液化气体运输设备轻量化技术研究进展
时间：2023-02-27 11:10:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
闫东东，王琪，许志泉
(1.江苏科技大学 机械工程学院，江苏 镇江 212000；
2.张家港中集圣达因低温装备有限公司，江苏 苏州 215600)
液化天然气能减少SO2和粉尘排放量近100%，减少CO2排放量60%和氮氧化合物排放量50%。美国电力行业2019年CO2排放量较2005年下降32%，其中接近三分之二的贡献来自天然气发电替代燃煤发电。2021年，中国天然气进口量12 135.6万t，与2020年同期相比增长19.9%，超过日本成为全球最大的 LNG进口国。目前，针对电力、钢铁、化工、交通等行业积极响应国家碳达峰、碳中和(2030年/2060年)政策目标，加快推进天然气等清洁能源在我国能源使用中的占比,提升低碳竞争力，天然气是实现“双碳”目标和“美丽中国”的重要力量[1],将在全球能源绿色低碳转型中发挥重要作用。
移动压力容器作为LN2、LO2、LCO2、LAR、LNG、LH2主要运输工具，随着天然气[2]在能源消费结构占比上升，液化气体运输设备投入大量生产，轻量化技术成为设计制造厂家的关键技术，是研究热点之一，进行液化气体运输设备轻量化技术的研究，能减少压力容器制造钢板用量、提高运输效率、低碳经济、节能减排[3]。
液化气体运输设备主要有冷冻液化气体汽车罐车、液化气体罐式集装箱、液化气体运输船。移动压力容器是指由罐体，或者大容积钢质无缝气瓶与行走装置或者框架，采用永久性连接组成的运输装备。国内罐体主要为中空两层结构，内容器和外壳夹层采用前后八点支撑，两层结构中间在制造完成时通过管路系统液压阀门抽取高真空，达到低温储藏环境以及罐体对于日蒸发率要求。轻量化技术在兼顾产品质量和生命周期的同时，用现代化技术或轻质材料替换等方法对产品进行优化升级，降低重量，实现安全、节能、环保等目标，轻量化技术也能为液化气体运输工具节约燃料、减少污染物排放、提高机动性能。
2.1 轻质材料
Djukic等[4]介绍了一种新型玻璃钢罐体，该罐体采用集成无缝热塑性防腐蚀屏障，用于Omni Tanker生产的罐体。与传统的钢罐相比，纤维增强聚合物(FRP)罐在有效载荷和耐腐蚀性方面为运输行业提供显著的优势，并使有限元模型验证层压板的强度和模量。印度学者kumar等[5]利用ANSYS分析了压力壁临界点处的应力发展情况，建立了两个优化模型零件以克服容器内产生的应力。分别用 ASME的三种不同材料进行设计和分析，开发出设计良好的最适合的材料。
西班牙萨拉曼卡大学Roberto等[6]研究了结合数字图像相关和概率方法进行复合材料压力容器的可靠性分析， 提出了一种利用数字图像相关法提供的全场应变数据提取力学性质概率密度函数的方法。这些概率密度函数被基于多项式混沌展开的全局灵敏度分析和基于拉丁超立方抽样法的随机变量方法所补充，复合材料的力学性能相关的不确定性的鲁棒估计对压力容器的可靠性分析。
Doleski[7]将7000系列铝、美国铝业公司的7085、实验性7000系列铝钪(Al-Sc)合金、6061-T6、7075-T73形成一个基线，以比较较新的合金，夹层复合材料结构的使用将作为轻型压力容器的长期选择进行研究。中东工业大学Özaslan E等[8]研究了纤维缠绕复合材料压力容器在制造过程中可能出现的缺陷对其爆破行为的影响，成功地研究了制造缺陷对安全失效模式和不安全失效模式压力容器爆破行为的影响。
Haris等[9]阐述了利用有限元分析方法优化复合材料压力容器铺层的方法，并计算了相对于标准金属压力容器的相对重量节省量。确定合理的纤维取向和层合板厚度对降低制造难度、提高结构效率具有重要意义。分析了叠层板的不同铺层顺序，对S-glass/ epoxy、Kevlar/epoxy and Carbon/epoxy三种候选复合材料的铺层顺序、取向和层厚(层数)进行了优化。并应用第一层失效(FPF)采用Tsai-Wu失效准则在MATLAB中开发了基于经典层压理论的代码。
Egor[10]提出了一种内压载荷下金属衬垫复合材料重叠压力容器应力-应变特性的数值模拟分析方法。该模型基于有限元方法，考虑了衬垫的弹塑性行为、复合材料中的纤维取向角以及衬垫与复合材料壳体之间的接触。该模型可解决衬垫内应力-应变状态测定、复合材料退化和裂纹型缺陷断裂评定等问题，揭示了复合材料壳体中初始缺陷的扩展效应和表面裂纹的临界尺寸。
