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[摘 要]目前国内市场上低温槽车的内容器大多使用S30408不锈钢，铝合金材质在低温槽车领域的应用还是空白，铝合金在低温环境下力学性能优秀，本文通过市场调研、成本核算和提出焊接方案来分析铝合金在低温槽车内容器上的应用。
[关键词]铝合金内容器 低温槽车 LNG运输
中图分类号：TB661 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）39-0371-01
1 概述
天然气、氧气、氮气等相近介质的运输方式可分为管道运输、船舶运输及低温液体运输，即槽车运输。据专家分析，公路槽车运输是在1000公里距离内最经济性的运输方式。液化天然气（LNG）是目前全球公认的清洁能源，它具有节能、环保、安全、可靠、经济效益突出等众多优点。未来中国的天然气的需求将出现井喷式发展，新兴能源市场需求的快速发展，为我国燃气运输装备制造行业提供了广阔的发展空间。低温槽车制造业的发展竞争将会越来越激烈。
2 铝合金材质低温槽车简述
低温槽车设计已发展成熟，轻量化设计是低温槽车市场竞争的重点，内容器轻型材料的应用能大幅度减少整备质量，由于低温介质特性，一般低温介质的设计温度可达到-196摄氏度，整个罐设计通常采用高真空多层绝热形式，内容器采用低温材料，不锈钢在低温下具有良好低温性能，抗拉强度和屈服强度都能满足使用要求，目前市场上低温槽车均采用不锈钢内容器。为了更大幅度的减少整车的整备质量，轻型材质的内容器将成为发展趋势，铝合金具有良好的低温性能，必然成为轻量化低温材质首选。
2.1 内容器设计方案
低温金属材料机械性能与常温状态下相比有较大差别，某些金属材料会在低温发生低温冷脆转变，但铝合金材料具有密度低、无磁性、低温下合金相稳定、在磁场中比电阻小、气密性好等特性，越来越广泛的应用于低温领域。综合考虑材料的耐腐蚀性、力学性能、焊接性能，参考JB4734-2002《铝制焊接容器》中推荐材料，牌号为5083铝合金适用于低温槽车内容器。
以下以液化天然气（LNG）为例，详细对铝合金材质在低温容器上应用的可行性进行分析。
LNG运输车的设计目前结构已发展成熟，业内常采用不锈钢内容器，碳钢外容器，夹层空间采用高真空多层绝热。现将内容器采用5083铝合金，外容器采用Q345R钢板，夹层管路及外部管路采用不锈钢管。
供货状态为O态的5083板的抗拉强度下限值Rm为275MPa，非比例延伸强度RP0.2值为125MPa，根据TSG R0005-2011《移动式压力容器安全技术监察规程》，铝及铝合金的安全系数nb取3， ns取1.5，则[σ]t取275/3与125/1.5中较小值，为83MPa。根据该许用应力值设计，内容器有如下方案：
极限容积设计
筒體壁厚计算公式
δ=PcDi/2[σ]tφ-Pc，其中Pc为计算压力取0.785MPa，Di为内径 2398 mm，[σ]t为83 MPa，φ为0.95。
筒体计算厚度δ=11.996mm 选用实际厚度为12mm的板材，筒体用料重量为2810KG，封头选用实际厚度为14mm，封头重量为242KG。内容器相对同容积S30408板节约重量约1500KG。
根据分析和实验，5083非比例延伸强度RP1.0值为163MPa，[σ]t取值为108MPa，则根据上述公式得δ取10mm，筒体用料为2340 KG，封头重量为210KG。内容器相对同容积的S30408板节约重量约2000KG。
2.2 焊接
2.2.1由于铝合金材料性质，铝合金焊接存在以下特点：
