深冷压力容器设计规范与方法
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2019年12月10日GB/T 18442.1~6-2019《固定式真空绝热深冷压力容器》标准颁布实施。
新版标准较旧版有较大的改动,概括如下:①内容和格式上与现行国家标准、安全法规进一步协调一致,加强了标准的通用性,术语更加清晰、严谨;设计、制造权责更加明确。
②对容器承压部分、外壳体、夹层内材料等各个部分均给出了明确的执行标准,给出推荐材料并提出额外的指标要求。
③汲取了近年来固定式真空绝热深冷压力容器(以下简称“深冷容器”)在材料、设计、制造、检验方面的新技术、新成果、新工艺,总结了运行管理方面的经验,并对容器失效形式进行分析,有针对性地丰富和完善标准条款,以指导设计。
④去掉部分刚性条款,赋予设计者与制造厂更多创新与实践的机会。
笔者将对新标准中的总则、材料、设计、制造部分主要改动内容进行分析解读。
1总则部分在深冷容器自身界定范围、术语、设计制造资质、各方职责方面均有变化(见表1)。
引入TSG07《特种设备生产和充装单位许可规则》,“许可规则”中对设计、制造单位的资质进行了一定的调整,本标准旨在与安全技术法规协调一致。
原A2设计、制造资质基本可以涵盖深冷容器制造厂的业务范围,现调整后的设计与制造资质一起进行取证,(见表2)。
2材料部分新版标准对材料部分进行了一定的扩展:一是对夹层保冷相关材料列出执行标准,二是对受压件部分提出更详细的技术要求,增强了标准的完备性(见表3)。
1.一重集团大连工程技术有限公司工程师,辽宁大连116600;2.一重集团大连工程技术有限公司高级工程师,辽宁大连116600;3.一重集团大连工程技术有限公司助理工程师,辽宁大连116600新版《固定式真空绝热深冷压力容器》介绍侯景纯1,赵石军2,杨夫裕2,张健昌3摘要:对GB/T 18442.1~4-2019《固定式真空绝热深冷压力容器》标准中部分条款进行解读。
鉴于新版标准有较大改动,仅对其中总则、材料、设计、制造部分主要变化内容进行介绍。
武汉大学2015-2016学年第1学期科研训练论文题目:深冷压力容器的设计规范与方法姓名:学号:学院:机械工程学院专业:指导老师:2015年 12 月目录0、引言 (3)1、深冷压力容器的基本构造 (3)2、固定式真空绝热深冷压力容器的选材 (4)2.1筒体的选材 (4)2.2绝热材料的选材 (4)2.3支撑构件的选材 (5)2.4管路系统 (5)3、深冷压力压力容器设计规范与要点 (5)3.1、深冷压力容器所遵循的设计规范 (5)3.2、内容器的结构设计要点 (6)3.3外壳的结构设计要点 (8)3.4、内容器与外壳、支撑连接的设计要点 (9)3.5、管路系统的特殊要求 (11)3.6、真空寿命及吸附剂的添加量 (11)4、压力容器制造要求 (12)5、深冷压力容器的检验 (13)5.1 图样及制造工艺 (13)5.2 材料 (13)5.3 焊接 (13)5.4 外观和几何尺寸 (14)5.5 无损检测 (14)5.6 热处理 (14)5.7 耐压试验 (14)5.8 安全附件 (14)5.9 泄漏性试验(气密性试验) (14)5.10 出厂技术资料 (15)页16、国内外深冷压力容器设计比较 (15)6.1国内设计标准的缺乏与现状 (15)6.2低温界定比较 (15)7、结语 (16)参考文献 (17)页2深冷压力容器的设计规范与方法李小云武汉轻工大学机械工程学院摘要:深冷压力容器主要包含固定式深冷压力容器和移动式压力容器两大类,结构型式多种多样,深冷容器的设计和制造,以及安全运行,需要多项关键技术,包括结构设计技术、低温绝热技术和标准化技术。
本文介绍了钢制真空绝热深冷压力容器设计时可以参考的设计规范,并针对该类容器的设计、选材、制造、检验等几方面的要求进行了论述。
关键词:深冷压力容器、真空绝热0、引言近几年,真空绝热深冷压力容器市场需求旺盛,生产厂家越来越多,用于贮运的真空绝热深冷压力容器也越来越多,尽管不同的厂家对于该类容器的设计制造有所不同,但其基本结构大致一样。
您的位置: 首页 -> 标准公告 -> 国家标准公告 -> 正文中华人民共和国国家标准批准发布公告2011年 第18号来源:国家标准化管理委员会 日期:2011-11-24 16:35:20 关于批准发布《压力容器 第1部分:通用要求》等79项国家标准的公告 国家质量监督检验检疫总局、国家标准化管理委员会批准《压力容器 第1部分:通用要求》等79项国家标准,现予以公布(见附件)。
二〇一一年十一月二十一日 附件: 批准发布79项国家标准。
