低温液体槽车发展的主要技术问题

专题综述 ／ 7 低温液体槽车发展的主要技术问题 郁 峰 江镇海 T 7、g- [艾尔气体产品(南京)有限公司，南京市汉中路 2号叠陵饭店8O5室．zlooo5 5 摘要 文章阐述了低温液体槽车大型化、列车化、高速化的发展趋势，并介绍了国内外在低 温液体槽车的鲍热方式、输液方式及安全性等方面的先进技术，阐明了自己的意见，同时指 出国内厂家与之存在的差距c图 1。 ／，)关键词：低温液体 措车 大型化 列车化 高速化 绝热 输液 安全 ，) f4液ft设裔一，一，一 近年来，世界各大气体公司竞相进入中国，市 车底 ，改装成 11m 的单车，载重量为12540kg 场上的商品液体供应量也逐年增加。文献 [1：中 列出了上海、江苏、马鞍山在 1999年的低温液体 资源；其中，液氧为1076—1240t／d，液氟为 6O4～ 752t／d，液氩为 384t／d。另外，对于用气大户，采 用液体汽化直接供气是必然的发展趋势。 从理论上．临界温度大于 5O℃的气体如 需槽车以液体方式运输，槽罐都应包覆保冷层，在 广义上，这类槽车都是低温液体槽车。近年来，由 于市场的需要，各种低温液体槽车不断涌现，除了 贮运液氮 、液氧 、液氩外．还贮运液态二氧化碳 、 液态乙烯、液态甲烷、液氯等各种介质 现今，国 内约有槽车制造商 l7家，大多数产量较低，技术 水平与国外制造商相比存在一定的差距。本文拟从 技术角度出发探讨低温液体槽车技术发展中的几个 问题。 1 措车向大型化、列车化发展 改革开放以来，中国的道路运输条件得到很大 改善，高速公路、高等级公路在公路总里程中所占 的比例不断提高，这给槽车的大型化发展创造了必 要条件 由于贮运介质的特殊性，低温液体槽车一 般满载送液，空车返回，运输效率≤50％，与普通 运输车辆相比效率偏低。因此，提高运输效率，降 低吨公里成本是用户的迫切需要。 如果采用半挂车运输低温液体，其一次运载的 液体重量大大高于单车。例如，STYER1491系列挂 (LO2)；而拖挂 2(】 挂车时，载重量为 22800kg (LO：)。但是，汽车的耗油量井未随着载重量的增 加而成比例增加，汽车列车的耗油量与同功率的单 车相比增加量不多，因此半挂低温液体槽车的吨公 里成本远小于单车。采用二类汽车底盘改装单车式 槽车，由于受底盘载重量和整车几何尺寸的限制 (长度≤12m)，罐体的容积不大；而采用半挂汽车 列车，其长度的限制为≤16．5m，可以设计大容量 槽车。另外，采用半挂车运输可以提高运输效率已 成为共识，欧美国家中半挂列车占运输车辆中的比 例远高于中国。因此，低温液体槽车向大型化、列 车化发展是必然的趋势。 美国空气化工产品公司在中国的空分厂使用了 数台大型半挂低温液体槽车，最大的槽车水容积达 到26m 。这些槽车均采用半挂承载式结构、多层 缠绕绝热、泵送液体，罐体结构轻巧，装车高度 低，装备重量轻，具有很高的技术水准。 近几年来，国内的槽车制造商亦开始研制半挂 槽车，容积多为 l5—2(】 ，采用承载或 非承载式 结构，真空粉末绝热，技术水平与进口罐车相比存 在较大差距。 2 措车的运行速度向高速化发展 低温液体槽车由于结构上具有一定的特殊性， 例如多数采用双层罐体和绝热支撑，且对绝热支撑 的要求是既要减少热传递又要保证必要的强度，罐 郁 峙．男，1994年毕业于南京化工大学化工机械系．1994—1999年在南京晨光集团公司设计所从事低温液体贮运 设备的设计工作；现受聘于艾筇气体产品 (南京)有限公司 6 深冷技术 2000年第 1期 维普资讯 http://www.cqvip.com 郁 峰 江镇海：低韫{馥体槽车发展的主要拉术问题 专题综述 体结构较复杂。另外，低温液体槽车的贮运介质具 有很大的危险性。因此，对低温液体槽车进行限速 行驶是必要的。JB／T 6898---93《低温液体贮运设 备使用安全》中：贮运介质的槽车最高时 速≤50km／h，转弯时速 ≤20km／h。