7：2016《承压用钢板材 不锈钢》的1.4315（X5CrNiN19-9）奥氏体不锈钢。1.4315不锈钢与S30408不锈钢化学成分组成和力学性能比较分别见表2和表3。

由表2可见，1.4315不锈钢与S30408不锈钢在化学成分上非常相近，其中1.4315不锈钢有害元素磷的含量略高于S30408不锈钢;因此，在采购1.4315不锈钢板材时，要求钢厂将磷含量控制在不高于0.035%，并在材质证明书中注明检测值。由表3可见，1.4315不锈钢与S30408不锈钢的抗拉强度、伸长率相当，但1.4315不锈钢的屈服强度比S30408不锈钢高20%以上;因此，在压力和直径相同的条件下，采用1.4315不锈钢板材的内容器壁厚较采用S30408不锈钢板材薄1 mm，质量减轻约670 kg，轻量化效果显著。

2.3 内外容器支撑结构

内外容器支撑结构是传递内外容器载荷的重要通道，同时也是容器主要的漏热通道。鉴于铁路冲击工况条件严苛（LNG铁路罐箱惯性载荷达4.5€譯）且铁路LNG罐箱绝热指标要求较高（要求维持时间不低于90 d），为滑动支撑和固定支撑设置不同直径的环氧玻璃钢管支撑，并采用有限元分析计算[2]，设计新型支撐罩结构。LNG罐箱内外容器传统支撑罩结构和新型支撑罩结构分别见图1和图2。与传统支撑罩相比，新型支撑罩的导热路径延长1/2，从而使环氧玻璃钢管支撑漏热量减少约1/3，并避免支撑罩与外壳连接的结构突变，从而减小局部应力;同时，延长支撑与外壳的焊缝长度，从而大大降低焊接热输入对支撑材料性能的影响，进一步保证支撑结构安全、可靠。

2.4 侧部加排设计

现有移动式LNG罐箱产品加排管路大多集中布置在端部，需要占用罐箱长度空间，不仅限制罐体长度，而且影响运输安全。为了使新型多式联运LNG罐箱实现标准1AA型集装箱尺寸下容积最大化，设计侧部加排管路（见图3），为增加罐体长度留出空间，使罐箱容积达到45.8 m3。侧部加排管路设计能够大大降低罐箱运输安全隐患，有利于减轻公路运输追尾事故对罐箱造成的损害，同时解决了铁路运输过程中平车端部挡铁导致罐箱端部箱门无法打开的问题，既具有一定经济性，又提升了罐箱使用安全性。

2.5 安全监测系统设计

现有移动式LNG罐箱产品安全监测原理如下：从差压液位计的气相管、液相管引出支路通向变送器，实现液位、压力、位置等信息传送，但显示结果受罐箱自身管路结构的影响较大。变送器一般不具备温度测量功能，无法与压力测量值互相对照，从而难以保证安全监测效果;即使是极少数带有温度测量功能的罐箱，由于其采用直接测量介质温度的方式，结构较为复杂，存在介质泄漏和真空失效的风险。

为了进一步保证安全监测效果，新型多式联运LNG罐箱设计单独测温管路（见图4），配合多变量变送器及其测温元件，实现罐箱压力、温度、液位、位置等参数现场显示和远程实时在线监测。测温管路使内容器介质与夹层空间和外界环境隔离，与直接测量介质温度的测温方式相比，通过测温元件测量内容器测温管路内壁的测温方式既不需要预埋测温元件，也不需要设计专门的真空密封结构，具有结构简单、维护方便的优点，同时可降低介质泄漏风险。测试新型多式联运LNG罐箱维持时间，记录罐箱直通式压力表测量数据及变送器压力、温度测量数据，数据记录持续132 d，变送器测量数据偏差约为2%，满足在线安全监测要求。

3 新型多式联运LNG罐箱试验

按照冷冻液化气体罐箱要求，对新型多式联运LNG罐箱进行强度试验、密封性试验、低温性能试验、船级社型式试验;若要参与铁路运输，还须按照铁路主管部门的要求进行铁路冲击试验和LNG维持时间试验。新型多式联运LNG罐箱设计完成并经试验合格后，方能取得铁路运输LNG资质。

3.1 气压、气密试验

在新型多式联运LNG罐箱制造过程中，真空夹层形成前后分别按1.04 MPa和0.94 MPa气压标准对罐体及其管路实施气压试验;气压试验合格并且所有安全附件、管路组装完成后，再进行0.70 MPa气压下气密试验。

3.2 船级社型式试验

新型多式联运LNG罐箱制造完成后，在中国船级社监督下实施堆码、吊顶、吊底等静强度试验和动态纵向撞击试验（见图5），试验结果均满足标准要求。

3.3 静强度和铁路冲击试验

新型多式联运LNG罐箱静强度和铁路冲击试验（见图6）委托北京交通大学实施，试验结果表明：框架及其与罐体连接部位均能满足运行中静载荷及调车速度8.0 km/h冲击载荷工况下的强度要求。

3.4 低温性能型式试验

新型多式联运LNG罐箱低温性能型式试验委托国家低温容器质量监督检验中心实施，试验结果显示：各项指标均满足NB/T 47059―2017《冷冻液化气体罐式集装箱》的要求。此外，根据中国国家铁路集团有限公司LNG罐箱试运要求，实施充装LNG维持时间试验，试验维持时间为132 d，远超标准要求的LNG维持时间不低于90 d 。新型多式联运LNG罐箱低温性能型式试验指标见表4。

3.5 小结

各项试验结果表明，新型多式联运LNG罐箱结构设计合理，其强度、刚度、低温性能等各项指标均满足铁路、公路、水路运输及多式联运要求。

4 结束语

新型多式联运LNG罐箱满足公路、铁路、水路运输及多式联运要求，其自重与同类产品相当，而容积却达到45.8 m3，载质量更大;同时，其低温性能远超同类产品，安全监测系统创新设计间接温度测量结构，有效提高LNG运输安全性和便利性。目前，

新型多式联运LNG罐箱已通过铁路主管部门的安全评价，基本具备铁路试运条件，下一步需要多方配合开展试运研究，制定相应的铁路运输规范和安全管理规定，从而实现新型多式联运LNG罐箱运输的商业化运营。

参考文献：

[1] 徐烈，朱卫东，汤晓英. 低温绝热与贮运技术[M]. 北京：机械工业出版社，1999：42-45.

[2] 徐妙富，刘宝庆，蒋家羚，等. 移动式低温LNG贮罐强度的有限元分析[J]. 低温工程，2010（1）：11-16.

（编輯：曹莉琼 收稿日期：2021-08-30）