真空絕熱深冷壓力容器結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)工藝要點(diǎn)研究

徐亞玲

【摘 要】本文主要對(duì)真空絕熱深冷壓力容器的基本結(jié)構(gòu)及制造過(guò)程中的設(shè)計(jì)工藝要點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)單明了的介紹，以使更多人能夠了解其結(jié)構(gòu)以及制造中的設(shè)計(jì)工藝要點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】真空絕熱深冷壓力容器；基本結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)工藝要點(diǎn)

中圖分類號(hào)：TH49 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

近幾年，真空絕熱深冷壓力容器市場(chǎng)需求旺盛，生產(chǎn)廠家越來(lái)越多，用于貯運(yùn)的真空絕熱深冷壓力容器也越來(lái)越多，盡管不同的廠家對(duì)于該類容器的設(shè)計(jì)制造有所不同，但其基本結(jié)構(gòu)大致一樣。本文將簡(jiǎn)單介紹真空絕熱深冷壓力容器的基本結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)制造的工藝要點(diǎn)，以幫助更多的人了解真空絕熱深冷壓力容器。

一、真空絕熱深冷壓力容器的基本構(gòu)造

真空深冷絕熱壓力容器一般由內(nèi)容器、外殼、真空絕熱層、內(nèi)容器與外殼間支撐裝置以及管路附件裝置構(gòu)成。

（一）內(nèi)容器

用于盛裝深冷液體，主體材料一般為奧氏體不銹鋼（其中用于盛裝液態(tài)二氧化碳的主體材料使用的是低溫壓力容器用低合金板，如16MnDR板）。

（1）對(duì)于工藝人孔的設(shè)置，深冷容器允許不設(shè)置檢查孔及人孔，但實(shí)際大部分制造廠家為了提高制造質(zhì)量及檢查精度，還是設(shè)置了工藝人孔。

（2）對(duì)于內(nèi)容器相關(guān)附件，進(jìn)液部分設(shè)置上進(jìn)液噴頭（立式罐）、防沖管、噴淋管（臥式罐）以保證冷液均勻進(jìn)入；下進(jìn)液分布或攪拌器（一般僅LNG需要），以防止LNG分層；出液設(shè)置防渦器，以防止渦旋型蒸發(fā)和保護(hù)機(jī)械型抽液設(shè)備的使用安全；采用引管穿壁接頭、凸緣（即單雙面管接頭）以避免薄壁管與較厚的殼壁直接相焊，從而改善了結(jié)構(gòu)的焊接性能。

（二）外殼

用于密封維持真空絕熱層真空以及運(yùn)輸安裝，主體材料一般為碳素鋼或低合金鋼。外殼上的重要結(jié)構(gòu)是防爆裝置、抽真空和側(cè)真空裝置以及從內(nèi)容器引出管路的固定。管路固定通常采用不銹鋼制的平封頭、橢圓封頭、管帽或大直徑不銹鋼管等，以保證流通低溫液、氣時(shí)管路不與外殼直接接觸，避免外殼被凍裂。

（三）真空絕熱夾層

用于保持內(nèi)容器低溫狀態(tài)，主要包括絕熱材料、吸附材料及吸附裝置等。

（四）內(nèi)外容器間的支撐結(jié)構(gòu)

常用的有拉帶帶支腿式（大型立式罐）、徑向直撐帶支腿式（小型立式罐）以及前后下支柱加前后上壓柱式（用于臥式罐）。

（五）管路系統(tǒng)

包括進(jìn)出液管，增壓器進(jìn)液、出氣管，安全泄放與放氣管，液位計(jì)引管，滿液指示管（溢流管、最高液位直觀取信管），分類閥門，壓力表，液位計(jì)，抽真空裝置，測(cè)真空裝置，阻火器以及靜電接地端子（一般貯運(yùn)易燃介質(zhì)的容器設(shè)置）。

二、真空絕熱深冷壓力容器的設(shè)計(jì)制造工藝要點(diǎn)

（一）內(nèi)容器設(shè)計(jì)制造工藝要點(diǎn)

