液氢装车臂的技术研究

冯是公 秦栋成 冷启远

摘 要：氢能是当前非常热门的能源，其燃烧后只产生水，具有零碳排放的优点。江苏长隆石化装备有限公司设计了一台专门用于装卸液氢的鹤管，属于非常前沿的装备技术。现对其结构、工艺、绝热设计进行介绍，并通过计算校核其绝热性能和结构可靠性。

关键词：液氢;装车;鹤管;低温

0 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 ℃），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BOG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，進行水平旋转;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[1]。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）;λ0为自由分子热传导系数[W/（m2·K·Pa）];α1、α2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0.03 m，r1为3寸管，半径0.044 5 m，L为整条臂的真空管，长度5 m，λ0取1.12，真空度p取10 Pa，最终计算得Φ1=8.9 W。

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/T 18442.6—2019）式A.9[3]计算热流量：

Φ2=2.6×（Ta-Td）×U×Ar

式中：Ta为外表面最高温度（K）;Td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=λ/ti，λ为绝热材料的导热系数[W/（m·K）]，ti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，Ta取外管表面温度333 K，Td取液氢温度20 K，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0.019 m2，最终计算得Φ2≈2.9 W。

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/T 18442.6—2019）式A.2[3]：

式中：Ns，t为金属支撑构件的数量;λs，t为金属支撑在温度Ta与Td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，λs，t取值9 W/（m·K），As，t为连接截面平均面积0.001 5 m2，Ls，t连接截面的长度为0.01 m，Ta截面最外层温度为63 K，Td横截面最内层温度为20 K，最终计算得Φ3≈290 W。

3.1.3    温升计算

根据传热平衡方程：

qm×（h2-h1）=3.6×Φ[2]

式中：qm为液氢质量流量（kg/h）;h2为液氢在入口处的比焓（kJ/kg）;h1为液氢在出口处的比焓（kJ/kg）;Φ=Φ1+Φ3=298.9 W。

可计算出液氢装车臂在设计流量下，温度上升约0.2 K，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。

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）。可见整个液氫装车臂最大应力为130.76 MPa，小于材质许用应力，满足设计要求。

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。

[参考文献]

[1] 液体装卸臂工程技术要求：HG/T 21608—2012[S].

[2] 杜建梅，王文军，李洁，等.真空绝热管道的传热计算[J].煤气与热力，2011，31（12）：1-3.

[3] 固定式真空绝热深冷压力容器 第6部分：安全防护：GB/T 18442.6—2019[S].

收稿日期：2021-07-29

作者简介：冯是公（1970—），男，上海人，高级工程师，研究方向：机械设计制造及其自动化。