淺談小型移動式壓力容器的設計

朱滌非

(南通中集能源裝備有限公司，江蘇 南通 226003)

小型移動式壓力容器(又稱Small UN Portable Tank)，指的是一類能進行國際運輸，容積較小的移動式壓力容器(下文簡稱“移動小罐”)，通常容積小于10 m3，以1～3 m3居多。這類容器具有體積小、運輸方式多元化(可通過汽車、火車、輪船等運輸工具運輸)的特點，可實現全球化多式聯運，具有廣闊的發展前景。下文以我單位近期承接的2000 L小型移動式壓力容器為例，簡單介紹其設計方法。

1 設計參數

2000 L移動小罐的罐體強度設計按照ASME Ⅷ-1(2017 Edition)標準進行，同時為實現小罐的海運，其結構設計還需滿足IMDG《國際海運危險貨物規則》的要求，且獲得Lloyd's Register(勞氏)船級社認證。其他設計參數詳見表1。

表1 設計參數

2 設計計算

2.1 計算壓力的確定

根據IMDG章節6.7.2.2.12的要求，移動小罐的計算壓力應當考慮罐內介質對罐體內壁產生的慣性力載荷(縱向2 g、橫向1 g、垂直向上1 g、垂直向下2 g)，取各方向載荷中的較大值，且不小于0.035 MPa[1]。根據核算，以縱向2 g的慣性力載荷最大。計算公式如下：

式中，Pd-計算壓力，P-設計壓力，g-重力加速度，MPGM-最大許可總重，TARE-小罐的自重，R-罐體內半徑。

2.2 最小厚度核算

根據IMDG章節4.2.5.2.6的規定，T22移動小罐的最小罐殼厚度為10 mm，注意此厚度指的是標準鋼的厚度(標準鋼：定義為抗拉強度370 N/mm2和斷面拉伸率為27%的鋼材)[1]，而我們選用的罐體板材強度與之不同，所以需要進行最小厚度的換算，換算公式如下：

式中，e1-所用鋼材的同等厚度，e0-標準鋼的最小厚度，Rm1-所用鋼材的抗拉強度下限值，A1-所用鋼材的斷后伸長率。

本移動小罐為了實現輕量化，降低罐體壁厚，選用的SA240M 316L鋼板提高了其強度下限值，即：抗拉強度Rm≥540 MPa，屈服強度Rp0.2≥240 MPa，斷后伸長率A=40%。數值帶入公式計算可得，罐體所需最小壁厚e1=7.68 mm。

2.3 筒體強度計算

首先按0.717 MPa的內壓來計算筒體的壁厚，根據ASME Ⅷ-1 UG-27(c)(1)，計算公式如下：

其中，tr-計算厚度， S-設計溫度下許用應力，E-焊接接頭系數(其余參數定義同上文)。

式中筒體材料在設計溫度下的許用應力值從ASME ⅡPart D中查取，根據表格Table 1A可知，SA240M 316L鋼板在100℃時的許用應力值為115 MPa[2]，帶入公式計算可得tr=4.2 mm。腐蝕余量C1=0 mm，且結合上文2.2節計算結果，所以筒體名義厚度取tn=8 mm。

本移動小罐存在-0.1 MPa的負壓工況，故還需外壓穩定性校核。根據ASME ⅡPart D圖表Fig G，以L /D0=1.64，D0/t=142(L-筒體外壓計算長度，D0-筒體外徑)查圖表，可得系數A= 0.0004697。再根據圖表Fig HA-4查取系數B=45.34。最后按以下公式算出筒體的最大允許外壓：

2.4 封頭強度計算

與筒體計算相同，先按0.717 MPa的內壓來計算罐體橢圓形封頭的壁厚，根據ASME Ⅷ-1 UG-32(c)，封頭壁厚的計算公式如下：

根據計算可得，封頭計算厚度th=3.5 mm，結合上文2.2節計算結果，且考慮封頭成形減薄量，封頭名義厚度取tn=9 mm，成形后最小厚度為7.7 mm。

封頭的外壓穩定性校核與筒體的不同之處是：ASME Ⅷ-1 UG-32(a)規定，對于凸面受壓的封頭，不但要按外壓規則進行厚度校核，還需以1.67倍的設計外壓力按照內壓計算公式來校核封頭過渡段的厚度[3]。具體計算方法如下：

(1)先按以下公式計算系數A：

從ASME ⅡPart D圖表Fig HA-4查取系數B=63.9，根據系數A和系數B計算封頭的許用外壓：

(2)1.67倍設計外壓按內壓公式校核封頭過渡段，按以下公式計算封頭的最大許用外壓：

(3)封頭的最大許用外壓取步驟(1)和步驟(2)計算結果中的較小值，即Pa=0.48 MPa，大于0.1 MPa，所以封頭外壓校核合格。

2.5 水壓試驗壓力及應力校核

ASME Ⅷ-1中對于水壓試驗壓力為Pt=1.3Pw×St/Sr，(式中，Pw-最高允許工作壓力，St-試驗溫度下材料的許用應力， Sr-設計溫度下材料許用應力)。而IMDG的章節6.7.2.3.2中對于水壓試驗的規定為罐體需能承受相當于設計壓力1.5倍的水壓試驗壓力[1]，即Pt=1.5Pw，可以看出，對于本移動小罐來說，IMDG規定的試驗壓力更高。故水壓試驗壓力取值Pt=1.5×0.667=1.0 MPa。