现在，这个规 定已明显不适应实际使用需要。因此，JB 6898— 1997《低温液体贮运设备使用安全规则》将上述规 定修改为：贮运介质的槽车最高时速在一级公路上 ~60km／h，二 一三级公路上为 30～50km／h，在高 速公路上宜低速行驶，应避免紧急制动，严防撞 击。此规则对槽车在高速公路上的限速无明确规 定，但由于高速公路路况好，运输车辆的平均速度 高，因此，低温液体槽车在高速公路上的平均时速 普遍较高，为 70—90km／h。 提高槽车的运行速度可以提高运输效率，加以 高速公路和高等级公路的建设在我国蓬勃发展，因 此低温液体槽车有高速化发展的趋势。这对槽车的 质量提出了更高的要求，具体表现为：底盘的可靠 性、整车的动力性、横向稳定性、制动性能、绝热 支撑的强度等。 为了使低温液体槽车适应高速行驶的需要，下 面几点需要考虑 ： (1)选择性能可靠的汽车底盘和牵引车，轴载 和牵引座的负荷低于许用值。 (2)宜使用适合高速行驶的子午线轮胎。 (3)改装后保证整车的动力性能，半挂槽车的 比功率宜在 5．88～6．22kW／t之间，并尽力提高牵 引车驱动桥的附着重量．4 x 2型牵引车的附着重 量≥32％的列车总重量，6×4型牵引车的附着重 量≥40％的列车总重量。 (4)尽量降低整车高度和质(重)心高度．提高 槽车的横向稳定性。 (5)保证槽车的制动性能，半挂槽车应采用双 管路制动系统。制动时，挂车应先于牵引车制动， 以防止列车紧急制动时出现失去转向和折角。 (6)双层罐体间的绝热支撑，应能承受高速行 驶紧急制动时的冲击载荷。 总之，随着我国公路条件的不断改善，运输车 辆的平均行驶速度会有较大的提高，研究适合高速 公路行驶的低温液体槽车对于槽车制造商和使用者 注：带 “** 者为审阅者加上的内容。 有较大的实际意义。 3 槽车绝热方式的发展 槽车的绝热方式有许多种，例如真空粉末、真 空多层、聚氨酯发泡等。应根据贮运介质的品种选 择合适的保冷型式，选择的原则是绝热可靠，施工 工艺简单。例如：液态乙烯、液态二氧化碳一可 用真空粉末和聚氨酯发泡，液氢、液氦一 使用真 空多层等。 由于真空粉末绝热具有真空度要求不高、工艺 简单、绝热效果较好的特点，对于贮运液氧、液 氮、液氩的槽车，国内槽车制造商普遍选用真空粉 末绝热，因此在真空粉末绝热制造工艺上具有较丰 富的经验。 真空多层绝热主要用于液氢、液氦一槽车和 贮槽，在其它低温液体贮运设备上使用不多。 美国空气化工产品公司在中国的空分厂使用的 低温液体槽车 (贮运 LN 、LO：、I|Ar)都采用了真 空多层绝热，而不是真空粉末绝热 该种槽车对真 空度的要求较高，但经过实际使用证明，真空度可 以维持，日蒸发率比采用真空粉末绝热的槽车低， 使用效果较好。 在制造工艺成熟的前提下，真空多层绝热与真 空粉末绝热相比具有以下优点： (1)真空多层绝热的夹层厚度约为 ]00ram，而 真空粉末绝热的夹层厚度需 200mm。因此，对于相 同容级的外壳，真空多层绝热槽车的内容器的容积 比真空粉末绝热槽车的内容器容积大约 27％。这 样，可以在不改变槽车外形尺寸的前提下，提供更 大的载液容积。 (2)对于大型半挂槽车而言，由于夹层空间较 大，粉末的重量也相应增大，从而增加了槽车的装 备重量，降低载液重量。例如：20m 的半挂槽车 采用真空粉末绝热时．粉末的重量将近 1．8t；而采 用真空多层绝热时，重量仅约200kg 因此，采用 真空多层绝热可以降低槽车的装备重量。 (3)采用真空多层绝热可以避免因槽车运动产 生的保冷层绝热材料沉降。真空多层绝热比真空粉 末绝热的施工难度大，但在解决了制造工艺难题、 适合批量生产后．相信其不仅在液氢槽车上，在贮 运液氧、液氮、液氩、液态甲烷、液态乙烯等深冷 深冷技术 2000年第 1期 7 维普资讯 http://www.cqvip.com 专题综述 郁 峰 江镇海：低温液体槽车发展的主要拄术问题 介质方面也具有较好的发展前景。 