序号国家标准编号国家标准名称代替标准号实施日期2012-03-01 1GB 150.1-2011压力容器第1部分:通用要求部分代替:GB 150-19982012-03-01 2GB 150.2-2011压力容器第2部分:材料部分代替:GB 150-19982012-03-01 3GB 150.3-2011压力容器第3部分:设计部分代替:GB 150-19982012-03-01 4GB 150.4-2011压力容器第4部分:制造、检验和验收部分代替:GB 150-19982012-06-01 5GB/T 273.1-2011滚动轴承外形尺寸总方案第1部分:圆锥滚子轴承GB/T 273.1-2003,GB/T 4648-19966GB/T 5605-2011醋酸纤维滤棒GB/T 5605-20022012-03-017GB 8334-2011液化石油气钢瓶定期检验与评定GB 8334-19992012-10-018GB/T 9956-2011青鱼鱼苗、鱼种GB/T 9956-19882012-03-019GB/T 11164-2011真空镀膜设备通用技术条件GB/T 11164-19992012-06-0110GB/T 16178-2011场(厂)内机动车辆安全检验技术要求GB/T 16178-19962012-05-0111GB/T 18300-2011自动控制钠离子交换器技术条件GB/T 18300-20012012-05-0112GB/T 18442.1-2011固定式真空绝热深冷压力容器第1部分:总则部分代替:2012-05-01GB 18442-200113GB/T 18442.2-2011固定式真空绝热深冷压力容器第2部分:材料部分代替:2012-05-01GB 18442-20012012-05-01 14GB/T 18442.3-2011固定式真空绝热深冷压力容器第3部分:设计部分代替:GB 18442-20012012-05-01 15GB/T 18442.4-2011固定式真空绝热深冷压力容器第4部分:制造部分代替:GB 18442-20012012-05-01 16GB/T 18442.5-2011固定式真空绝热深冷压力容器第5部分:检验与试验部分代替:GB 18442-20012012-05-01 17GB/T 18442.6-2011固定式真空绝热深冷压力容器第6部分:安全防护部分代替:GB 18442-200118GB/T 18870-2011节水型产品通用技术条件GB/T 18870-20022012-07-01 19GB/T 20060-2011滚动轴承圆柱滚子轴承可分离斜挡圈外形尺寸GB/T 20060-20062012-06-0120GB/T 25753.3-2011真空技术罗茨真空泵性能测量方法第3部分:溢流阀 2012-06-01压差的测量21GB/T 27512-2011埋地钢质管道风险评估方法 2012-05-01 22GB/T 27513-2011载人低压舱 2012-05-01 23GB/T 27514-2011沙地草场牧草补播技术规程 2012-03-01 24GB/T 27515-2011天然割草地轮刈技术规程 2012-03-01 25GB/T 27516-2011驼绒藜属植物栽培技术规程 2012-03-0126GB/T 27517-2011鉴别猪繁殖与呼吸综合征病毒高致病性与经典毒株复 2012-03-01合RT-PCR方法27GB/T 27518-2011西尼罗病毒病检测方法 2012-03-01 28GB/T 27519-2011畜禽屠宰加工设备通用要求 2012-03-01 29GB/T 27520-2011暗纹东方鲀 2012-03-01 30GB/T 27521-2011猪流感病毒核酸RT-PCR检测方法 2012-03-01 31GB/T 27522-2011畜禽养殖污水采样技术规范 2012-03-0132GB/T 27523-2011卷烟主流烟气中挥发性有机化合物(1,3-丁二烯、异 2012-03-01戊二烯、丙烯腈、苯、甲苯)的测定气相色谱-质谱联用法33GB/T 27524-2011卷烟主流烟气中半挥发性物质(吡啶、苯乙烯、喹 2012-03-01啉)的测定气相色谱-质谱联用法34GB/T 27525-2011卷烟侧流烟气中苯并[a]芘的测定气相色谱-质谱联用 2012-03-01法35GB/T 27526-2011PROFIBUS过程控制设备行规 2012-03-0136GB/T 27527-2011禽脑脊髓炎诊断技术 2012-03-01 37GB/T 27528-2011口蹄疫病毒实时荧光RT-PCR检测方法 2012-03-01 38GB/T 