根據IMDG規范要求，移動小罐還需進行水壓試驗的應力校核，具體要求為水壓試驗壓力下，罐殼的一次總體薄膜應力σt應不超過0.5Rm或0.75Rel(對于奧氏體不銹鋼，取0.75Rp0.2)。筒體的薄膜應力按以下公式計算：

封頭的薄膜應力按以下公式計算：

經核算，筒體和封頭的薄膜應力水平均未超過316L鋼板的0.5Rm或0.75Rp0.2，故水壓試驗應力校核合格。

2.6 安全泄放量計算

本移動小罐裝運的介質在設計溫度下為液態，可以采用IMDG章節6.7.2.12.2.2介紹的方法進行安全泄放量計算，此方法為查表法，較為便捷。具體為：計算罐體的表面積A，通過A值查取每秒鐘所需的空氣流量Q，所選用的安全閥開啟時的流量若不小于該Q值，則判定為合格。

經計算，本移動小罐的外表面積A=1.31 m2，查表可得所需的空氣流量Q=1.067 m3/s。

所選用的安全閥90%全啟時的流量為6.104 m3/s，大于Q值，故安全泄放量計算合格。

3 結構設計

本移動小罐為臥式結構，罐體內直徑Φ1120 mm，總長2280 mm，總寬1162 mm，總高1545 mm?？傮w結構見圖1。由于IMDG可移動罐柜導則中規定T22移動小罐不允許底部開口，所以本移動小罐的管口均設置在罐體頂部，分別有人孔、氣相口、液相口、備用口和安全閥口。下面對小罐的結構特點進行詳細介紹。

圖1 總體結構

3.1 管口介紹

1)人孔 人孔設置在罐體頂部，公稱直徑16"，由于外伸高度較小，故采用SA182 F316L材質的整體鍛件結構。密封面型式為突面。人孔蓋通過螺柱、螺母與人孔法蘭連接。墊片材質選用增強柔性石墨+304纏繞墊片。設置人孔結構可便于日后移動小罐進行檢修、內部清理以及定期檢驗。

2)液相口 液相口為1-1/4"凸緣法蘭，密封面形式為突面，結構見圖2。凸緣上分別安裝了轉接法蘭、球閥、帶螺紋接頭的盲法蘭、螺紋堵頭。轉接法蘭內側焊有一根液相管，連接到罐體底部。出口端為1-1/4"NPT螺紋，可與客戶的裝卸軟管接頭螺紋相配合。

圖2 液相口結構

3)氣相口 氣相口為1"凸緣法蘭，密封面形式為突面。凸緣上分別安裝了球閥、帶螺紋接頭的盲法蘭、螺紋堵頭。出口端為3/4"NPT螺紋。

4)備用口 備用口為1-1/4"凸緣法蘭，與液相口凸緣尺寸相同，后續客戶也可以將此管口改為液相口使用。備用口配備了盲法蘭。

5)安全閥口 安全閥口為2.5"凸緣法蘭，密封面形式為突面。根據IMDG章節6.7.2.8.3，本移動小罐的安全泄放裝置應為彈簧式安全閥和裝在其前端的爆破片串聯組合結構[1]。安全閥通過螺柱與管口凸緣連接，爆破片兼做墊片。安全閥的排放口安裝有防火網。安全閥的整定壓力應為設計壓力的1.1

倍，即0.734 MPa。爆破片的爆破壓力應高于安全閥起排壓力的10%，即爆破壓力為0.807 MPa。在安全閥與爆破片之間的腔體設有壓力表，用于檢測爆破片破裂、穿孔或泄漏等可能引起安全泄放裝置失靈的情況。

3.2 溢流盒

罐體頂部設置有溢流盒結構，采用3 mm厚304不銹鋼板制作。氣相口、液相口和備用口在溢流盒內，可以得到一定程度的保護。溢流盒頂蓋和面板均可以開啟，方便裝、卸液操作。

3.3 底支撐

底支撐結構俯視圖見圖3。底座采用不銹鋼矩形鋼管制作成"井"字形，從而形成四組叉槽，從四個方向均可以叉運本移動小罐。叉槽中心之間的距離超過移動小罐總長度的1/2，符合IMDG的要求[1]。底座通過支撐板與罐體進行連接。在支撐板的兩側設置加強筋板，用以增強結構的穩定性。在底支撐寬度方向的兩側設有橡膠防撞緩沖結構。底支撐結構可以承受罐體(及內部介質)對其產生的各種慣性力載荷，安全可靠。

圖3 底支撐俯視圖

4 氣密性試驗及充氮保護

IMDG規范對于可移動罐柜氣密性試驗壓力的規定為不小于最大允許工作壓力的25%，所以本移動小罐的氣密性試驗壓力取0.2 MPa。氣密性試驗在水壓試驗合格后進行，試驗時應將所有閥件、安全附件安裝到位。試驗過程中除了要檢查焊縫、密封面有無泄漏以外，還需注意檢查閥件的密封性能。

由于裝運的介質UN3394(正丁基鋰)具有很強的還原性，遇水會發生劇烈化學反應。所以本移動小罐制造完成后應將罐內殘留的水分吹干，并充入0.05MPa的干燥氮氣。

5 結束語

此2000 L小型移動式壓力容器的強度計算滿足ASME Ⅷ-1標準，結構上滿足IMDG規范中的各項要求，可以實現多元化的運輸模式。并且通過提高316L鋼板強度下限值，降低了罐體壁厚，減輕自重，從而降低產品成本，提高移動小罐的運輸效率，在行業中具有較強市場競爭力。