新型多式聯(lián)運液化天然氣罐式集裝箱設(shè)計

賀軍 朱英波 王偉 莊曉東

液化天然氣（liquefied natural gas， LNG）作為一種新興的綠色清潔能源，其終端應(yīng)用發(fā)展迅猛;但由于國內(nèi)天然氣供需存在區(qū)域不平衡問題，現(xiàn)有LNG公路運力和管道運力缺口巨大。LNG罐式集裝箱（以下簡稱“罐箱”）作為一種儲運靈活的多式聯(lián)運裝備，在LNG鐵路運輸領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展?jié)摿?。本文介紹一種新型鐵路、公路、水路聯(lián)運LNG罐箱技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)特點及試驗情況，以期為相關(guān)低溫罐箱產(chǎn)品（特別是鐵路低溫罐箱產(chǎn)品）設(shè)計提供借鑒。

1 新型多式聯(lián)運 LNG罐箱設(shè)計制造規(guī)范和主要技術(shù)參數(shù)

新型多式聯(lián)運LNG罐箱設(shè)計和制造遵循的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范包括TSG R0005―2011《移動式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》、GB 150.1～150.4―2011《壓力容器》、NB/T 47059―2017《冷凍液化氣體罐式集裝箱》、《國際海運危險貨物規(guī)則》（第38-16修正案）、ISO 1496-3：1995《系列1集裝箱 技術(shù)要求和試驗方法 第3部分：液體、氣體及加壓干散貨罐式集裝箱》以及TB/T 3550.2―2019《機車車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范 車體 第2部分：貨車車體》等。新型多式聯(lián)運LNG罐箱主要技術(shù)參數(shù)見表1。

2 新型多式聯(lián)運LNG罐箱設(shè)計

2.1 主體結(jié)構(gòu)

新型多式聯(lián)運LNG罐箱主要由罐體、框架、閥門箱等組成。罐體為儲存LNG的高真空多層絕熱容器，由內(nèi)容器與外殼套合，并由徑向非金屬支撐結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)而成;內(nèi)容器外壁間隔纏繞多層反射屏（鋁箔）和玻璃纖維紙，內(nèi)外殼體間的夾層為高真空，具有較好的絕熱性能。[1]框架主要由端框、側(cè)梁、鵝頸槽、斜撐、縱梁、裙座等組成，框架與罐體通過端部裙座、底部縱梁、斜撐連接。閥門箱布置于罐體端部側(cè)下方，主要由箱體、裝卸管路、安全附件及儀表、安全監(jiān)測系統(tǒng)等組成。

2.2 內(nèi)容器材料

新型多式聯(lián)運LNG罐箱內(nèi)容器是直接承壓并盛裝LNG低溫液體的壓力容器，是LNG罐箱的核心部件，其不僅須滿足強度、沖擊韌性和 196℃低溫要求，還須具有一定的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。國內(nèi)移動式低溫罐箱產(chǎn)品的內(nèi)容器材料一般選用符合GB/T 24511―2017《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》的S30408不銹鋼。經(jīng)深入研究適用材料和國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范，LNG罐箱內(nèi)容器材料采用符合EN 10028-7：2016《承壓用鋼板材 不銹鋼》的1.4315（X5CrNiN19-9）奧氏體不銹鋼。1.4315不銹鋼與S30408不銹鋼化學(xué)成分組成和力學(xué)性能比較分別見表2和表3。

由表2可見，1.4315不銹鋼與S30408不銹鋼在化學(xué)成分上非常相近，其中1.4315不銹鋼有害元素磷的含量略高于S30408不銹鋼;因此，在采購1.4315不銹鋼板材時，要求鋼廠將磷含量控制在不高于0.035%，并在材質(zhì)證明書中注明檢測值。由表3可見，1.4315不銹鋼與S30408不銹鋼的抗拉強度、伸長率相當(dāng)，但1.4315不銹鋼的屈服強度比S30408不銹鋼高20%以上;因此，在壓力和直徑相同的條件下，采用1.4315不銹鋼板材的內(nèi)容器壁厚較采用S30408不銹鋼板材薄1 mm，質(zhì)量減輕約670 kg，輕量化效果顯著。

2.3 內(nèi)外容器支撐結(jié)構(gòu)

內(nèi)外容器支撐結(jié)構(gòu)是傳遞內(nèi)外容器載荷的重要通道，同時也是容器主要的漏熱通道。鑒于鐵路沖擊工況條件嚴(yán)苛（LNG鐵路罐箱慣性載荷達(dá)4.5€譯）且鐵路LNG罐箱絕熱指標(biāo)要求較高（要求維持時間不低于90 d），為滑動支撐和固定支撐設(shè)置不同直徑的環(huán)氧玻璃鋼管支撐，并采用有限元分析計算[2]，設(shè)計新型支撐罩結(jié)構(gòu)。LNG罐箱內(nèi)外容器傳統(tǒng)支撐罩結(jié)構(gòu)和新型支撐罩結(jié)構(gòu)分別見圖1和圖2。與傳統(tǒng)支撐罩相比，新型支撐罩的導(dǎo)熱路徑延長1/2，從而使環(huán)氧玻璃鋼管支撐漏熱量減少約1/3，并避免支撐罩與外殼連接的結(jié)構(gòu)突變，從而減小局部應(yīng)力;同時，延長支撐與外殼的焊縫長度，從而大大降低焊接熱輸入對支撐材料性能的影響，進(jìn)一步保證支撐結(jié)構(gòu)安全、可靠。