2.2.1.1铝在空气中及焊接时极易氧化，生成的氧化铝（Al2O3）熔点高、非常稳定，不易去除。铝材的表面氧化膜和吸附大量的水分，易使焊缝产生气孔，焊接前应进行严格的表面清理，清除其表面氧化膜。在焊接过程加强保护，防止其氧化。
2.2.1.2铝的热导率是奥氏体不锈钢的十几倍，在焊接过程中，大量的热量能被迅速扩散，因而焊接铝时，为了获得高质量的焊接接头，应当尽量采用能量集中、功率大的能源，必要时采用预热等工艺措施。
2.2.1.3铝的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的两倍。根据生产经验，当含硅5%～6%时可不产生热裂，因而采用SAlSi条（硅含量4.5%～6%）焊丝会有更好的抗裂性。
2.2.1.4铝对光、热的反射能力较强，固、液转态时，没有明显的色泽变化，焊接操作时判断难。高温铝强度很低，支撑熔池困难，容易焊穿。
2.2.1.5铝在液态能溶解大量的氢，固态几乎不溶解氢。在焊接熔池凝固和快速冷却的过程中，氢来不及溢出，极易形成氢气孔。弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分，都是焊缝中氢气的重要来源。因此，对氢的来源要严格控制，以防止气孔的形成。
2.2.1.6母材基体金属如为变形强化或固溶时效强化时，焊接热会使热影响区的强度下降。
2.2.1.7铝为面心立方晶格，没有同素异构体，加热与冷却过程中没有相变，焊缝晶粒易粗大，不能通过相变来细化晶粒。
2.3 夹层管路与内容器焊接方案
由于铝合金材质与夹层不锈钢管为异种材质，夹层空间为高真空状态，外罐体不设有维修口，所以夹层管路一旦发生泄漏，维修工作难度巨大，所以对焊接强度、密封性要求极为严格，夹层管路与内容器焊接目前有以下几种方案
2.3.1采用复合板加强的接头，复合板为不锈钢、铝合金复合板，铝合金层与罐焊接，不锈钢层与管接缘焊接，管接缘采用S30408.
2.3.2采用不锈钢板加强的接头，不锈钢的加强板内圈与管接头焊接，外缘与铝合金筒体钎焊，管接缘采用S30408.
2.3.3采用钢铝管接缘形式，采用特制的钢铝管接缘，铝材质一端与罐焊接，不锈钢一端与管路焊接。
3 主要技术难题分析
3.1由于外容器采用碳钢，夹层管路选用不锈钢管，夹层采用高真空多层绝热，对密封性要求极为严格，夹层不锈钢管与铝合金的异种材质焊接问题需要解决，本文中提出的几种解决方案，需要进一步实验及实践论证。
3.2板材供货问题。经了解，多数铝合金板材生产商5083板的生产能力为小于8mm，目前市场主流为RP0.2板，对于多数低温介质在装卸过程都存在一定的压力，内容器的的板材依照本文中的举例要求采用12 mm正差板，以及RP1.0的5083板材还没有成为市场的主流，采购难度更大。
4 结论
4.1经过计算、查找资料及市场调研了解到，铝合金材质的化学成分、力学性能能够满足LNG运输车内容器的设计要求，并在国外有成功使用的案例。铝合金材质轻，通过使用铝合金材质能够达到减轻罐车整备质量的目的。
4.2从成本上考虑，使用RP0.2 5083铝合金板的内容器的与不锈钢板的材料成本上相比较，铝合金材料相对要节约一部分成本，而使用RP1.05083板，将节约更多成本。
4.3铝合金内容器与不锈钢内容器相比较将减少2000KG的重量，可大大减少运输过程中的耗油量。
综上所述，低温槽车的轻量化设计是必然的趋势，轻型材料的使用也是必然，铝合金作为常见的轻型材料，在低温环境下力学性能满足要求，能够作为低温槽车的内容器材料，材料成本相对不锈钢材料要节约一部分，并将大大减轻整车的整备质量，减少汽车的耗油量，提高市场竞争力。
参考文献
