液氢装车臂的技术研究

引言

氢能源是未来能源技术革命和产业发展的一个重要方向,对我国碳达峰、碳中和目标的实现起到重要作用。氢能产业正在快速布局,与之相关的制造、储存和转运设备的研发也在大力推进。我公司研发的液氢装车臂是专门用于将液氢装载入槽车的设备。为了更方便经济地储存运输氢气,需要将其液化,然后通过装车臂将液化氢装载入公路运输槽车。但液化的氢气有着非常低的温度(-252.8°C）,这对装车臂提出了很高的技术要求。目前装车臂的设计制造可以参考液化天然气设备,同样是超低温介质,选用的钢材需要在低温下保持一定的强度和韧性,选用的密封材料需要在低温下保持一定的回弹性能,而结构设计上同样需要考虑低温收缩产生的应力以及保冷绝热。

与液化天然气不同的是,液氢的温度更低,已经超过空气中主要成分(氮气和氧气）的液化温度,因此设备表面容易产生液态氧和液态氮,造成一定的安全风险。另外,氢容易对钢材产生应力腐蚀,极大地降低设备的可靠性。基于这些情况,我公司查阅了相关前沿技术文献,进行了相关的试验论证,为国内首台液氢装车臂设计制造做好了基础准备。

1设计介绍

1.1结构设计

液氢装车臂总体结构分为液相臂、气相臂和立柱。其中,液相臂用于将液氢装载入槽车罐箱,气相臂用于回收槽车罐箱内的B0G气体。立柱为支撑结构,气相臂和液相臂分别安装在立柱上下,可以围绕立柱自由转动,实现任意位置接车。液氢装车臂三维模型如图1所示。

液相臂与气相臂结构相同,只是形式不同,都由内臂、外臂和外伸臂组成。内臂以旋转接头1为轴心,进行水平旋转:通过立轴6和拉板7做支撑,减少接头1所受的倾覆力矩。外臂以旋转接头2为轴心,进行水平旋转,以旋转接头3为轴心,进行俯仰运动:通过弹簧缸平衡,减少操作力矩。外伸臂以旋转接头4为轴心,进行水平旋转,以旋转接头5为轴心,进行俯仰运动。通过5个旋转接头,装车臂接口可以与任意位置的槽车接口进行对接。

1.2工艺设计

氢气是易燃易爆气体,因此装车前后需把管道置换干净。又因为液氢中不能混入其他气体,因此置换需分成两个步骤。

气液相臂上分别配置有3个阀门:阀门8为主切断阀,阀门9为吹扫阀,阀门10为放空阀。

装车前,阀门8至接口11之间为空气。打开阀门9和槽车放空阀,把管道内空气置换成氮气:再打开阀门9和阀门10,把管道内氮气置换成氢气。

装车后,阀门8至接口11之间为液氢。打开阀门9,将液氢吹入槽车,置换成氢气:再打开阀门10,把氢气置换成氮气,最后可以断开接口连接。

1.3绝热设计

由于液氢是超低温介质,吸热会气化,因此需要绝热。又因为其液化温度低于氧气液化温度,管壁外容易形成液氧,因此考虑真空绝热。

1.3.1管道绝热

以内臂为例,设计夹套管结构,如图2所示。内管1流通液氢,承受介质压力。内管1和外管2之间填充绝热棉4。使用抽真空接头3进行整体抽真空。

1.3.2旋转接头绝热

旋转接头结构如图3所示,其主要由法兰、内圈和外圈三部分组成。内圈与法兰设计成夹套结构,两端可分别与管道的内管和外管焊接。内外圈之间有两圈滚道,装配钢球可实现灵活转动。

旋转接头内外圈是相对转动的,其承受着一定的结构载荷,因此需要有一定的金属连接支撑,但设计上可以减少径向上的传热面积,保持夹套结构,如图3所示。由于其需在低温下相对转动,设计有三道弹性蓄能密封圈。主密封圈、副密封圈用于密封液氢,夹套密封圈用于与外界隔绝。通过两端卡套接头,在夹套间通入微正压氦气,一方面保证腔体内不会进入空气结冰,另一方面隔绝外圈与内圈之间的传热,保证外圈表面温度高于氧气的液化温度。

