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中壓天然氣罐式半掛車罐體的設(shè)計和安全使用

文檔作者：王會賞李毅飛文檔來源： 1．石家莊安瑞科氣體機械有限公司 2西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年01月08日
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TECHNIC FORUM／技術(shù)論壇I 2012103
中壓天然氣罐式半掛車罐體的設(shè)計和安全使用
Design and Safe Application of Mid-pressure Natural Gas Semi-trailer Tank
王會賞’ 李毅飛
W ANG Hui-shang et al
1．石家莊安瑞科氣體機械有限公司 河北石家莊050061
2．西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 陜西西安 710048
摘要：針對目前壓縮氣體運輸半掛車沒有國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的問題，利用ANSYS仿真分析軟件對天
然氣罐式運輸半掛車罐體進(jìn)行了有限元應(yīng)力分析，介紹了中壓天然氣罐式運輸半掛車罐體的設(shè)計思
路，提出了保證安全使用的建議。
關(guān)鍵詞：半掛車永久氣體疲勞載荷載荷工況
Abstract There is no national and industry standard at present， SO finite element analysis have been done
using ANSYS simulation software for mid—pressure natural gas semi—trailer tank，and the design thought
was introduced and the suggestions to guarantee the safe application of mid·-pressure natural gas semi··
trailer tank was put forward．
Key words semi—trailer；permanent gas；fatigue load；load case
中國分類號：U469．5 3．O2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1004—0226(2012)03—0076—03
1 刖置
西氣東輸管線上的天然氣壓力一般不大于4 MPa，屬于中壓天
然氣。目前，天然氣運輸多采用經(jīng)壓縮機壓縮至高壓大容積鋼質(zhì)
無縫氣瓶內(nèi)盛裝，并安裝于半掛車行走機構(gòu)上運輸。由于壓縮機
投資大，且壓縮工序繁雜，增大了使用成本和時間成本。如果管
線中的天然氣不經(jīng)過壓縮機壓縮而直接采用高壓大容積氣瓶運
輸，則帶來了原始投資和運輸成本的增大；如果采用4 MPa大容積
氣瓶，則因工作壓力不高，瓶壁應(yīng)減薄至3．5 rnrfl以下便可滿足使
用要求，但如此薄的大容積氣瓶無法采用熱旋壓工藝加工成型；
如果選用小容積氣瓶運輸，則容重比減小，泄露點增加，運輸效
率降低而浪費能源。因此，開發(fā)適合于中壓天然氣罐式半掛車成
為必然。
天然氣的主要成分是甲烷，屬于永久氣體，永久氣體汽車罐
車是目前一種新興產(chǎn)品，在設(shè)計制造與使用方面與液化氣體罐車
有著諸多區(qū)別，因國家尚未制訂關(guān)于壓縮氣體運輸半掛車的標(biāo)準(zhǔn)
和規(guī)范，必須有針對性地加以研究，正確設(shè)計，合理使用，才能
保證永久氣體罐式半掛車的安全運營。
2一般要求
天然氣罐式運輸半掛車設(shè)計主要包括兩部分：行走機構(gòu)和罐
體的設(shè)計。天然氣罐式半掛車設(shè)計時，外廓尺寸及軸荷必須符合
GB 1589—2004的要求 ，兩軸罐式半掛車總長不得大于13 m，總
寬不得大于2．5 m，總高不得大于4 m，總質(zhì)量不得大于35 t，且應(yīng)
第一作者：王會賞，女，1966年
生，高級工程師，主要從事長管
拖車、汽車罐車、氣瓶等壓力容
器研發(fā)工作。
