铝合金液化天然气罐式集装箱的设计

铝合金液化天然气罐式集装箱的设计　张　生　高　（苏州华福低温容器有限公司，江苏省苏州市２１５１２８）　摘要：液化天然气罐式集装箱是运输液化天然气的重要设备。文章介绍了铝合金液化天然气　罐式集装箱的设计参数，针对罐体内筒主体材料采用铝合金复合材料及焊接结构进行探讨，并分　析了内筒采用５０８３铝舍金的效益优势。　关键词：液化天然气；移动式容器；复合材料　中图分类号：ＴＥ９７６　文献标识码：Ａ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ　ｎａｔｕｒａｌ　ｇａｓ　ｃｏｎｔａｉｎｅｒ　ｗｉｔｈ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ａｌｌｏｙ　Ｚｈａｎｇ　Ｓｈｅｎｇ—ｇａｏ　（Ｓｕｚｈｏｕ　Ｈｕ￣ｆｕ　Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ　Ｖｅｓｓｅｌ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｕｚｈｏｕ　２１５１２８，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ　ｎａｔｕｒａｌ　ｇａｓ　ｃｏｎｔａｉｎｅｒｓ　ａｌｌ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ　ｆｏｒ　ｔｒａｎｓｐｏｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ　ｎａｔｕｒａｌ　ｇａｓ　Ａｆｔｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ａｌｌｏｙ　ｃｏｎｔａｉｎｅｒ　ｆｏｒ　ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ　ｎａｔｕｒａｌ　ｇａｓ　ｔａｎｋｓ，ｗｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ａｄｏｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ａｌｌｏｙ　ｃｏｍｐｏｕｎｄ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｉｎｎｅｒ　ｔａｎｋ　ｂｏｄｙ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ａｎｄ　ａｌｓｏ　ｔｈｅ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｔａｎｋ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｗｈｉｃｈ，ｗｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｆｏｒ　ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ａｌｌｏｙ　５０８３　ａｓ　ｔｈｅ　ｉｎｎｅｒ　ｔａｎｋ　ｍａｔｅｒｉ１．ａ　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ　ｎａｔｕｒａｌ　ｇａｓ；Ｍｏｂｉｌｅ　ｔｎｋ；Ｃｏｍｐｏｕｎｄ　ｍａｔａｅｒｉａｌ　１铝合金液化天然气罐式集装箱简介　铝合金液化天然气罐式集装箱，主要用于大容　量运输液化天然气。笔者设计的罐式集装箱一次运　输液化天然气３２４００ｍ　（０￣Ｃ，１０１．３２５ｋＰａ），折合　液态天然气５４　。液化天然气在常压（１０１．３２５ｋＰａ）　下，沸点为一１６１．２￣Ｃ，密度４２６ｋｇ／ｍ３，是一种易燃　２设计参数　２．