2技术参数

液氢装车臂使用工况条件苛刻,其主要参数如表1所示。

3设计计算

3.1绝热计算

液化氢的温度很低,传输过程中应尽量避免吸热,造成升温。将整个液相臂传热分为两部分:一部分是真空管道传热,另一部分是金属支撑传热。

3.1.1真空管道传热

按高真空度进行热传导计算。对于同轴圆筒热传导,当气体分子的平均自由程大于内圆筒半径,热流量可用下式表示：

式中:Φ1为热流量(W）:r₂为内管半径(m）:r₁为外管半径(m）:L为圆筒长度(m）:p为气体绝对压力(Pa）:a0为自由分子热传导系数[w/(m2·K·Pa）]:a1、a2为适应系数,空气与不锈钢表面适应系数取0.9。

按初步设计的液氢装车臂取值,r2为2寸管,半径0.03m,r1为3寸管,半径0.0445m,L为整条臂的真空管,长度5m,a0取1.12,真空度p取10Pa,最终计算得A1=8.9w。

为了保证真空破坏时,液氢装车臂依然能保持较好的绝热效果,在真空夹层内添加绝热棉,参考标准《固定式真空绝热深冷压力容器第6部分:安全防护》(GB/T18442.6—2019）式A.9计算热流量:

式中:7a为外表面最高温度(K）:7d为内表面最低温度(K）:U为绝热材料总的传热系数[w/(m2·K）],U=a/li,a为绝热材料的导热系数[w/(m·K）],li为绝热材料的名义厚度(m）:Ar为绝热层内外表面积的平均值(m2）。

按初步设计的液氢装车臂取值,7a取外管表面温度333K,7d取液氢温度20K,绝热材料的传热系数U=0.19,按内管2寸、外管3寸计算绝热层Ar为0.019m2,最终计算得A2≈2.9w。3.1.2金属支撑传热

整条液氢装车臂除了旋转接头内外层有局部刚性连接外,其余均为真空结构。现对此部分传热进行计算,参考《固定式真空绝热深冷压力容器第6部分:安全防护》(GB/T18442.6—2019）式A.2:

式中:Ns,t为金属支撑构件的数量:as,t为金属支撑在温度7a与7d之间的平均导热率[w/(m·K）]:As,t为金属支撑构件的横截面积(m2）:Ls,t为金属支撑构件的长度(m）。

按内外夹套的连接截面进行计算,Ns,t旋转接头数量为5,as,t取值9w/(m·K）,As,t为连接截面平均面积0.0015m2,Ls,t连接截面的长度为0.01m,7a截面最外层温度为63K,7d横截面最内层温度为20K,最终计算得A3≈290w。

3.1.3温升计算

根据传热平衡方程:

式中:gm为液氢质量流量(kg/h）:h2为液氢在入口处的比恰

(kJ/kg）:h1为液氢在出口处的比恰(kJ/kg）:A=A1+A3=298.9w。

可计算出液氢装车臂在设计流量下,温度上升约0.2K,满足设计要求。

3.2有限元分析

液氢装车臂结构比较复杂,只依靠公式计算难以获得每个点的温度和应力。选择ANsYs软件进行模拟分析,给内管壁加载温度-253℃,环境温度定义为65℃,得到温度场如图4所示。可见外表面最低温度在旋转接头处为-162.1℃,高于氧气液化温度,满足设计要求。

图4液氢装车臂温度场

液氢装车臂的受力主要考虑两个方面:一是采用夹套结构后自身载荷更大:二是内外层温差引起的热应力。施加重力载荷、管道内压与热载荷后,得到应力云图(图5）。可见整个液氢装车臂最大应力为130.76MPa,小于材质许用应力,满足设计要求。

图5液氢臂应力云图

4结语

液氢设备的技术还处于探索储备阶段,以上是我公司通过总结大量文献和模拟计算得到的研究成果,后期还需要在实际项目运行中进行验证完善。希望本文能够对液氢设备设计者有所帮助,促进行业发展。