（1）內(nèi)容器設(shè)計(jì)中應(yīng)重視其從環(huán)境溫度冷卻到操作溫度過(guò)程中在支承點(diǎn)處承受的溫差載荷以及由于內(nèi)容器、管道及外殼之間不同的熱膨脹引起的管道反作用力，并分別考慮下列工況：

①進(jìn)液冷卻過(guò)程：內(nèi)容器熱狀態(tài)，管道系統(tǒng)冷狀態(tài)，外殼熱狀態(tài)；

②充裝及卸料過(guò)程：內(nèi)容器、管道系統(tǒng)均是冷狀態(tài)，外殼熱狀態(tài)；

③儲(chǔ)存過(guò)程：內(nèi)容器冷狀態(tài)，管道系統(tǒng)熱狀態(tài)，外殼熱狀態(tài)。

（2）操作時(shí)，壓力急劇波動(dòng)引起的沖擊載荷及液體進(jìn)入內(nèi)容器時(shí)，液體沖擊引起的作用力。

（3）由內(nèi)容器引出的管路系統(tǒng)應(yīng)加管接頭過(guò)渡，這是因?yàn)楣艿琅c殼壁厚度一般相差較大，兩者直接相焊不易保證焊接質(zhì)量，管道所受應(yīng)力也較大。

（4）殼體的圓度與直線度應(yīng)盡可能控制在最小范圍內(nèi)，因?yàn)楣摅w夾層空間?。ìF(xiàn)在的珍珠巖或珠光砂絕熱罐夾層空間一般為240mm左右，鋁箔纏繞罐的夾層空間可為140mm左右，而大型的深冷槽車夾層空間只有60mm左右），如果不控制圓度與直線度，對(duì)套合將造成很大的困難。

（二）外殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）外壓筒體計(jì)算長(zhǎng)度一般取決于加強(qiáng)圈的慣性矩，因此為減重，外殼一般設(shè)置密集低矮型加強(qiáng)圈。近年來(lái)，在低溫槽車的制造中，為擴(kuò)大內(nèi)容器有效容積，而又不使外殼外部尺寸超過(guò)汽車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，有的廠家使用了外加強(qiáng)圈，效果也很好（例如張家港圣達(dá)因公司生產(chǎn)的55.6m3低溫運(yùn)輸半掛車）。

（2）夾層伸出的管道引自低溫端的內(nèi)容器，而外殼材料一般為碳鋼或低合金鋼，外殼難以承受管壁低溫，一般應(yīng)設(shè)不銹鋼過(guò)渡連接，使低溫管壁與外殼之間有足夠的熱阻，以防碳鋼或低合金鋼外殼材料承受深冷載荷，且應(yīng)充分考慮溫度補(bǔ)償。主要應(yīng)用以下結(jié)構(gòu)：

①?gòu)澒苋嵝匝a(bǔ)償，即在管道與外殼間加不銹鋼板、大直徑管、管帽或者平封頭（橢圓封頭）過(guò)渡。

②直管穿出時(shí)設(shè)波紋管補(bǔ)償（此結(jié)構(gòu)不常用）。

（3）對(duì)于夾層抽真空流道，一般采取將真空吸口延伸至絕熱材料內(nèi)部（甚至設(shè)置多個(gè)延伸吸口）的措施，以降低絕熱材料對(duì)抽真空產(chǎn)生的流阻。

（4）防爆裝置開(kāi)啟壓力應(yīng)能夠防止內(nèi)容器失穩(wěn)，且不超過(guò)0.5bar；泄放面積應(yīng)不小于0.34mm2/L內(nèi)容器容積，且任何情況下不必超過(guò)5000mm2。

（三）內(nèi)容器與外殼、支撐連接的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

內(nèi)容器與外殼之間支撐連接件，既要滿足承載強(qiáng)度、剛度的要求，又要有高的熱阻，防止產(chǎn)生隔熱性能差的熱橋。制造中常用的各種結(jié)構(gòu)如下：