27529-2011马接触传染性子宫炎诊断技术 2012-03-01 39GB/T 27530-2011牛出血性败血病诊断技术 2012-03-0140GB/T 27531-2011病毒性脑病和视网膜病病原逆转录-聚合酶链式反应 2012-03-01(RT-PCR)检测方法41GB/T 27532-2011犬瘟热诊断技术 2012-03-01 42GB/T 27533-2011犬细小病毒病诊断技术 2012-03-01 43GB/T 27534.1-2011畜禽遗传资源调查技术规范第1部分:总则 2012-03-01 44GB/T 27534.2-2011畜禽遗传资源调查技术规范第2部分:猪 2012-03-01 45GB/T 27534.3-2011畜禽遗传资源调查技术规范第3部分:牛 2012-03-01 46GB/T 27534.4-2011畜禽遗传资源调查技术规范第4部分:绵羊 2012-03-01 47GB/T 27534.5-2011畜禽遗传资源调查技术规范第5部分:山羊 2012-03-01 48GB/T 27534.6-2011畜禽遗传资源调查技术规范第6部分:马(驴) 2012-03-01 49GB/T 27534.7-2011畜禽遗传资源调查技术规范第7部分:骆驼 2012-03-01 50GB/T 27534.8-2011畜禽遗传资源调查技术规范第8部分:家兔 2012-03-01 51GB/T 27534.9-2011畜禽遗传资源调查技术规范第9部分:家禽 2012-03-01 52GB/T 27535-2011猪流感HI抗体检测方法 2012-03-01 53GB/T 27536-2011猪流感病毒分离与鉴定方法 2012-03-0154GB/T 27537-2011动物流感检测 A型流感病毒分型基因芯片检测操作规 2012-03-01程55GB/T 27538-2011动物流感检测 A型H1N1流感病毒中HA、NA的焦磷 2012-03-01酸测序检测方法56GB/T 27539-2011动物流感检测 A型流感病毒通用荧光RT-PCR检测方 2012-03-01法57GB/T 27540-2011猪瘟病毒实时荧光RT-PCR检测方法 2012-03-0158GB/T 27541-2011货运缆车技术规范 2012-05-0159GB/T 27542-2011蓄电池托盘搬运车 2012-05-01 60GB/T 27543-2011手推升降平台搬运车 2012-05-01 61GB/T 27544-2011工业车辆电气要求 2012-05-01 62GB/T 27545-2011水平循环类机械式停车设备 2012-05-01 63GB/T 27546-2011起重机械滑轮 2012-05-01 64GB/T 27547-2011升降工作平台导架爬升式工作平台 2012-05-01 65GB/T 27548-2011移动式升降工作平台安全规则、检查、维护和操作 2012-05-01 66GB/T 27549-2011移动式升降工作平台操作人员培训 2012-05-012012-10-01 67GB 27550-2011气瓶充装站安全技术条件GB 17264-1998,GB 17265-1998,GB 17266-1998,GB 17267-199868GB/T 27551-2011金属材料焊缝破坏性试验断裂试验 2012-06-01 69GB/T 27552-2011金属材料焊缝破坏性试验焊接接头显微硬度试验 2012-06-0170GB/T 27553.1-2011塑料-青铜-钢背三层复合自润滑板材技术条件第1部 2012-06-01分:带改性聚四氟乙烯(PTFE)减摩层的板材71GB/T 27553.2-2011塑料-青铜-钢背三层复合自润滑板材技术条件第2部 2012-06-01分:带改性聚甲醛(POM)减摩层的板材72GB/T 27554-2011滚动轴承带座外球面球轴承代号方法 2012-06-01 73GB/T 27555-2011滚动轴承带座外球面球轴承技术条件 2012-06-01 74GB/T 27556-2011滚动轴承向心轴承定位槽尺寸和公差 2012-06-01 75GB/T 27557-2011滚动轴承直线运动滚动支承代号方法 2012-06-01 76GB/T 27558-2011滚动轴承直线运动滚动支承分类 2012-06-01 77GB/T 27559-2011滚动轴承机床主轴用圆柱滚子轴承 2012-06-01 78GB/T 27560-2011滚动轴承外球面球轴承铸造座技术条件 2012-06-01 79GB/T 27690-2011砂浆和混凝土用硅灰 2012-08-01 备注:GB 150-1998、GB 18442-2001已全部被代替完。