１低温液体贮槽　工作压力（内筒／外筒）：０．６５／一０　１ＭＰａ；　设计压力（内筒／外筒）：０．７５／一０．１ＭＰａ；　设计温度（内筒／外筒）：一１９６￣Ｃ／常温；　焊接接头系数（内筒／外筒）：０．９５／０．８；　腐蚀裕量（内筒／外筒）：０／１ｍｍ；　低温液化气体，因此要求该容器耐低温、绝热性能　好、自身质量小、支承牢固。　本罐式集装箱由低温液体贮槽与集装箱框架构　成，装载在汽车、船上，实现陆路、水路运输。目　前国内用于运输液化天然气的罐式集装箱，最大尺　主体材质（内筒／外筒）：５０８３铝合金／１６ＭｎＲ；　全容积：６０　ｍ　；　充装介质：ＬＮＧ；　充装质量：２３０００ｋｇ；　寸为１２．８ｍ（约４２ｆｔ），容积为４０ｍ　，内、外筒均　为钢结构。由于自身质量大，运输液化天然气少，　经济效益不高。容器的止推支承是在容器前后端设　置悬臂式钢结构支承，因而导热损失大，在充装液　充灌率：９０％；　槽体质量：１０７６０ｋｇ；　内筒耐压（气压）试验压力：０．８７ＭＰａ；　内筒气密性试验压力：０．７５ＭＰａ；　外形尺寸（直径×壁厚×长度）：　２４１２ｍｍ×　化天然气后外筒壳壁上有结霜现象。　收稿日期：２００５．０９．２８；修回日期：２００６．０２．２３　作者简介：张生高（１９６６一　），男，高级工程师，１９８９年毕业于甘肃工业大学化工设备与机械专业，一直从事低温贮　运设备技术工作。　・４７－　维普资讯 http://www.cqvip.com

６ｍｍ×１６７０３ｍｍ（直径为外筒外径，内筒直径为　２２００ｍｍ）。　２．２低温液体罐式集装箱　外部尺寸（长×宽Ｘ高）：１７１２０ｒａｍ×２４３８ｍｍ　Ｘ　２５９１ｍｍ（宽度、高度均为标准集装箱尺寸）；　最大总质量：３４２６０ｋｇ；　空箱质量：ｌ１２６０ｋｇ；　最大载重：２３０００ｋｇ；　允许堆码质量：１９２０００ｋｇ；　无损贮存时间：６０ｄ。　３材料选择与对比　根据２００４年颁布的国家强制性标准ＧＢ　１５８９　《道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值》规定，具　有六轴汽车列车最大允许总质量限值为４９０００ｋｇ。　因此，只有减少容器的自身质量，才可在不超载的　前提下达到多装液化天然气的目的。改变内筒的材　料是减轻自身质量的途径之一。　罐体部件的材料及性能见表１。　表１　罐体部件的材料及性能　内直筒　内封头　参　数　０Ｃｒｌ８Ｎｉ９　５０８３　０Ｃｒｌ８Ｎｉ９　５０８３　屈服强度／ＭＰａ　２Ｏ５　ｌｌ０　２０５　ｌｌ０　抗拉强度／ＭＰａ　５２０　２７０　５２０　２７０　许用应力／ＭＰａ　１３７　６７　１３７　６７　名义厚度／ｍｍ　８　１４　ｌ０　１６　质量／ｋｇ　６５８８　３９３６　４２４．２　２３２　夹套和框架材料及性能见表２。　表２夹套和框架材料及性能　外直筒　外封头　框架　参　数　１６ＭｎＲ　１６Ｍｎ　屈服强度／ＭＰａ　３４５　２７５　抗拉强度／ＭＰａ　５ｌＯ　４５０　许用应力／ＭＰａ　１７０　１５０　名义厚度／ｍｍ　６　６　６　质量／ｋｇ　５６００　３８０　５ｏ０　５０８３铝合金的许用应力近似奥氏体不锈钢　０Ｃｒｌ８Ｎｉ９的１／２，而密度仅为０Ｃｒｌ８Ｎｉ９的１／３。在　满足强度相同的条件下，用５０８３铝合金作为内筒　的材料将比用０Ｃｒｌ８Ｎｉ９减轻质量２／５。根据《国际　・４８　・　海运危险货物规则》的规定，外筒材料只能选用低　合金钢。　’　４结构设计　整个低温液体贮槽由两种不同类型的金属材料　——铝合金和低合金钢组成，有两个关键结构需要　解决。　４．１止推支承结构　低温液体贮槽在运输过程中，经受较大的冲击　载荷时，要求牢固不能产生任何位移，特别在２Ｒｇ　（　为内筒质量与低温介质质量之和，ｇ为重力加　速度）惯性力作用下，支承座不能变形、损坏；同　时要求保证良好的绝热性能。　该液化天然气罐式集装箱的外形尺寸为１７．１ｍ　（约５６ｆｔ），几何容积６０ｒｎ３。