S Moharrerzadeh等[11]研究了一定的内压力下，多层复合材料圆柱形压力容器的重量可以小于单层复合材料容器重量的一半，约束采用Hoffman准则，采用凌乱遗传算法(mGA) 对层数和厚度、铺层角、体积分数和每层的材料属性设计变量进行了优化。
Behzad等[12]在设计考虑稳定性和强度约束的情况下，使用正交各向异性材料公式计算了不同螺旋层数和不同周向层数缠绕的复合材料压力容器的基体开裂压力，然后采用网格分析法计算了复合材料容器的破裂压力。采用帝国主义竞争算法(ICA)，根据复合材料层合板的基体开裂压力和破裂压力确定复合材料层合板的最优形状和层合板的最优堆叠顺序，使基体的开裂压力和破裂压力最大。
近年来，我国压力容器用钢材料性能大幅提高。更好地满足压力容器大型化和轻量化制造需求，开发了一批高性能、经济型新材料;移动式压力容器用正火型高强钢Q420R(抗拉强度由Q345R的510 MPa 提高到590 MPa);低温压力容器用钢也实现了系列化和-60～-196 ℃全覆盖[13-14];通过一系列基础研究与实验将Q370R、06Ni9钢、201LN、304N 等高强钢和低镍钢应用到真空绝热深冷移动容器建造中[15]，新型轻质合金材料，高强度合金钢材料，非金属复合材料等处于开发阶段，在不久的将来可作为压力容器钢材替换，进一步减轻质量，实现产品轻型化。
2.2 轻体结构
王晓东[16]用ANSYS对八点支撑结构角度等几何参数对结构强度的影响规律进行了研究与优化设计，朱艳[17]通过改变支撑角度、支撑圈尺寸、支撑圈形状结构等方式，对内外容器支撑圈进行优化设计，优化后的总质量比优化前降低约20.64%。
Bagheri等[18]利用遗传算法(GA) 对受外压及轴向力作用的环形加筋圆柱壳进行多目标优化设计，在基频、结构重量、轴向屈曲载荷和径向屈曲载荷4种约束条件下求得壳体的最大基频和最小结构重量。Sadeghifar等[19]采用遗传算法对环形加筋圆柱壳的重量和轴向屈曲进行了优化研究，结果表明:对于最小重量和最大临界轴向屈曲载荷的圆柱壳，工字形截面加筋和矩形截面加筋的设计效率分别是最高和最低的。
任彦昭，魏巍等[20]提出一种更扁的加强圈，一种新型板翅式夹芯结构代替原有车罐外筒体加强圈，减少加强圈占用真空夹层的空间，提高内罐直径，增大罐体容积。但经过长时间的模拟分析，采用高比刚度蜂窝夹芯加强筋并没有取得满意的结果，尚未投入实际工程应用。
A Eswara[21]对蜂窝式、三角形、正方形、半圆形、矩形、圆形、螺旋形、扇形、矩形开槽、线性交叉、二次交叉等多种加强筋设计的压力容器进行建模。对其静力结构和自由振动进行分析。并计算了结构的总变形、环向应力、固有频率、应力和比刚度。综合考虑结构比刚度、von mises应力、重量和总变形等因素，提出了最佳加劲肋设计方案。
邱婷[22]发现当需要增加小型低温液化气体槽车用罐容积时，强度和保冷对结构的要求互相矛盾，提出一种同时满足两方面要求的新型结构，并对新型结构的强度进行了分析。王战辉[23]考察了压力容器中的椭圆形封头和碟形封头其应力分布和位移分布的特点，并进行了优化设计。
Q S Chen等[24]对LNG低温储罐的温度和压力变化进行了分析总结，发现特殊的支撑结构能够有效减小热泄漏率。Srdjan等[25]在三种形状压力容器壁面上引入半椭圆形缺口，用有限元分析方法计算了内缺口的三轴应力比为正，外缺口的三轴应力比为负。Zhang[26]针对传统设计中压力容器材料浪费的问题，利用有限元技术对压力容器进行了优化设计，采用有限元分析进行应力计算提取相关结果参数进行后续计算，选择优化设计方法后进行定量计算，得到满足性能指标的最佳设计参数。
Sergey等[27]利用MATLAB系统的动态和事件驱动系统的Simulink仿真包中的计算机复杂性，在作者之前开发的专家模型的基础上解决所提出的问题。根据计算实验结果，对罐车立柱在改变运动方式时对运输设施的冲击程度进行了参数分析。Amir[28]利用线性晃动理论，研究了圆柱形、椭圆形、修正椭圆形和勒罗三角形4种不同水槽横截面对于水箱的晃动力和滚转力矩影响，随后将该晃动模型集成到铰接罐式半挂车的侧倾平面模型中，研究了恒定和可变负载条件下，动态液体晃动以及罐式横截面对车辆稳态侧倾稳定性极限的影响。结果表明，在中填料和高填料条件下，总体质量中心较低和临界晃动长度较低的罐体截面可以提高滚转稳定性极限。