奥氏体不锈钢深冷容器室温应变强化技术郑津洋,郭阿宾,缪存坚,马利,吴琳琳(浙江大学化工机械研究所,浙江杭州310027)摘要:随着低温液化气体的日益广泛应用,深冷容器的需求量不断增加。
在安全的前提下,实现深冷容器的轻量化,对于节能降耗具有重要意义。
采用室温应变强化技术可以提高奥氏体不锈钢的屈服强度,显著减薄奥氏体不锈钢制深冷容器的壁厚,减轻重量。
中国、美国、德国、澳大利亚等已将该技术用于制造奥氏体不锈钢深冷容器。
本文在简要介绍室温应变强化技术发展历史、标准和优点的基础上,着重分析讨论了该技术推广应用中遇到的常见问题。
关键词:奥氏体不锈钢;深冷容器;轻量化;室温应变强化技术Cold Stretching Technique for Austenitic Stainless SteelCryogenic Pressure VesselsZHENG Jin-yang, GUO A-bin, MIAO Cun-jian, MA Li, WU Lin-lin(Institute of Process Equipment, Zhejiang University, Hangzhou 310027)Abstract: As the widespread application of cryogenic liquefied gas, the number of cryogenic vessels needed is increasing. On the premise of safety, realizing light-weight of cryogenic vessels has significance to energy conservation and emission reduction. Yield strength of austenitic stainless steel can be enhanced and the wall thickness and weight of austenitic stainless steel cryogenic vessels can be reduced by using cold stretching technique. Nowadays, this technique has been used to manufacture austenitic stainless steel cryogenic vessels in China, America, Germany, Australia and so on. The authors answered the frequently asked questions after giving a brief introduction of the history, standards and advantages of cold stretching technique.Key words: austenitic stainless steel; cryogenic vessels;light-weight; cold stretching technique1引言近年来,随着我国国民经济的迅速发展和低温技术应用的日益普及,液氮、液氧、液氢、液氩、液氦、液化天然气等低温液化气体的应用日趋广泛,奥氏体不锈钢深冷容器的需求量不断增长。
3700m m17000 mm图1 液氢储罐外观结构示意图Fig. 1 Schematic diagram of appearance structure of liquidhydrogen storage tank液氢储罐为真空绝热深冷压力容器,由内容器和外容器套合组成双层卧式圆柱形筒体。
液氢储罐内容器采用S31608不锈钢,能够满足-253 ℃的最低设计金属温度。
根据液氢储罐外罐的设计温度(-40~150 ℃),16MnDR和奥氏体不锈钢均符合“选取的材料应能满足-40 ,男,教授级高工,主要从事铁路深冷装备,液氢装备及铁路冷链装备研发设计及技术管理等工作。
2 液氢储罐内外容器之间绝热材料测试Fig. 2 Test of thermal insulation materials between inner and outer containers of liquid hydrogen storage tank在液氢储罐内外容器套合形成夹层空间后,进行抽真空处理。
