40英尺液化天然气罐式集装箱的研制

1、40英尺液化天然气罐式集装箱的研制40英尺液化天然气罐式集装箱的研制王明富.易希朗四川空分设备(集团)有限责任公司容器公司,四川省简阳市建设中路239号641400摘要:简介了40英尺LNG罐式集装箱的技术参数,流程和结构;对真空多层绝热罐式集装箱进行了漏热量计算;阐述了内,外容器支撑和框架结构的设计,在制造过程中为保证真空度和清洁度而采取的措施以及型式试验情况;分析了40英尺LNG罐式集装箱的优点.关键词:低温贮运设备;罐式集装箱;结构;制造中图分类号:TB658文献标识码:ADevelopment0f40.footLNGpotcontainerWangMingfu.YiXilangVess

2、elCompany,SichuanAirSeparationPlant(Group)Co.,Ltd.,239JianshezhongRoad,Jianyang641400.Sichttan.P.R.ChinaAbstract:Abriefintroductionofthespecification,processandstructureof40-footLNGpotcontainerisfollowedbyapresentationofthethermalleakageofthevacuummuhilayerinsulationpotcontainer.Thedesignofinnerando

3、utersupporterandshelfstructure,themeasuresforensuringthevacuumandcleannessduringfabrication,andthetypeapprovaltestaredescribedindetails.Theadvantagesofthe40-footLNGpotcontainerarealsoanalyzed.Keywords:Cryogenicstorageandtransportationdevice;Potcontainer;Structure;Fabrication,/总质量按国际标准进行设计,制造,可以水,陆联运

4、,其结构如图1所示.1.1技术参数40英尺LNG罐式集装箱主要技术参数见表1.1.2设计,制造及检验标准40英尺LNG罐式集装箱设计,制造及检验遵循以下标准要求:GB1501998钢制压力容器;JB/T4780-2002液化天然气罐式集装箱;GB/T1413-1998系列1集装箱分类,尺寸和额定质量;GB/T16563-1996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;GB/T18443.118443.520o1低温绝热压力容器试验方法;中国船级社集装箱检验规范;国际海运危险货物规则(2000版).前言使用清洁能源是社会可持续发展的需要.天然气热值高,污染少,是理想的清洁能源.

5、随着我国天然气工业,特别是液化天然气(LNG)工业的迅速发展以及道路运输条件的不断改善,市场对LNG贮运设备的需求日益增多.降低运输成本,提高运输效率,是设备制造厂和运输行业的共同目标.由于罐式集装箱机动,灵活,因此是LNG理想的运输工具.四川空分设备(集团)有限责任公司(以下简称:川空)已成功研制出40英尺LNG标准罐式集装箱.140英尺LNG罐式集装箱技术参数,流程和结构介绍40英尺LNG罐式集装箱外形尺寸和最大营运收稿日期:2006.06.O1;修回日期:2006.07.31作者简介:王明富(1971一),男,工程师,1993年毕业于哈尔滨电工学院热能工程专业,现在四川I空分设备(集团)

6、有限责任公司从事低温容器研制,压力容器审核工作.?36?图140英尺LNG罐式集装箱结构图(单位:mm)l一阀门仪表箱2一端框3一气控箱4一底纵梁5一内容器防波板6一内容器7一多层绝热体8外容器表140英尺LNG罐式集装箱主要技术参数项目内容器外容器容器类别三类有效体积/m4010.2(夹层体积)贮运介质LNG设计压力/MPa0.870.1(外压)工作压力/MPa0>一0.1(外压)设计温度/oCl9650工作温度/oCl62环境温度耐压试验压力(气压)/MPa1.040.2(内容器同时气密性试验压力/MPa0.87持压0.1MPa)安全阀开启压力/MPa0.74主体材质0Crl

7、8Ni916MnR腐蚀裕量/mm01.0主体对接接头系数1O.85主体对接接头无损检测比例100%20%根据营运质量充满率及运输时间筒壳/mm77.75设计厚度封头/mm78绝热形式高真空多层绝热空箱质量/kg16500最大营运总质量/kg3O480注:根据用户需要,当最大营运总质量大于30480kg时,罐式集装箱需按超重进行型式试验和标记.1.3结构4JD英尺LNG罐式集装箱由罐体,阀门仪表箱,气控箱及框架等构成.1.3.1罐体罐体是贮运LNG的低温绝热容器,由内,外容器构成,采用高真空多层绝热.为了减少运输时液体对罐体的冲击力,内容器设置了防波板.内容器上的工艺管道在夹层内布置成空间结构,