4 槽车输液方式的发展 低温液体槽车的输液方式有两种：压力传送 (自增压输液)和泵送液体。 4．1 压力传送 所谓压力传送是利用蒸发器汽化低温介质返回 贮罐增压，借助压差挤压出低温液体。这种输液方 式较简单，只需装配简单的管路和阀门，在国产槽 车中应用较多。 这种输液方式的缺点是： ①转注时间长。低温液体槽车一般有 0．8MPa 和 1．6MPa两种压力规格，如果固定贮槽带压操作， 即使选用 1．6MPa的高压槽车，转注压差也有限， 导致转注流量降低。况且由于槽车空间的限制，蒸 发器的换热面积有限，1．6MPa的高压槽车经常出 现增压慢、罐内压力下降过快的情况。总之，转注 时间长是采用压力传送经常出现的问题，给槽车的 使用单位造成了很多麻烦。 ②罐体设计压力高，槽车空载重量大，载液重 量与整车重量的比例 (重量利用系数)下降，导致 运输效率降低。由于低温液体用户普遍要求带压充 装液体以减少损失，为了增加转注流量，提高罐体 的设计压力是唯一的方法 因此，目前槽车的设计 压力有增加的趋势，这使罐体重量增加，从而降低 了槽车的重量利用系数。例如，STYER1491底盘改 装的 11m 槽车 (1．6MPa)，其空重约为 17000kg， 载液量为 8910kg(LN．)，重量利用系数仅为0．52， 运输过程都是重车往返，运输效率较低。 4．2 泵送液体 鉴于采用压力传送有以上所提及的缺点，槽车 运用泵送液体是较好的方法。这种输液方式采用配 置于车上的离心式低温液体泵泵送液体。 这种输液方式的优点是： ①转注流量大，转注时间短 例如美国低温集 团 (ACD．INc)的AC 30型离心泵的流量范围是 3600～204000L／h，这缩短了转注时间。 ②泵后压力高，可以适应各种压力规格的贮 槽。上面所提及的离心泵，其最大出口压力达到 3．45MPa，有能力做到客户贮槽带压工作时的大流 量转注。 ③泵前压力 (NPSH．)要求低，无需消耗大量 的液体进行增压。 ④泵前压力 (NPSH)要求低，因此，槽车罐 体的最高工作压力和设计压力低，槽车的装备重量 轻，重量利用系数和运输效率高。例如，美国空气 化工产品公司在中国的空分厂使用的 7000加仑半 挂低温液体槽车运用了泵送技术，其最高工作压力 仅为45Psi(绝压，约 316kPa)，整车空重约 17000kg (含牵引车)，载液量为 19660(kg、LNa)，重量利用系 数达到了 1．16，运输效率较高。 由于槽车采用泵送液体具有以上所述的优点， 虽然整车造价高，结构较复杂；而且使用低温液体泵 时存在合理预冷和防止气蚀的问题，因此对使用者 的技术要求较高，但其代表了槽车输液方式的发展 趋势。 5 槽车的安全性设计 低温液体槽车贮存的是深冷液化气体，且有些 介质是易燃或助燃的，因此低温液体槽车的安全性 设计至关重要，不安全的设计会带来严重的后果。 保证槽车安全有以下两个方面：防止超压；清除燃烧 的可能性(禁火、禁油、消除静电)。 防止槽车超压的手段主要有设置安全阀、爆破 片等超压泄放装置。但在处理深冷液体的领域，有 一 定的特殊性，例如：材料与低温液体的相容性和安 全阀的冻结问题等。参考文献[2]中论述：“气体制 造企业多年来的经验确定，所有的客户贮罐必须有 两套安全在线安装的双路系统。这种系统还安装一 个转换阀，当其中一路安全阀需要更换或检修时，转 换阀转换到另一路上，而不妨碍生产，并维持最少一 套安全系统在线使用。事故分析报告显示只装有单 一 安全阀系统的事故率极高，所以，双路系统被广泛 采用。低温液体槽车也有类似设计”。为了防止超 压和便于维修，低温液体槽车采用双路安全系统是 非常必要的。系统中的转换阀(三通球阀)可以防止 应误操作引起的安全阀失去作用。在安全阀下设置 截止阀，即使加上铅封，也已被实际发生的事故证明 是不安全的。在槽车的气相管线上不设置转换阀而 直接安装安全阀，由于不便于检修，也是不合适的。 在深冷系统中安全阀由于冻结而不能及时开启 所造成的危险应引起重视。