容器夹层和各真空管路夹套各自独立,在罐体上设置有ZK-50-2型超高真空阀,抽口直径为DN50,采用金属密封结构,a. 焊接工装设备b. 焊缝细节3 焊缝采用P+T等离子焊接工艺Fig. 3 Weld adopts P+T plasma welding采用实时成像工艺对容器及管路上所有进行100%的射线探伤,2015标准规定的II级要求;对类焊缝进行了100%的渗透表面探伤,符合—2015标准规定的I级要求。
液氢储罐内容器内外表面及外壳内壁均进行了酸洗钝化处理,制造过程中严密控制和检查容器内部、夹层及管道内的多余物和洁净度,进行清洁、脱脂处理并禁油,脱脂后及时将脱脂件内部残液排净,并用高纯氮气吹干,确保图4 低温性能测试Fig. 4 Low temperature performance test第5期STRUCTURAL DESIGN AND MANUFACTURE OF SMALL-SCALELIQUID HYDROGEN STORAGE TANKHe Yuanxin 1,2,Xiong Zhenyan 1,Wang Hongxing 3,Yuan Jiao 1,Wu Huimin 1,Liu Guozhu 1(1. Institute of Cold Transportation Equipment ,Yangtze Corporation of China Railway Rolling Stock Corporation ,Wuhan 430212,China ;2. Mobile Pressure Vessel Technical Committee ,National Technical Committee for Standardization of Boiler and Pressure Vessel ,Shanghai 200240,China ;3. Tianjin University of Science and Technology ,Tianjin 300457,China )Abstract :In order to meet the storage requirements of small volume liquid hydrogen of a project ,a 4 m 3small-scale liquid hydrogen storage tank is developed. The tank body adopts high vacuum multilayer insulation structure ,the support structure between inner and outer containers adopts metal support structure at both ends , and Ag400 adsorbent is used to control the vacuum degree of interlayer. In terms of main material ,the inner container adopts S31608 stainless steel ,the shell adopts S30408 stainless steel ,and PAW+GTAW plasma welding ,real-time imaging and cantilever assembling manufacturing process are adopted. The test results under the condition of loading liquid nitrogen show that the vacuum degree of the body interlayer of the designed small-scale liquid hydrogen storage tank is 3.5×10-3 Pa ,and the static daily evaporation rate is 0.82%.Keywords :liquid hydrogen ;storage tank ;high vacuum multilayer insulation ;static evaporation rate技术应用何远新等:小型液氢储罐的结构设计及制造。