8、在低温工况下各管道具有自补偿能力.运用CAESARII软件,对全部管道在各种工况下的应力进行了校核,确保LNG罐式集装箱的安全.夹层内放置吸附剂(分子筛),保证罐体的真空寿命足够长.内容器通过8只径向支撑固定于外容器内.在内容器有管道引出的一端设置固定支撑座,另一端设置滑动支撑,满足内容器在低温工况下的冷缩需求.外容器上设有真空度检测口,利用规管及真空计定期检测罐体夹层真空度.1.3.2阀门仪表箱阀门仪表箱为箱式结构,位于40英尺LNG罐式集装箱的门端.仪表,阀门及安全附件布置在其中.1.3.3气控箱气控箱布置在4JD英尺LNG罐式集装箱侧面,内装控制气源贮气筒,压力表和手动阀等.当40英尺L

9、NG罐式集装箱出现火灾等紧急状况,而操作人员又不能接近操作箱时,可通过气控箱内的手动阀对紧急切断阀进行远程关闭操作.1.3.4框架框架由角件,横端梁,角柱,底纵梁,载荷传递区及罐体与框架连接板构成.罐体与框架采用端?37?支撑结构.1.3.5安全措施LNG属易燃易爆介质,设计上采取如下安全措施:紧急切断控制措施,阻火器,吹扫置换系统,S2导静电接地装置和灭火装置.1.4流程40英尺LNG罐式集装箱流程如图2所示.G1L3V6=卜_阁一籼口V婪/Is1lE1TV5v4气体回收口C><+一V7V3M强气妇出口.源进口图240英尺LNG罐式集装箱流程图vl一下部进液阀v2

10、一上部进液阀v3,v4一气体通过阀V5一三通阀V6一液相紧急切断阀V7一气相紧急切断阀v8一高真空隔离阀vv一抽空阀Ml一控制气源进口阀M2一二位三通阀Gl,G2一压力表阀sl一内容器安全阀s2一外容器防爆装置Ll一液面计下阀L2一平衡阀L3一液面计上阀MV一测满阀El一放空阀R一规管Pl,P2一压力表LG一液面计B一控制气储气罐D.一放空阻火器40英尺LNG罐式集装箱由进排液系统,进排气系统,吹扫置换系统,仪控系统,紧急切断阀与气控系统,安全系统,抽空系统和测满分析取样系统组成.240英尺LNG罐式集装箱漏热分析2.1高真空多层绝热结构漏热量热传递有传导,对流和辐射3种方式.在高真空条件下,

11、多层绝热结构漏热方式主要为辐射传热.高真空多层绝热就是在绝热空间内安装许多平行于冷壁的辐射屏,来降低辐射传热量.由多层绝热原理(如图3所示)可知:在热壁温度,冷壁温度+:的两壁间,安装r/,个辐射屏,当达到热平衡时,通过各屏的面积热流量q相等,即q=q=q:=q+.,假设各屏的发射率e相同,则q.=t(一)(1)q:=t(一)(2)qq+1=d(1+i一1+2)(3)+d+一n+j,整理得:?38?q:(一+:)1n+2式中:q面积热流量,w/IIl2;斯蒂芬一玻尔茨曼常数;e发射率(黑度).qlq2壁(4)l1l+l1+2图3多层绝热原理图根据式(4)可知:多层绝热的辐射传热量与辐射屏的发射

12、率e和冷热壁间安装的辐射屏数量r/,有关.辐射屏发射率s越小,辐射传热量越小.辐射屏通常选用铝箔,镀铝涤纶薄膜等.为了避免相邻两个有温差的辐射屏直接接触,需在辐射屏间设置低热导率的间隔物.间隔物有植物纤维×冷,壁熟纸,玻璃纤维布和尼龙网等.镀铝涤纶薄膜抗张强度好,施工方便,通常用它作辐射屏;间隔物选用低温隔热纸.随着反射屏数量Tt增加,多层绝热辐射传热量会减少;但随着层数增加,抽真空时层间阻力增大,因而存在最佳层数.通过试验来确定绝热体多层包扎层数.辐射传热与多层绝热体层密度有关.当绝热体层密度增加,即增加单位厚度绝热层中反射屏的数目时,辐射热流将减少,但相应地固体热传导增大.通过试