合理布置罐體及附件，雙后軸最大軸荷不得超過1 8 t，且滿足操作
和運輸要求，保證安全可靠。
天然氣罐式半掛車(含罐體)屬于特種設(shè)備中的移動式壓力容
器 ，受《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》監(jiān)察，因此，須遵守規(guī)程
的要求。另外，行走機構(gòu)和罐體的連接也必須合理布置，通過計
算，保證連接結(jié)構(gòu)的強度和運營的安全。
3罐體的設(shè)計
罐體是天然氣運輸半掛車承受內(nèi)壓和運輸時慣性力的主要部
件，在每次裝卸過程中，罐體一般經(jīng)過0．1N4 MPa的壓力循環(huán)，
屬于承受疲勞載荷的壓力容器，因此，設(shè)計時應(yīng)采用有限元應(yīng)力
分析方法，按照J(rèn)B 4732標(biāo)準(zhǔn)對罐體進(jìn)行整體強度計算和校核。
3．1材料的選擇
罐體的選材應(yīng)選用《鍋爐和壓力容器用鋼板》中的材料，在
我國南方地區(qū)使用的天然氣運輸車，一般使用溫度高于一20~C，
選用Q345R鋼材即可：而在我國北方地區(qū)因冬季溫度有時會低于
一20~C，且在卸氣過程中會出現(xiàn)降溫的現(xiàn)象，故應(yīng)選用
1 6MnDR，以滿足低溫工況，保證材料低溫韌性要求。
3．2考慮各種載荷及工況
3_2_1 3種載荷
設(shè)計時，須考慮3種載荷。
a．內(nèi)壓載荷：因罐體須承受0．1N4 MPa疲勞載荷，因此罐體
的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)符合JB 4732的規(guī)定，進(jìn)行設(shè)計壓力4．1 MPa應(yīng)力分
析和循環(huán)壓力0．1N4 MPa的疲勞評定；
b．自重載荷：包括罐體及正常工作條件下充裝天然氣后的重
力載荷：
c．慣性載荷：天然氣半掛車在運輸過程中的慣性載荷。
3_2．2 4種載荷工況
設(shè)計時，除應(yīng)考慮罐體因內(nèi)壓變化引起的疲勞載荷91、，還應(yīng)
校核在運營過程中慣性載荷下的4種載荷工況 。
工況1：內(nèi)壓+自重+沿運動方向(縱向)、大小為額定質(zhì)量乘
以兩倍重力加速度的慣性力：
工況2：內(nèi)壓+自重+沿與運動方向成直角的水平方向、大小
為額定質(zhì)量乘以一倍重力加速度的慣性力；
工況3：內(nèi)壓+沿垂直向上方向、大小為額定質(zhì)量乘以一倍重
力加速度的慣性力；
工況4：內(nèi)壓+沿垂直向下方向、大小為額定質(zhì)量乘以兩倍重
力加速度的慣性力。
3．3有限元分析模型建立及確定
3．3．1定義材料屬性
材料選用Q345R，該材料的彈性模量 2．0×10 MPa； 泊松
比 =0_3；密度p=7．85×10 kg／m ；設(shè)計應(yīng)力強度[ ]=188 Mpa；
屈服強度[Cro 1=325 MPa。
3．3．2內(nèi)壓和內(nèi)壓引起的疲勞載荷
按照J(rèn)B 4732要求 ，取計算壓力4．1 MPa，對簡體和封頭進(jìn)行
設(shè)計計算，確定計算厚度。對于受內(nèi)壓載荷的總體元件封頭、筒
體，其厚度是按JB 4732的有關(guān)公式計算并向上圓整得到，一次總
體薄膜應(yīng)力強度已得到保證，可不再進(jìn)行應(yīng)力強度校核，僅對凸
緣與殼體連接的幾何不連續(xù)區(qū)域采用有效厚度建立局部實體模
型。采用ANSYS有限元程序，20節(jié)點實體單元(SOLID95)進(jìn)行網(wǎng)
格劃分，厚度方向劃分為3層。施JJD4．1 MPa內(nèi)壓及相應(yīng)約束后進(jìn)
行有限元求解，經(jīng)應(yīng)力線性化后，進(jìn)行不連續(xù)處的應(yīng)力分析； 同
時，對應(yīng)力最大點進(jìn)行疲勞評定。
3．3．3 慣性載荷下的4種工況
對于4種載荷工況中的工況1(縱向)、工況3(垂直向上)、工況
4(垂直向下)， 由于結(jié)構(gòu)及載荷對于軸線在豎直方向的垂直面對
稱，因此，可以取豎直方向1／2的罐體及行走機構(gòu)進(jìn)行實體建模分
析；對于工況2(橫向)承受的載荷為非軸對稱，需用罐體及行走機
構(gòu)整體建模 。由于凸緣不連續(xù)區(qū)域應(yīng)力對慣性動載荷引起的應(yīng)力