武汉大学2015-2016学年第1学期科研训练论文题目:深冷压力容器的设计规范与方法姓名:学号:学院:机械工程学院专业:指导老师:2015年 12 月目录0、引言 (3)1、深冷压力容器的基本构造 (3)2、固定式真空绝热深冷压力容器的选材 (4)2.1筒体的选材 (4)2.2绝热材料的选材 (4)2.3支撑构件的选材 (5)2.4管路系统 (5)3、深冷压力压力容器设计规范与要点 (5)3.1、深冷压力容器所遵循的设计规范 (5)3.2、内容器的结构设计要点 (6)3.3外壳的结构设计要点 (8)3.4、内容器与外壳、支撑连接的设计要点 (9)3.5、管路系统的特殊要求 (11)3.6、真空寿命及吸附剂的添加量 (11)4、压力容器制造要求 (12)5、深冷压力容器的检验 (13)5.1 图样及制造工艺 (13)5.2 材料 (13)5.3 焊接 (13)5.4 外观和几何尺寸 (14)5.5 无损检测 (14)5.6 热处理 (14)5.7 耐压试验 (14)5.8 安全附件 (14)5.9 泄漏性试验(气密性试验) (14)5.10 出厂技术资料 (15)页16、国内外深冷压力容器设计比较 (15)6.1国内设计标准的缺乏与现状 (15)6.2低温界定比较 (15)7、结语 (16)参考文献 (17)页2深冷压力容器的设计规范与方法李小云武汉轻工大学机械工程学院摘要:深冷压力容器主要包含固定式深冷压力容器和移动式压力容器两大类,结构型式多种多样,深冷容器的设计和制造,以及安全运行,需要多项关键技术,包括结构设计技术、低温绝热技术和标准化技术。
本文介绍了钢制真空绝热深冷压力容器设计时可以参考的设计规范,并针对该类容器的设计、选材、制造、检验等几方面的要求进行了论述。
关键词:深冷压力容器、真空绝热0、引言近几年,真空绝热深冷压力容器市场需求旺盛,生产厂家越来越多,用于贮运的真空绝热深冷压力容器也越来越多,尽管不同的厂家对于该类容器的设计制造有所不同,但其基本结构大致一样。
本文将简单介绍真空绝热深冷压力容器的基本结构及设计制造的工艺要点,以帮助更多的人了解真空绝热深冷压力容器。
1、深冷压力容器的基本构造深冷容器按照不同的标准分成很多类型,为了满足实际使用的需要,不同类型的深冷压力容器的结构会有差异,但是深冷压力容器的一些基本结构还是相同的,深冷压力容器的基本结构主要包括以下一些部分:1)容器主题:包括内容器、绝热组织、外壳体、以及相关的支撑结构等2)检测设施:包括压力表、温度计、用于测量内容器充装量的液面计等。
3)低温液体和气体的注入、排除管道与阀门以及回收系统。
4)安全附件:如容器的爆破片、安全网、紧急排液阀等。
5)其他附件:如吸附盘、支座、抽气口以及运输式容器中的消晃板等。
页32、固定式真空绝热深冷压力容器的选材固定式真空深冷压力容器一般由筒体、真空绝热层、支撑构件以及管路附件装置构成。
2.1筒体的选材由于深冷容器一般均采用真空多层的绝热形式,所以其整体结构上有内、外容器组成,内容器一般采用奥氏体不锈钢,外容器采用普通碳钢即可满足要求。
低温容器用材不仅要求在低温下保证正常工作,同时也要保证其常温的工作性能,所以对于其所使用的材料不仅要满足常温机械性能,同时也要满足低温下所需的机械性能,尤其是冲击功和相对延伸率的要求旧针对以上要求,对于使用在低温状态下的材料,为了防止材料在低温下的低应力脆断,一般采用奥氏体组织的材料如:奥氏体不锈钢、铜及铜合金、铝及铝合金等。
这是因为经过对低应力脆性断裂特点的研究,对金属断裂机理进行分析,发现金属的低温韧性,即缺口尖端处的金属微观塑性变形能力,是决定设备抵抗应力脆断破坏的能力。
实验表明,具有面心立方结构的金属如铜、铝、镍和奥氏体类钢则基本上没有这种温度效应,即没有低应力脆断。
这是因为当温度降低时,面心立方金属的屈服强度没有显著变化,而且不易产生形变孪晶,位错容易运动,局部应力易于松弛,裂纹不易传播,一般没有脆性转变温度。
2.2绝热材料的选材用于保持内容器低温状态,主要包括绝热材料、吸附材料及吸附装置等在真空多层绝热容器中,绝热材料为多层材料。
其中多层材料由反射屏和间隔物组成,用作反射屏的材料有铝、铜、黄铜、镍、不锈钢和锡等,在工程实际中我们多采用质轻而便宜的铝箔作为反射屏,其中应用比较广泛还有双面镀铝涤纶薄膜和单面镀铝涤纶薄膜。
间隔物通常有玻璃纤维布、玻璃纤维纸、尼龙、植物纤维纸等,页4间隔物应尽可能薄,并使其与反射屏的接触面积尽可能小,而且如果选用玻璃纤维布应是无碱的并进行脱脂处理。
多层材料在缠绕时应按一定规律钻排气孔,这样有利于容器壁与多层材料之间的气体快速有效地排出。
2.3支撑构件的选材常用的有拉带带支腿式(大型立式罐)、径向直撑带支腿式(小型立式罐)以及前后下支柱加前后上压柱式(用于卧式罐)。
作为深冷容器的支承件的材料,不仅要满足高强度的要求还要满足低导热系数的要求,由公式推导知杆件的导热量受所选材料的影响因素是ab/k的比值,我们称为材料的强度传导比。
通过选择材料可以使支撑构件的传热率降到最小,据此在同时考虑可加工性、经济性的基础上可以选择不锈钢、蒙奈尔、因科镍等,其中奥氏体不锈钢是我们经常使用的较佳材料。