安全阀冻结大多由于阀 门内漏、低温介质不断通过阀体而造成，这可以通过 目视检查安全阀是否结冰或结霜而判断，如果出现 · 8· 深冷技术 2000年第 1期 维普资讯 http://www.cqvip.com 郁 峰 江镇海：低温液体槽车发展的主要技术问题 专最综述 冻结情况应及时拆下安全阀排除内漏故障 一 般情况下，低温液体槽车设置双重安全保护 系统已经十分安全。在工业气体生产领域具有丰富 经验的美国空气制品与化工产品公司(AeCI)出于对 贮运安全的重视，在其使用的槽车上除了安全阀和 爆破片，还设置了公路运输泄放阀(见图 1)。所谓 公路运输泄放阀就是在槽车的气相管路上设置一个 降压调节阀(Ec0N0MIzER)，作为第一道安全保护 系统，该阀的卸放压力远小于罐体的最高工作压力 和安全阀起跳压力，仅在槽车运输时与气相空间相 通；罐车输液时，用截止阀隔离降压调节阀，其不起 作用。 围 1 公路运输泄放 阀示意图 在低工作压力、泵送低温液体槽车上设置公路 运输泄放阀有以下优点： ①公路运输时罐内压力低，降低了由静压力引 起的壳体应力，有利于罐体的安全保护。 ②公路运输时如果压力增高，降压调节阀先缓 慢开启以降低压力，防止因安全阀起跳压力低而造 成介质的突然大流量卸放．既提高了安全性，又节约 了介质。 原劳动部颁发的《液化气体汽车罐车安全监察 规程》中规定充装易燃介质的罐车，在罐体的液相 管、气相管出口处应设置紧急切断装置。因此，充装 液态乙烯、液态甲烷的槽车应按照规定设置低温型 紧急切断阀。低温型紧急切断阀一般为气动的球阀 或截止阀，通气开启，放气截止；阀上气缸设置了易 熔台金，外界起火燃烧温度达到 7O℃时，易熔塞熔 化，阀门放气截止将易燃物与外界隔离。液压控制 的紧急切断阀，由于液压油在低温下凝固，一般不能 用于低温液体槽车。对于液氧、液氮、液氩槽车，目 ※ 前国内的规范没有强制规定设置紧急切断阀， 但国外进 口的此类槽车有在液相设置紧急切断阀的 先例，因此，国产低温液体槽车是否需设置紧急切断 阀值得研究和关注。 6 结论及建议 (1)低温液体槽车向大型化、列车化、高速化发 展是必然的趋势，这对槽车整车的动力性、稳定性、 底盘的可靠性、制动性能、绝热支撑的强度等提出了 更高的要求。 (2)低温液体槽车采用离心泵输送液体具有转 注流量大、转注时间短、泵后压力高、槽车操作压力 低、整车重量轻的优点，虽然结构较复杂、对操作者 的技术水平要求高，但这代表了低温液体槽车输液 方式的发展趋势，应引起国内槽车制造行业的重视， 积极向国外先进水平靠拢。 (3)低温液体槽车的安全性设计至关重要，除了 设置双路安全系统外，在低压力槽车上设置公路运 输泄放阀，可以有效地防止因安全阀起跳压力低而 造成的突然的大流量泄放，既有利于罐体的安全保 护，又可节约介质，值得国内同行借鉴学习。 (4)采用低温液体汽化直接供气符台我国的国 情，是必然的技术发展趋势。由此，低温液体槽车的 数量将大量增加，这是我国低温液体槽车事业进一 步发展的内在动力。目前，国内的低温液体槽车制 造厂家较多，但在技术水平上与国外厂商相比存在 一 定的差距，特别是在安全性设计和大型半挂低温 液体槽车设计方面缺乏足够的经验，有些产品可以 使用，但设计不尽合理精细，有的甚至存在安全隐 患。为了适应激烈竞争的市场，国内制造商迫切需 要提高设计和制造水平，以推动我国低温液体槽车 制造事业的发展。 参 考 文 献 1 庄胜强 江苏省气体分离与液化的现状及展望．杭州制氧 机研究所空分总同第十一次垒同大会暨学术交流会，河 北承德 ，1998 2 薛诺被．关于探冷系统的安全问题．杭州制氧机研究所空 分总同第十一次全同大会暨学术交流会，河北承德，1998 3 劳动部．演化气体汽车罐车安全监察规程 ※ ※ 新千年、新世纪、新面貌、新起点 — — 服务读者，办好刊物，欢迎订阅2000年大 l6开本 《深冷技术》 深冷技术 2000年第 1期 9 维普资讯 http://www.cqvip.com