影響極小，可以忽略，因此，4種工況均可忽略凸緣結(jié)構(gòu)。需要考
慮的各個元件，均采用有效厚度作為建模厚度。應(yīng)力分析采用
ANSYS有限元程序，罐體采用20節(jié)點SOLID95實體單元進(jìn)行網(wǎng)格
劃分；行走機構(gòu)簡化為剛性梁和彈簧單元，力邊界條件的施加：
a．對于工況l、3~fl4，在垂直剖面上施加對稱邊界條件；
b．在鞍座的底板中心施加ux、uY、UZ約束；模擬行走的彈
簧單元下節(jié)點施]j~uY、UZ約束(半掛車前行方向不必約束)；
TECHNIC FoRuM／技術(shù)論壇1 2012／03
C．對模型分別施加與各工況方向、大小一致的加速度；
d．對模型施加與罐體軸線方向垂直向下的加速度，大小為
g=9．81 m／s ，相當(dāng)于罐體的重力(工況3、4除外)：
e．罐體的內(nèi)表面施加內(nèi)壓為4．1 MPa。
3．4慣性載荷工況下的應(yīng)力分布
罐體(含罐體前、后支座支撐)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1N示。施加力邊
界條件后，按4種載荷工況分別求解，可得出相應(yīng)的SINT應(yīng)力云
圖，如圖2N4。
前支座 凸緣 后支座 人孔
B—B
囤1罐體結(jié)構(gòu)簡圖
S T=515．239
1．052 1 15．316 229．58 343．844 458．107
58．184 172．4 8 286．712 400．976 515．239
圖2工況1應(yīng)力分布云圖
1．044 170．734 340．425 510．1 15 679．806
85．889 255．579 425．27 594．961 764．651
圖3 工況2應(yīng)力分布云圖
S rIl597．798
133．661 266．272 398．882 531．492
67．356 199．966 332．577 465．187 597．798
圈4工況3應(yīng)力分布云圖
TECHNIC FORUM／技術(shù)論壇I 2o12／o3
~qlNT-479．088
1．191 107．39 2l3．589 319．789 425．9髓
54．29 160．49 266．689 372．889 479．088
圍5工況4應(yīng)力分布云圖
3．5安全評定
根據(jù)引起應(yīng)力的原因和對結(jié)構(gòu)強度影響的性質(zhì)不同而對應(yīng)力
進(jìn)行分類，按照J(rèn)B 4732標(biāo)準(zhǔn)，對不同類型的應(yīng)力分別進(jìn)行不同的
限制和評定。通過以上應(yīng)力分布云圖分析，分別得出4種載荷工況
下的應(yīng)力最大值。在4種載荷工況中，工況1和4，最大應(yīng)力點均出
現(xiàn)在支座支撐和罐體連接部位，該點屬于罐體的一部分，兩種工
況下的應(yīng)力最大值均屬于二次應(yīng)力的范疇，應(yīng)按二次應(yīng)力進(jìn)行評
定，小于3倍的設(shè)計應(yīng)力強度即符合標(biāo)準(zhǔn)要求 ，工況1應(yīng)力最大值
為515．239 MPa，工況4應(yīng)力最大值為479．088 MPa，小于3倍的設(shè)
計應(yīng)力強度值564 MPa，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和設(shè)計要求。工況2和3中的
最大應(yīng)力值分別為712．529 MPa和597．790 MPa，兩個最大應(yīng)力點
位置均遠(yuǎn)離罐體的簡體和封頭，分別出現(xiàn)在前支座支撐底板和后
支座支撐的底腳處，且均大于1．5倍屈服強度(487．5 MPa)，不符合
應(yīng)力分析標(biāo)準(zhǔn)要求 ，故判定為不合格。
由于篇幅所限，罐體的疲勞分析和評定略。疲勞分析和評定
結(jié)果為：該罐體能承受0．1-4 MPa疲勞載荷2．2萬次，按每天充放
天然氣3次計算，滿足設(shè)計疲勞壽命為2O年的要求。
3．6改進(jìn)思路和方案
在以上分析和評定中，如果出現(xiàn)任何一項評定不滿足標(biāo)準(zhǔn)要
