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低温绝热压力容器之LNG集装箱

一、概述


LNG(液化天然气)集装箱作为LNG的运输载体,已经首次进行海陆联运并实现了商业运营,LNG从大连接收站从海上直达至烟台、威海等地,突破传统贸易瓶颈,打破了传统的LNG运输模式,这是LNG运输历史上的又一次重大革新。


首次LNG集装箱海陆联运


二、LNG集装箱简介


笔者接触的早期的LNG集装箱是43英尺LNG集装箱,该箱在40英尺处和43英尺处布置角件,采用40英尺标准集装箱骨架车运输。按照GB1589-2004要求的道路交通外廓尺寸要求,整车长度不能超过13m,我认为当初采用43英尺公路运输集装箱,就是为了考虑以上整车长度限值的要求。


新的GB1589-2016实施了之后,宽度限值更改为2550mm,长度限值更改为13750mm(运送45英尺集装箱半挂车长度最大限值为13950mm)。这个宽度限值2550mm是Ⅱ系列集装箱的宽度,那么LNG集装箱能采用Ⅱ系列吗?标准上明确提出,罐箱的外部尺寸和公差符合GB1413(Ⅰ系列集装箱尺寸)的规定,如果超长、超宽,应按主管部门认可的标准进行设计、制造、检验、验收,并做相应标识。


经过多年的发展历程,LNG集装箱也经历了大变化,大容积、轻量化、增加介质无损储存时间等集装箱设计理念也已经深入人心,采用小夹层设计、侧面的管路布置等结构逐渐的进入了大家的视野。


43英尺LNG集装箱 


             

40英尺LNG集装箱


三、LNG集装箱的设计 


LNG集装箱的设计离不开相应的法规和标准,所涉及到的主要法规和标准分为国内和国际两种,如果罐箱参与国际联运,那么需要同时满足国内和国际相关标准,下面针对标准法规对重点内容作出总结,并提出笔者自己的看法:


3.1 、移动容器与固定容器的主要区别:

(1)材料方面:移动容器需要考虑材料的屈强比

(2)设计方面:计算压力应计入惯性力载荷;最小厚度不低于折算成当量基准钢所要求的最小厚度;外壳设计温度不高于-40℃(NB/T47059与移动规不同);安全阀整定压力为设计压力的1.05~1.1倍(固定容器的基准压力为工作压力)。

(3)结构方面:增加框架;增设防波板。


3.2、移动容器新、老标准之间的主要变化


新标准中对于安全阀设置的要求


3.3、NB/T47059-2017《冷冻液化气体罐式集装箱》中的重点内容介绍:


3.3.1、标准不适用范围:罐体材料为有色金属或非金属,充装标准沸点低于-196℃冷冻液化气体介质。


标准明确要求了不能采用铝合金等有色金属材料,并且不适用液氢、液氦等介质。


3.3.2、常规设计:


(1)焊接系数:内容器1.0,外壳0.85。外壳的合拢B类焊接接头的无损检测按照图样要求。


由于合拢缝多数为封头和筒体之间,采用根部带垫板的连接形式,通常该焊缝的超声检测技术只能达到A级。


(2)材料:明确了奥氏体不锈钢Rp1.0指标,并且要求在设计文件中提出钢板附加检验Rp1.0值时,可采用Rp1.0来确定许用应力。


由于奥氏体不锈钢具有很大的塑性储备,对于筒体来说,较小的变形量不会引发事故,所以采用Rp1.0是在保证安全的前提下,又可以实现罐体的轻量化的有效方法。


(3)腐蚀裕量:外壳内表面一般不考虑腐蚀,当外壳外表面有可靠的防腐可以不考虑腐蚀裕量;无可靠防腐时,其腐蚀裕量不小于1mm。


明确了外壳腐蚀裕量要求,但是没有具体指出防腐参数,没提处参与海运的集装箱应该考虑防盐雾措施。


(4)设计使用年限:罐箱设计使用年限应不少于15年。


罐箱与罐式运输车不同:罐式运输车的使用年限参考机动车强制报废标准规定。


(5)垫片:当采用四氟乙烯垫片时,应选用膨胀或填充改性聚四氟乙烯垫片。


四氟乙烯垫片具有冷流倾向,会出现塑形变形,导致密封失效。


(6)铁素体:管件、封头的过渡段和直边段成形后的铁素体测量值应不大于15%。


奥氏体不锈钢属于不稳定的材料,在机械加工过程中,封头的小过渡段、管路的弯管段以及管件由于晶格受到挤压而产生变形,由面心立方晶格变成体心立方晶格,材料由单纯的奥氏体,变成奥氏体与马氏体共存,由于马氏体不耐低温,在低温的冲击过程中会出现低温断裂,因此针对材料该情况,要对上述位置进行马氏体测量,由于马氏体具有铁磁性,所以可以采用铁素体仪进行测量,标准认为铁素体测量值(马氏体)不大于15%时,则认为该材料能够满足低温相关要求,如果铁素体测量值(马氏体)大于15%时则应重新进行固溶。


(7)夹层吸附剂:真空夹层冷侧应放置在低温、真空状态下对极性分子的气体具有较强吸附性能的吸附剂。热侧放置具备吸氢能力的吸附剂,充装液氧的罐箱不应选用氧化钯。


低温吸附剂主要吸水,常用的5A+13X的组合;常温吸附剂吸氢,常用AG400。


标准中6.4.17.8.5 a)中13A分子筛应该为13X分子筛。


(8)载荷:惯性力载荷:运动方向2g,水平方向1g(运动方向不明确2g),向上1g,向下2g。铁路运输罐箱的原型箱应能承受4g。


运动方向不明确的情况我认为指的是海运。


(9)框架:框架的角柱、端梁及侧梁等主要受力结构件,在-20℃时应具备足够的冲击韧性。-20℃夏比V型缺口冲击试验,冲击吸收能量的平均值KV2不小于27J 。


罐体的设计温度不高于-40℃,而框架的冲击试验温度-20℃,框架这种结构件的设计温度至少要满足-20℃的低温韧性要求。


(10) 标准静态蒸发率指标:有效容积更改为内容器有效容积。


静态蒸发率指标没有变化,但是标准中仍旧没有提出LNG与表格中介质之间的转换公式,只能继续查询JB/T4784标准释义中公式。


针对静态蒸发率指标,标准中只给出总的静态蒸发率指标,并未提出针对单个部件的漏热量限制要求,这会出现单个部件漏热量较大,局部的区域会出现露珠甚至结霜,但是总体计算的漏热量满足要求的情况。


3.3.3、分析设计:


(1)疲劳分析的免除:循环次数总和不超过1万次,其中包括内容器压力波动范围超过50%设计压力的工作压力循环次数。


JB/T4732中给出的疲劳免除条件是循环次数总和不超过1千次,其中包括压力波动范围超过20%设计压力的工作压力循环次数。


(2)夹层支撑、外壳支座等结构件的最大一次局部薄膜应力与一次弯曲应力之和应不大于0.75倍材料常温屈服强度。


在设备分析时需要对夹层支撑(各向同性的金属材料)和外壳支座中最大应力点进行线性化分析,提取局部薄膜加弯曲(PL+Pb)并进行评定。当夹层支撑采用各向异性的非金属材料(环氧玻璃钢棒)制造时,只能采用强度除以相应的安全系数来保证安全性能。



(3)集装箱检验规范-2016中要求:罐式集装箱框架结构一般采用梁单元(Beam element),罐体部分以及罐体与框架的连接部分采用壳单元(Shell element),采用有效厚度进行分析建模,要求4个角件在6个方向的位移均约束(X,Y,Z方向的移动和转动),载荷考虑罐体的压力以及介质对罐体的惯性力。结果评估采用第四强度理论Von Mises合成应力,Re/σ0≥1.5;堆码试验工况,Re/σ0≥1.0。


评定条件中只给出了整体的合成应力许用条件,而罐体与框架的连接处通常会产生过高的局部应力,该处则应另外按照JB/T4732采用应力分类法对其局部高应力区进行评定。

注:以上加粗字体部分仅代表笔者个人观点,并非官方释义。


集装箱吊装    


四、结束语


LNG集装箱承载的不仅仅是个人的利益,更是广大人民群众的安全,所以在LNG集装箱的设计阶段,切记谨慎。


作者简介:孙捷飞,A1、A2、C2、C3级压力容器审核员,从事低温深冷压力容器以及移动式压力容器设计审核工作。本文乃个人原创,禁止转载!

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大师之作,学习进步,向大师看齐!!
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厉害!没有过硬的工作实践写不出来这篇文章
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