[1] 张艳姝、周义、金泉林.工业铝合金5182和6016的超塑性研究――材料热处理学报第25卷第4期
[2] 郝安林、赵亚东.铝合金焊接方法的研究现状――安阳工学院学报第9卷第6期 2010，12
[关键词]铝合金内容器 低温槽车 LNG运输
中图分类号：TB661 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）39-0371-01
1 概述
天然气、氧气、氮气等相近介质的运输方式可分为管道运输、船舶运输及低温液体运输，即槽车运输。据专家分析，公路槽车运输是在1000公里距离内最经济性的运输方式。液化天然气（LNG）是目前全球公认的清洁能源，它具有节能、环保、安全、可靠、经济效益突出等众多优点。未来中国的天然气的需求将出现井喷式发展，新兴能源市场需求的快速发展，为我国燃气运输装备制造行业提供了广阔的发展空间。低温槽车制造业的发展竞争将会越来越激烈。
2 铝合金材质低温槽车简述
低温槽车设计已发展成熟，轻量化设计是低温槽车市场竞争的重点，内容器轻型材料的应用能大幅度减少整备质量，由于低温介质特性，一般低温介质的设计温度可达到-196摄氏度，整个罐设计通常采用高真空多层绝热形式，内容器采用低温材料，不锈钢在低温下具有良好低温性能，抗拉强度和屈服强度都能满足使用要求，目前市场上低温槽车均采用不锈钢内容器。为了更大幅度的减少整车的整备质量，轻型材质的内容器将成为发展趋势，铝合金具有良好的低温性能，必然成为轻量化低温材质首选。
2.1 内容器设计方案
低温金属材料机械性能与常温状态下相比有较大差别，某些金属材料会在低温发生低温冷脆转变，但铝合金材料具有密度低、无磁性、低温下合金相稳定、在磁场中比电阻小、气密性好等特性，越来越广泛的应用于低温领域。综合考虑材料的耐腐蚀性、力学性能、焊接性能，参考JB4734-2002《铝制焊接容器》中推荐材料，牌号为5083铝合金适用于低温槽车内容器。
以下以液化天然气（LNG）为例，详细对铝合金材质在低温容器上应用的可行性进行分析。
LNG运输车的设计目前结构已发展成熟，业内常采用不锈钢内容器，碳钢外容器，夹层空间采用高真空多层绝热。现将内容器采用5083铝合金，外容器采用Q345R钢板，夹层管路及外部管路采用不锈钢管。
供货状态为O态的5083板的抗拉强度下限值Rm为275MPa，非比例延伸强度RP0.2值为125MPa，根据TSG R0005-2011《移动式压力容器安全技术监察规程》，铝及铝合金的安全系数nb取3， ns取1.5，则[σ]t取275/3与125/1.5中较小值，为83MPa。根据该许用应力值设计，内容器有如下方案：
极限容积设计
筒體壁厚计算公式
δ=PcDi/2[σ]tφ-Pc，其中Pc为计算压力取0.785MPa，Di为内径 2398 mm，[σ]t为83 MPa，φ为0.95。
筒体计算厚度δ=11.996mm 选用实际厚度为12mm的板材，筒体用料重量为2810KG，封头选用实际厚度为14mm，封头重量为242KG。内容器相对同容积S30408板节约重量约1500KG。
根据分析和实验，5083非比例延伸强度RP1.0值为163MPa，[σ]t取值为108MPa，则根据上述公式得δ取10mm，筒体用料为2340 KG，封头重量为210KG。内容器相对同容积的S30408板节约重量约2000KG。
2.2 焊接
2.2.1由于铝合金材料性质，铝合金焊接存在以下特点：
2.2.1.1铝在空气中及焊接时极易氧化，生成的氧化铝（Al2O3）熔点高、非常稳定，不易去除。铝材的表面氧化膜和吸附大量的水分，易使焊缝产生气孔，焊接前应进行严格的表面清理，清除其表面氧化膜。在焊接过程加强保护，防止其氧化。