求，則需要增大元件壁厚或改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計，重新建模和分析，直
至合格。對于工況2，可采用增加支座底板厚度6 l'n／ll的方法，進(jìn)
行重新建模、加載、分析計算，得出該工況的最大應(yīng)力值減小至
475 MPa的結(jié)果：而對于工況3，可采用在后支座支撐的底腳處增
加厚度為6 mm筋板和延長支座270 nfn的結(jié)構(gòu)(如圖6)，以減小應(yīng)
力集中的缺陷，重新建模、加載、分析計算，得出該工況的最大
應(yīng)力值為426 MPa。改進(jìn)后的工況2和-I-況3，分析結(jié)果均滿足小于
1．5倍屈服強度(487．5 MPa)的要求，符合JB 4732標(biāo)準(zhǔn)要求，故判定
合格。
筒俸厚度6HlIIl筋掇 后支座 犀虞6IrIlIl筋板 封頭
圈6薯體后支座筋板位置圖
3．7 其它要求
在罐體設(shè)計時，需要注明對疲勞容器的特殊要求：A、B類焊
接接頭進(jìn)行100％射線檢測；C、D類焊接接頭進(jìn)行表面檢測；焊
縫余高須打磨平滑，以盡可能地減小應(yīng)力集中：幾何不連續(xù)處采
用圓滑過度；不得采用硬印打標(biāo)記等。
4 安全使用
天然氣罐式半掛車因充裝的介質(zhì)為永久氣體，充裝和運營與
液化氣體罐車存在著本質(zhì)區(qū)別。在充裝過程中，如果充裝速度過
快，會因壓力急劇變化而出現(xiàn)罐體受力不均衡，導(dǎo)致罐體出現(xiàn)異
常；也會因此而使罐內(nèi)天然氣溫度快速上升，無法確定介質(zhì)應(yīng)達(dá)
到的充裝壓力而有可能出現(xiàn)欠裝的現(xiàn)象，因此，充裝時需要控制
充裝速度在經(jīng)濟流速15 m／s范圍內(nèi)，不宜過快。
罐內(nèi)壓力是隨環(huán)境溫度的改變而變化，環(huán)境溫度提高，罐內(nèi)
壓力便會相應(yīng)提高，因此工作壓力為4 MPa的罐車，運營過程中，
雖然在較低環(huán)境溫度下，充裝量在保證不超載的情況下可相對增
加，但是必須保證在任何充裝和運營環(huán)境溫度下，罐內(nèi)壓力都應(yīng)
確保不得大于4 MPa。在不同溫度下，安全的充裝壓力和充裝溫度
對應(yīng)關(guān)系如圖7所示。
耐
曼
-
趟
4
3 8 —
3 75
3
3 5
—
3 j
3 2‘ _
3．1
1簟l-
_ _ I
- 2o lO o lo 20 3O 4O 50 6O
溫度．℃
圈7 天然氣在不同充裝沮度下與充裝壓力的對應(yīng)關(guān)系
5結(jié)束語
隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，特別是近年來西氣東輸及清潔能源的
普及和利用，更多工業(yè)氣體項目的發(fā)展大大促進(jìn)了天然氣、氫
氣、氦氣等永久氣體的使用，隨著市場需求的不斷擴大，近年
來，部分廠家才開始自主研發(fā)永久氣體罐式運輸車，設(shè)計、制造
所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。亟待制訂不同于液化氣體罐式運輸車
的國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以規(guī)范設(shè)計、制造和使用，保證永久氣
體罐式運輸車更合理、更安全的運營。
參考文獻(xiàn)
[11 GB 1589—2004道路車輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限制【s】
[2]壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程，中國勞動社會保障出版社．1999．
[3]集裝箱檢驗規(guī)范，中國船級社．2010．
[4]JB 4732—1995．鋼制壓力容器分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[s]．
[5]余偉煒，高炳軍．ANSYS在機械與化工設(shè)備中的應(yīng)用[M]．北京：中國水利水電出
版社，2007．
收稿日期：2012．01—05
4 "5 5 5” 3 5" 5

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