Ehud等[29]在基线结构的半球形容器和经过反复设计和分析循环演变的简单环面容器两类形状的压力容器上论证了金属增材制造可以通过传统方法无法或很难生产的几何形状来节省相当大的重量。并利用有限元应力分析对直观的几何外形进行迭代变化，直到最终的设计显示出整个容器内表面的应力水平基本均匀，而其他地方的应力相对较高。在保持内部体积、压力和允许应力不变的情况下，发现“花生”形容器的重量比圆顶圆柱形容器节省约26%，不对称环面比对称基线节省约63%。
Calum等[30]对高压气体燃料储存环面复合材料压力容器(CPV)优化及耐损伤设计综述，对环面cpv的设计和优化进行了全面和批判性的回顾，将损伤容错设计作为满足安全标准的关键要求，并优化环面截面剖面(形状、厚度变化和纤维缠绕模式)以减少或消除应力不均匀性。环面复合材料压力容器被认为是一种体积高效的解决方案，可以减少容器质量，同时提高存储效率。
伴随人工智能[31]的发展，多种新型智能算法在国内外有关文献被陆续提出，陈定樑等[32]利用改进萤火虫算法对具有圆柱形筒体和标准椭圆形封头的压力容器壳体进行了优化设计。伍能和[33]采用布谷鸟搜索算法对某型号立式径向流分子筛吸附器的下封头接管进行了优化。Truong等[34]使用差分进化算法和粒子群优化算法对内压环形壳容器进行几何和壁厚优化，可节省72%的材料。
2.3 应变强化工艺技术
奥氏体不锈钢应变强化工艺主要分室温与低温两种，通过拉伸材料产生一定量的塑性变形，金属材料的晶粒移位，提高材料许用应力和屈服强度。国内通过大量的仿真实验，行业内标准已发展成熟并应用于工程生产，表1列举了国内外压力容器应变强化制造相关标准。
表1 国内外应变强化制造相关标准Table 1 Domestic and foreign strain strengthening manufacturing related standards
关于应变强化增加材料强度裕度的研究还在继续，韩豫等[41]研究了应变强化奥氏体不锈钢压力容器的变形规律，景鹏飞[42]对深冷压力容器应变强化过程进行了数值分析， Zhao等[43]研究了室温下Zn对挤压态Mg-xZn(x=1%,2%,3%和4%) 合金应变强化的影响，由塑性应力-应变曲线得到应变强化速率、应变强化指数和强化能力。C J Tang等[44]采用热机械控制工艺(TMCP)制备了5种不同贝氏体体积分数的铁素体/贝氏体(F/B)多相实验钢。采用改进C-J分析、Hollomon分析和数值模拟方法研究了F/B多相钢的应变强化行为和变形机理。研究表明，第1阶段和第2阶段的变形机制分别与铁素体的弹塑性变形和贝氏体的均匀应变(变形)直接相关。
Molaie等[45]研究了具有非线性应变强化特性的加压型厚壁圆筒。利用Tresca屈服准则并考虑包辛格效应，解析地得到了非线性应变强化材料制成的厚壁受压圆筒在加载和卸载阶段的弹塑性应力分布。并将预测结果与实验数据进行了比较，且吻合度高。通过获得残余应力分布确定这些厚壁圆筒在工业使用前的最佳自增强水平，以提高强度重量比。
2.4 不同设计标准的选用与安全系数下调
世界上比较通用的压力容器标准有三大系列，GB150、ASME BPVC VIII-2、EN13530见表2。规则设计方法主要依据第一、第三、第四强度理论，ASME标准引入数值分析方法，充分考虑罐体的受力情况，采用第四强度理论——形状改变比能理论，计算出的结果更具经济性。
表2 压力容器国内外标准Table 2 Pressure vessel domestic and foreign standards
我国GB 150—2011《压力容器》相应做出的修订情况(常规设计抗拉强度安全系数从3.0调整到2.7)，并充分调整可能给压力容器安全带来的影响。安全系数的降低，提高了材料许用应力与强度，在同等的受压条件下，所需板材厚度小，可有效减薄厚度，减轻质量。
本文从多方面介绍了国内外近年来在移动压力容器轻量化方面的相关研究进展。轻质材料在缠绕多层复合材料方面发展是未来压力容器替代传统材料的可行性研究方向，国内移动型压力容器主要为传统圆顶圆柱形容器，受制于生产与加工制造水平，对环面压力容器(CPV)研究较少，环状耐压壳主要集中在深海空间站。未来液化气体运输设备的轻量化技术理念应是安全与经济并重、安全与节能减排、开发新材料、提高加工制造与工艺水平、降低安全系数、运用有限元分析设计参数优化以及新型优化算法和新型结构等技术来实现液化气体运输设备的轻型化。
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