内筒材料为５０８３铝合　金，外筒材料为１６ＭｎＲ低合金钢，采用高真空多　层绝热，夹层真空度为不小于３　Ｘ　１０～Ｐａ。结构如　图１所示。　图１结构简图　内筒与外筒之间采用３组支承，每组４个，呈　４５。布置，用于承受上、下、左、右的载荷。其中１　组还可承担前、后方向的冲击载荷，称之止推支　承，其余两组前、后方向可自由伸缩。汽车在起动　和刹车时，都会产生前、后方向的冲击载荷，支承　座如果用铝合金，很容易变形和破坏。因此，具有　止推功能的支承是利用复合材料原理将不锈钢支座　焊在垫板上。止推支承结构如图２所示。环氧玻璃　布棒一端插入不锈钢支座，另一端与外筒支座相　连，在封板与环氧玻璃布棒之间放置多层环氧玻璃　布板，以增加绝热效果。　４．２管道过渡结构　内筒盛装的液化天然气需经过低温管路（材质　０Ｃｒｌ８Ｎｉ９）从内筒（材质５０８３铝合金）输送出外筒　（材质低合金钢），利用复合材料原理将不锈钢过渡　管接头焊在复合加强板的一侧（材质０Ｃｒｌ８Ｎｉ９），　复合加强板另一侧（材质５０８３铝合金）与内筒焊　维普资讯 http://www.cqvip.com

内筒　标准：　（１）ＧＢ　１５０《钢制压力容器》；　（２）ＧＢ／Ｔ　１６５６３《系列１：液体、气体及加压　干散货罐式集装箱技术要求和试验方法》；　（３）ＧＢ／Ｔ　１４１３《系列１：集装箱分类、尺寸和　额定质量》；　（４）ＧＢ／Ｔ　１８３６《集装箱代码、识别和标记》；　（５）ＧＢ／Ｔ　１８３５《集装箱角件的技术条件》；　（６）ＪＢ／Ｔ　４７８０《液化天然气罐式集装箱》；　图２止推支承结构　（７）中国船级社《集装箱检验规范》；　（８）国际海事组织《国际海运危险货物规则》；　（９）国家质量技术监督局《压力容器安全技术　监察规程》。　内筒采用５０８３铝合金和０Ｃｒｌ８Ｎｉ９奥氏体不锈　钢，产品成本几乎接近，但运输液化天然气经济效　益特别突出，按每１　ｍ３天然气赢利０．３元计，如果　接，低温管道穿过不锈钢过渡管接头与之焊接。管　道过渡结构如图３所示。为了保证密封性和夹层高　真空不致泄漏，在复合板两种材料接缝四周喷涂金　属。　内筒　复合板　／　ｆ　内筒采用０Ｃｒｌ８Ｎｉ９奥氏体不锈钢，低温液体罐式　集装箱容积最大做到４０ｍ３；而内筒采用５０８３铝合　Ｉ　＼、　Ｉ　７　金，低温液体罐式集装箱容积最大做到５４ｍ３，每　次运输可多装８４００ｍ３天然气（０￣Ｃ，１０１．３２５ｋＰａ），　………Ｉｌ………＿．＿＿．…Ｉ、＞　，可多赢利２５２０元。若按每月出车４次计算，多赢　利１００８０元，每年多赢利１２．０９６万元。　６结束语　图３管道过渡结构　该液化天然气罐式集装箱在选材和结构上进行　了创新，首次选用５０８３铝合金，使容积做到了国　内最大，外形尺寸及质量参数满足现有国家标准和　规范。市场前景看好。　５设计制造标准及经济性分析　铝合金液化天然气罐式集装箱设计制造依据的　※　※　※　杭氧股份取得挪威船级社颁发的环境、　职业健康安全管理体系认证证书　杭氧股份有限公司建立的环境（ＩＳＯ　１４００１）、职业健康　安全（ＯＨＳＡＳ　１８００１）管理体系，于２００５年年底经过挪威船　级社（ＤＮＶ）的认证以后，在最近收到了挪威船级社总部　颁发的认证证书。　认为杭氧股份有限公司制定的目标和管理方案是切实有效　的，管理体系结构合理，运行正常，符合标准要求，文件　和作业指导书充分可操作，没有发现一类不合格项，已初　步建立了一个自我完善、自我监测、自我激励、自我约束、　能够持续改进的管理机制。同时，ＤＮＶ专家要求杭氧股份　目前采用先进的、科学的环境及职业健康安全管理标　准，已逐渐成为企业进入国际市场的基本要求或通行证。　２００５年ｌ１月，ＤＮＶ派出３名审核员对杭氧股份有限公司刚　有限公司按标准要求继续健全和完善管理体系，加强管理，　不断改进，努力实现公司制定的方针目标。　刚建立的环境、职业健康安全管理体系进行全面的审核，　本　刊　・４９・