13、验求得最佳多层层密度.漏热量还与多层材料的种类及其组合相关.双面镀铝涤纶薄膜多层绝热性能参数见表2.表2双面镀铝涤纶薄膜多层绝热性能参数多层厚度层密度热壁,冷壁表观热导率间隔物/mm/(层/era)温度/K/W/(m?K)植物纤维纸25.537.53oo,771.85x10玻璃纤维布25.4263o0,771.65X10尼龙纱巾布24.2293o0,771.4X102.2热桥漏热量热桥包括罐体夹层空间里的管道,撑.其漏热量按式(5)计算Q=鲁A式中:Q传热量,w;内容器支(5)热桥材料在温区内的平均热导率,W/(In?K);热桥计算长度,m;A热桥横截面积,m;AT热桥两端温差,K.2.3罐式

14、集装箱总漏热量罐式集装箱总漏热量为多层绝热体漏热与热桥漏热量之和,见表3.表340英尺LNG罐式集装箱漏热量w总漏热量多层漏热量支撑漏热量管道漏热量16381.279.62.2占总漏热量的百分比49.5%48.9%1.6%注:按液体甲烷标准沸点一162%,环境温度0计算.3内,外容器支撑设计支撑设计是LNG罐式集装箱的关键技术.由表3可知:因多层热导率较小,通过多层绝热漏入罐式集装箱内容器的热量较小,支撑漏热量已接近多层绝热体的漏热量.由式(5)可知:要减少支撑漏热量,可采用低热导率的支撑材料,减小支撑的横截面积及增加支撑长度等方法;在强度方面,支撑要承受内容器在运输过程中的各向设计动载荷.为

15、此,要求支撑短,横截面积大,并具有一定的机械强度.机械强度与减小漏热量对支撑的要求相反,故需对支撑选材和结构进行优化设计.参考有关资料:支撑选用耐低温且绝热性能较好的环氧玻璃钢管.4框架结构设计框架要承受罐式集装箱在运输过程中的各项载荷,在进行结构设计时,运用有限元分析软件,对框架结构及外壳进行应力校核;同时对各个构件进行优化,在保证框架结构安全的前提下,尽量减轻框架质量,增加LNG罐式集装箱的装载质量.框架及罐体结构应力分析,结果表明:在最大工作负荷加动载荷下,罐式集装箱结构强度满足国际海运危险货物规则要求.5制造工艺5.1真空度要求多层绝热LNG罐式集装箱夹层真空度只有在低于0.01Pa时

16、,热导率趋于恒定值,绝热效果最佳.为此需采取以下措施:(1)内,外容器各焊接接头需氦质谱检漏,其总漏率小于6×10Pa?m3/s;(2)夹层抽真空时,用70%-90%的热氮气进行置换处理,可加快多层材料放气,缩短抽真空时间;(3)吸附剂必须经450%活化处理,确保低温下的吸附能力和LNG罐式集装箱夹层在正常使用期间保持高真空状态.5.2清洁度要求绝热空间清洁度直接影响抽真空进度和绝热效果,面向夹层的表面必须进行严格的除锈,除油,脱脂和干燥等工艺处理,保证外容器复合后,真空夹层内不得有污物,灰尘等杂质.多层包扎时,施工人员应戴帽子,口罩及手套,防止汗渍等污染多层材料.在配备除湿机的专用

17、洁净包扎间内进行绝热材?39?料包扎工作,避免绝热材料在包扎过程中吸潮,增加抽真空时绝热材料的放气量.5.3多层包扎多层包扎在多层材料缠绕机上连续进行,防止绝热材料与空气接触时间过长.多层材料包扎时松紧适度,同时防止反射屏直接接触,增加热传导.在多层绝热体上开适量小孔,便于抽真空时多层材料排气.5.4框架焊接为满足运输,吊装需要,LNG罐式集装箱外形和角件位置尺寸要求甚严.框架与罐体焊接前,角件预先用工装定位,连接件装配间隙要适当,按合理的焊接顺序和焊接工艺进行施焊,防止构件产生过大焊接变形.6型式试验6.1强度型式试验40英尺LNG罐式集装箱样箱进行了结构强度,刚度试验,并由中国船级社进行监