2.4 側(cè)部加排設(shè)計

現(xiàn)有移動式LNG罐箱產(chǎn)品加排管路大多集中布置在端部，需要占用罐箱長度空間，不僅限制罐體長度，而且影響運輸安全。為了使新型多式聯(lián)運LNG罐箱實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)1AA型集裝箱尺寸下容積最大化，設(shè)計側(cè)部加排管路（見圖3），為增加罐體長度留出空間，使罐箱容積達(dá)到45.8 m3。側(cè)部加排管路設(shè)計能夠大大降低罐箱運輸安全隱患，有利于減輕公路運輸追尾事故對罐箱造成的損害，同時解決了鐵路運輸過程中平車端部擋鐵導(dǎo)致罐箱端部箱門無法打開的問題，既具有一定經(jīng)濟(jì)性，又提升了罐箱使用安全性。

2.5 安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

現(xiàn)有移動式LNG罐箱產(chǎn)品安全監(jiān)測原理如下：從差壓液位計的氣相管、液相管引出支路通向變送器，實現(xiàn)液位、壓力、位置等信息傳送，但顯示結(jié)果受罐箱自身管路結(jié)構(gòu)的影響較大。變送器一般不具備溫度測量功能，無法與壓力測量值互相對照，從而難以保證安全監(jiān)測效果;即使是極少數(shù)帶有溫度測量功能的罐箱，由于其采用直接測量介質(zhì)溫度的方式，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，存在介質(zhì)泄漏和真空失效的風(fēng)險。

為了進(jìn)一步保證安全監(jiān)測效果，新型多式聯(lián)運LNG罐箱設(shè)計單獨測溫管路（見圖4），配合多變量變送器及其測溫元件，實現(xiàn)罐箱壓力、溫度、液位、位置等參數(shù)現(xiàn)場顯示和遠(yuǎn)程實時在線監(jiān)測。測溫管路使內(nèi)容器介質(zhì)與夾層空間和外界環(huán)境隔離，與直接測量介質(zhì)溫度的測溫方式相比，通過測溫元件測量內(nèi)容器測溫管路內(nèi)壁的測溫方式既不需要預(yù)埋測溫元件，也不需要設(shè)計專門的真空密封結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便的優(yōu)點，同時可降低介質(zhì)泄漏風(fēng)險。測試新型多式聯(lián)運LNG罐箱維持時間，記錄罐箱直通式壓力表測量數(shù)據(jù)及變送器壓力、溫度測量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄持續(xù)132 d，變送器測量數(shù)據(jù)偏差約為2%，滿足在線安全監(jiān)測要求。

3 新型多式聯(lián)運LNG罐箱試驗

按照冷凍液化氣體罐箱要求，對新型多式聯(lián)運LNG罐箱進(jìn)行強度試驗、密封性試驗、低溫性能試驗、船級社型式試驗;若要參與鐵路運輸，還須按照鐵路主管部門的要求進(jìn)行鐵路沖擊試驗和LNG維持時間試驗。新型多式聯(lián)運LNG罐箱設(shè)計完成并經(jīng)試驗合格后，方能取得鐵路運輸LNG資質(zhì)。

3.1 氣壓、氣密試驗

在新型多式聯(lián)運LNG罐箱制造過程中，真空夾層形成前后分別按1.04 MPa和0.94 MPa氣壓標(biāo)準(zhǔn)對罐體及其管路實施氣壓試驗;氣壓試驗合格并且所有安全附件、管路組裝完成后，再進(jìn)行0.70 MPa氣壓下氣密試驗。

3.2 船級社型式試驗

新型多式聯(lián)運LNG罐箱制造完成后，在中國船級社監(jiān)督下實施堆碼、吊頂、吊底等靜強度試驗和動態(tài)縱向撞擊試驗（見圖5），試驗結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 靜強度和鐵路沖擊試驗

新型多式聯(lián)運LNG罐箱靜強度和鐵路沖擊試驗（見圖6）委托北京交通大學(xué)實施，試驗結(jié)果表明：框架及其與罐體連接部位均能滿足運行中靜載荷及調(diào)車速度8.0 km/h沖擊載荷工況下的強度要求。

3.4 低溫性能型式試驗

新型多式聯(lián)運LNG罐箱低溫性能型式試驗委托國家低溫容器質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心實施，試驗結(jié)果顯示：各項指標(biāo)均滿足NB/T 47059―2017《冷凍液化氣體罐式集裝箱》的要求。此外，根據(jù)中國國家鐵路集團(tuán)有限公司LNG罐箱試運要求，實施充裝LNG維持時間試驗，試驗維持時間為132 d，遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)要求的LNG維持時間不低于90 d 。新型多式聯(lián)運LNG罐箱低溫性能型式試驗指標(biāo)見表4。

3.5 小結(jié)

各項試驗結(jié)果表明，新型多式聯(lián)運LNG罐箱結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，其強度、剛度、低溫性能等各項指標(biāo)均滿足鐵路、公路、水路運輸及多式聯(lián)運要求。

4 結(jié)束語

新型多式聯(lián)運LNG罐箱滿足公路、鐵路、水路運輸及多式聯(lián)運要求，其自重與同類產(chǎn)品相當(dāng)，而容積卻達(dá)到45.8 m3，載質(zhì)量更大;同時，其低溫性能遠(yuǎn)超同類產(chǎn)品，安全監(jiān)測系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計間接溫度測量結(jié)構(gòu)，有效提高LNG運輸安全性和便利性。目前，

新型多式聯(lián)運LNG罐箱已通過鐵路主管部門的安全評價，基本具備鐵路試運條件，下一步需要多方配合開展試運研究，制定相應(yīng)的鐵路運輸規(guī)范和安全管理規(guī)定，從而實現(xiàn)新型多式聯(lián)運LNG罐箱運輸?shù)纳虡I(yè)化運營。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐烈，朱衛(wèi)東，湯曉英. 低溫絕熱與貯運技術(shù)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1999：42-45.

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

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2021-08-30）