2.2.1.2铝的热导率是奥氏体不锈钢的十几倍，在焊接过程中，大量的热量能被迅速扩散，因而焊接铝时，为了获得高质量的焊接接头，应当尽量采用能量集中、功率大的能源，必要时采用预热等工艺措施。
2.2.1.3铝的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的两倍。根据生产经验，当含硅5%～6%时可不产生热裂，因而采用SAlSi条（硅含量4.5%～6%）焊丝会有更好的抗裂性。
2.2.1.4铝对光、热的反射能力较强，固、液转态时，没有明显的色泽变化，焊接操作时判断难。高温铝强度很低，支撑熔池困难，容易焊穿。
2.2.1.5铝在液态能溶解大量的氢，固态几乎不溶解氢。在焊接熔池凝固和快速冷却的过程中，氢来不及溢出，极易形成氢气孔。弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分，都是焊缝中氢气的重要来源。因此，对氢的来源要严格控制，以防止气孔的形成。
2.2.1.6母材基体金属如为变形强化或固溶时效强化时，焊接热会使热影响区的强度下降。
2.2.1.7铝为面心立方晶格，没有同素异构体，加热与冷却过程中没有相变，焊缝晶粒易粗大，不能通过相变来细化晶粒。
2.3 夹层管路与内容器焊接方案
由于铝合金材质与夹层不锈钢管为异种材质，夹层空间为高真空状态，外罐体不设有维修口，所以夹层管路一旦发生泄漏，维修工作难度巨大，所以对焊接强度、密封性要求极为严格，夹层管路与内容器焊接目前有以下几种方案
2.3.1采用复合板加强的接头，复合板为不锈钢、铝合金复合板，铝合金层与罐焊接，不锈钢层与管接缘焊接，管接缘采用S30408.
2.3.2采用不锈钢板加强的接头，不锈钢的加强板内圈与管接头焊接，外缘与铝合金筒体钎焊，管接缘采用S30408.
2.3.3采用钢铝管接缘形式，采用特制的钢铝管接缘，铝材质一端与罐焊接，不锈钢一端与管路焊接。
3 主要技术难题分析
3.1由于外容器采用碳钢，夹层管路选用不锈钢管，夹层采用高真空多层绝热，对密封性要求极为严格，夹层不锈钢管与铝合金的异种材质焊接问题需要解决，本文中提出的几种解决方案，需要进一步实验及实践论证。
3.2板材供货问题。经了解，多数铝合金板材生产商5083板的生产能力为小于8mm，目前市场主流为RP0.2板，对于多数低温介质在装卸过程都存在一定的压力，内容器的的板材依照本文中的举例要求采用12 mm正差板，以及RP1.0的5083板材还没有成为市场的主流，采购难度更大。
4 结论
4.1经过计算、查找资料及市场调研了解到，铝合金材质的化学成分、力学性能能够满足LNG运输车内容器的设计要求，并在国外有成功使用的案例。铝合金材质轻，通过使用铝合金材质能够达到减轻罐车整备质量的目的。
4.2从成本上考虑，使用RP0.2 5083铝合金板的内容器的与不锈钢板的材料成本上相比较，铝合金材料相对要节约一部分成本，而使用RP1.05083板，将节约更多成本。
4.3铝合金内容器与不锈钢内容器相比较将减少2000KG的重量，可大大减少运输过程中的耗油量。
综上所述，低温槽车的轻量化设计是必然的趋势，轻型材料的使用也是必然，铝合金作为常见的轻型材料，在低温环境下力学性能满足要求，能够作为低温槽车的内容器材料，材料成本相对不锈钢材料要节约一部分，并将大大减轻整车的整备质量，减少汽车的耗油量，提高市场竞争力。
参考文献
[1] 张艳姝、周义、金泉林.工业铝合金5182和6016的超塑性研究――材料热处理学报第25卷第4期
[2] 郝安林、赵亚东.铝合金焊接方法的研究现状――安阳工学院学报第9卷第6期 2010，12