18、检,各项试验结构均满足集装箱检验规范要求,并取得中国船级社颁发的可移动罐柜认可证书.6.2低温型式试验该试验委托国家低温容器质量监督检验中心进行.试验内容包括封口真空度,夹层漏气速率,夹层漏放气速率,低温下夹层真空度及静态无损贮存时间试验.各项性能指标均优于国家标准要求.该中心出具了检验报告,并报国家质量监督检验检疫总局备案.低温性能试验结果见表4.静态无损贮存时间一罐箱压力曲线如图4所示,静态无损贮存时间达到45天.此曲线已换算成环境温度为30"(2,压力为101.325kPa时的静态无损贮存,充装率为90%,试验介质为液氮.表4低温性能试验值项目试验值JB/T4780-2002标

19、准值夹层漏气速率/(Pa?m3/s)1.0×10一6.0×10夹层漏放气速率/(Pa?m/s)1.0×10-66.0×10一静态蒸发率(液氮)/dO.25%0.30%低温下夹层真空度/Pa5.8×101×10一?40?蔓蜒鲻静态无损贮存时间/d图4静态无损贮存时间一罐箱压力曲线图740英尺LNG罐式集装箱的优点7.1真空多层绝热与真空粉末绝热LNG罐式集装箱比较40英尺真空多层绝热与真空粉末绝热LNG罐式集装箱参数对比见表5.表5真空多层绝热与真空粉末绝热LNG罐式集装箱参数表项目真空多层绝热真空粉末绝热夹层厚度/nan1oo2oo夹

20、层体积/m310.217.2内容器有效体积/m34033绝热材料质量/kg3501350有效热导率/W/(m?K)1.65×10一1.7×10空箱质量/kg1650017500装载质量/kg1398012980蒸发率/dO.19%0.31%7.2真空多层绝热LNG罐式集装箱的优点(1)日蒸发率低,绝热效果好.真空多层绝热真空度一般要求低于0.01Pa,此时夹层中残余气体分子对流传热甚小,可忽略不计.而真空粉末绝热真空度为166Pa,存在残余气体对流传热.真空多层绝热由于采用许多辐射屏,辐射传热比真空粉末绝热小许多.故真空多层绝热有效热导率比真空粉末绝热小得多,两者相差约10

21、0倍.真空多层绝热LNG罐式集装箱因漏热量小,无损贮存时间比真空粉末绝热要长.适合于远距离,长时间运输.(2)运输方式更加方便,灵活.真空多层绝热LNG罐式集装箱适用于公路,水路及其联运,运输方式比单一的LNG汽车罐车方便,灵活,适应能力大大提高.(3)运输率高,节约运输成本.真空多层绝热LNG罐式集装箱夹层厚度比真空粉末绝热夹层厚度小100ram,绝热空间相应减小7rn3.空箱质量比真空粉末绝热结构小约1000kg,装载质量比真空粉末绝热结构大,运输成本低.(4)使用寿命长,维护简单.真空粉末绝热LNG贮运设备因行驶时的振动和内容器的冷缩,会导致绝热材料(通常为珠光砂)下沉,影响绝热效果.罐

22、体夹层每隔一段时间需补装珠光砂并重新抽真空;而真空多层绝热结构就不存在此问题.当夹层真空度高于0.01Pa时,补抽真空即可,从而大大地降低了维护费用.8结束语由试验结果可知:40英尺LNG罐式集装箱漏热分析及结构设计合理,框架结构经有限元应力分析安全可靠.选用国产多层绝热材料,可缩短制造周期,降低制造成本.随着多层绝热材料包扎及抽真空工艺的成熟以及市场对LNG贮运设备需求的增加,40英尺LNG罐式集装箱在LNG产业链中有着广阔的应用前景.参考文献:1舒泉声,等.低温技术与应用M.北京:科学出版社,1983.2化学工业部第四设计院.深冷手册M.北京:化学工业出版社,1973.3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,1999.4JB/T4780-'-2002液化天然气罐式集装箱S.5国际海运危险货