（1）用柔性構(gòu)件吊、拉內(nèi)容器，使其懸置于外殼中心，比如吊帶、壓帶、拉帶組成支撐連接系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是只承受拉力，故受力狀態(tài)簡(jiǎn)單明確，易于計(jì)算掌握，可以充分利用夾層空間，加大構(gòu)件長(zhǎng)度，從而加長(zhǎng)熱橋，且不必?fù)?dān)心失穩(wěn)。其缺點(diǎn)是由于全截面承受拉應(yīng)力，安全系數(shù)不能低，且構(gòu)件材料多為不銹鋼，設(shè)備自重大，成本高，且因柔性吊、拉構(gòu)件要充分利用夾層空間，致使內(nèi)、外容器套合時(shí)施工難度大，不易控制位置尺寸。高真空多層絕熱結(jié)構(gòu)夾層空間狹小，這種結(jié)構(gòu)基本無(wú)法使用。

（2）兩端封頭處采用固定支撐件，其優(yōu)點(diǎn)是支撐只有兩個(gè)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，熱橋少。其缺點(diǎn)是支撐件要抗彎、剪、拉、壓，應(yīng)力狀態(tài)不好，單位截面積承載能力低，一般只應(yīng)用于小容器。但據(jù)相關(guān)資料顯示，法國(guó)制造的40英尺液氫罐箱就采用這種結(jié)構(gòu)。

（3）用于立式容器的下支腿加橫拉帶結(jié)構(gòu)。下支腿承受工作狀態(tài)載荷，橫拉帶承受臥置運(yùn)輸時(shí)的空罐運(yùn)輸載荷，其優(yōu)點(diǎn)是承受工作狀態(tài)載荷的下支腿長(zhǎng)度易于掌握，需要時(shí)加熱阻構(gòu)件也易于設(shè)置，設(shè)計(jì)自由度較大，橫拉帶只承受臥置運(yùn)輸時(shí)的空罐運(yùn)輸載荷，承載面不大，熱阻較大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，熱橋少，內(nèi)、外容器套合時(shí)施工容易。其缺點(diǎn)是下支腿承壓，需考慮軸向壓應(yīng)力和橫拉帶失穩(wěn)的聯(lián)合承載能力，致使熱橋加長(zhǎng)時(shí)截面積也隨之加大，抵消了通過(guò)加長(zhǎng)熱橋來(lái)加大熱阻的效果，往往需要設(shè)置輔助熱阻構(gòu)件。目前這種結(jié)構(gòu)在立式罐中應(yīng)用最廣。

（4）用于臥式容器的前后下支柱加前后上壓柱結(jié)構(gòu)，前（滑動(dòng)端）下支柱、上壓柱承壓，后（固定端）下支柱、上壓柱承壓、剪、彎聯(lián)合載荷。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，內(nèi)外容器套合時(shí)施工容易，適應(yīng)性好，適用于包括夾層之間狹小的高真空多層絕熱容器在內(nèi)的多種結(jié)構(gòu)。其缺點(diǎn)是，支撐柱直線連接外殼，熱橋短，需要選用熱阻大的材料制造該類構(gòu)件，而熱阻大的材料往往是非金屬，不得不設(shè)計(jì)輔助結(jié)構(gòu)以防焊接熱可能對(duì)非金屬的傷害；外殼上開(kāi)孔封焊點(diǎn)多，不利于防泄漏控制；支點(diǎn)處殼體上局部應(yīng)力大，需要加補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。目前在臥式容器中此種結(jié)構(gòu)應(yīng)用最廣。

三、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)本文的介紹，希望能引起深冷容器制造業(yè)界的工程技術(shù)人員的共鳴，拋磚引玉，以期與同行業(yè)的專家探討，獲取更多的實(shí)踐知識(shí)，進(jìn)一步提高自己。同時(shí)，使更多的深冷容器的使用者能更簡(jiǎn)單明了地認(rèn)識(shí)深冷容器的基本結(jié)構(gòu)及使用中應(yīng)注意的問(wèn)題，提高該類容器在使用過(guò)程中的安全性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]白帆. 低溫絕熱氣瓶智能化檢驗(yàn)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D].大連海事大學(xué)，2017.

[2]徐鹍鵬. 奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化型移動(dòng)式深冷容器的強(qiáng)度分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].華東理工大學(xué)，2017.

[3]張安，陳聯(lián)，丁棟，孫冬花，朱建炳.絕熱深冷設(shè)備真空性能的檢測(cè)方法分析[J].真空與低溫，2014，20（05）：294-297.