2.4管路系统包括进出液管,增压器进液、出气管,安全泄放与放气管,液位计引管,满液指示管(溢流管、最高液位直观取信管),分类阀门,压力表,液位计,抽真空装置,测真空装置,阻火器以及静电接地端子(一般贮运易燃介质的容器设置)。
3、深冷压力压力容器设计规范与要点3.1、深冷压力容器所遵循的设计规范由于深冷压力容器即是压力容器又是低温容器,所以在设计时应遵循GB 150—2011《压力容器》和GB/T 18442—2011《固定式真空绝热深冷容器》设计规范,并满足TSG R2004—2009(固定式压力容器安全技术监察规程》的要求。
但是这两种规范所管辖的设计范围中只包含了设计温度高于等-196℃的压力容器,即液氮容器,而对于介质温度低于-196℃的液氢、液氦等深冷容器都没有包含在以上两种设计规范中,但是由于国家发展国防军事的要求必须用到液氢(-253℃),页5而且多为钢制容器。
这是因为在目前的航天技术中,能够用于液体火箭发动机推进剂的低沸点化学物质只有液氧、液氢、液态甲烷和丙烷等等,由于技术上的原因以及环境保护要求,到目前为止真正能大量用做推进剂的只有液氧和液氢两种,而液氢的两个突出优点:一是高比冲;一是清洁能源,这也就使得液氢作为发动机的推进剂,有很大的优越性。
而国家标准中对于液氢温度和液氦温度容器的设计没有可以应用的标准,只有在GB 150.2—2011《压力容器第2部分:材料》中说明了允许奥氏体不锈钢可以应用到-253℃。
而在GB 150中对低温容器的定义也只限于碳钢和低合金钢材质容器,对于设计温度高于等于-196℃的奥氏体制容器属于常温容器(在设计制作中没有特殊的要求),对于设计温度低于-196℃容器的设计参照相关规范标准处理。
为了工作能够正常进行,目前我们在设计液氢容器时可以参照《ASME锅炉及压力容器规范国际性规范VIII第一册压力容器建造规则》标准进行设计,可以参照ASME相关要求完成容器设计、制造、检验、验收,尤其是对材料及其焊接接头提出低温冲击和侧向膨胀量的要求以及全焊透焊接结构要求等。
3.2、内容器的结构设计要点3.2.1结构设计的对象是设计载荷,内容器结构承受的基本载荷有:1)设计压力(P,单位MPa,表压)。
2)储液量达到额定充满率时,介质产生的液柱静压力。
液柱静压力按照介质在标准大气压下沸点时的状态进行计算。
如果其值低于5%P时,可以忽略不计。
3)操作工况下,内容器支承处的反力。
这种反力应由最大介质重量、内容器重量以及必要时的地震载荷共同决定。
4)温差载荷。
5)耐压试验时的压力载荷及在内容器支承处产生的反力。
6)空罐承受的载荷。
页67)内容器承受夹层空间施加的外压载荷,其值取外壳防爆装置的排放压力,且不小于0.1MPa。
8)操作时, 压力急剧波动引起的冲击载荷。
9)液体进入内容器时,由液体冲击引起的作用力。
3.2.2、内容器承载结构特点:针对内容器承受的载荷特点,相应地应有其承载结构特点。
主要应考虑到如下各方面:1)尽量避免结构突变,这是所有低温容器结构设计的通理;2)管壁与壳壁厚度一般相差较大,两者直接插焊不易保证焊接质量,管道穿壁宜加过渡接头;3)穿壁过渡接头与壳体焊缝、内伸边角倒钝,这是所有低温容器结构设计的通理;4)一般不用外加强圈抵抗外压,一是外加强圈焊接量大、不利于控制焊接变形,再者外加强圈占用夹层空间、加大该空间内结构件装配难度,三则使冷热界面靠近、不利于绝热;5)为简化结构、减少漏点、减少导热通道,如无腐蚀性检查必要,一般不设检查孔,为方便内件安装一般设工艺人孔。
需要设检查孔时,要充分考虑温度补偿。
3.2.3、夹层真空建立前后耐压试验:耐压试验目的是针对容器的设计运行载荷——以一定的超载系数考验容器结构的抗压强度、抗变形能力、接头密封性能。
由于夹层真空建立前后内容器的设计运行载荷不同——即对象载荷不同,故而:夹层真空建立前后内容器的耐压试验值应有区别:内容器与外壳组装前,内容器的耐压试验压力至少按下列计算确定:页7a) 液压试验:PT=ηy(P+0.1)b) 气压试验:PT=ηg(P+0.1)式中:ηy-液压试验超载系数,我国规范规定ηy=1.25ηg-气压试验超载系数,我国规范规定ηg =1.15(99版《容规》);ηg =1.10(2008版《固规》);PT——试验压力,单位为兆帕(MPa);当立式容器卧置液压试验时,试验压力应记入立式时液柱静压力。
P——设计压力,单位为兆帕(MPa)。
内容器与外壳组装完成,且形成真空夹层后,内容器的耐压试验压力取上式中耐压试验压力值减去0.1MPa.在用容器之内容器耐压试验也不能一概按“形成真空夹层后”的情况处理,如果真空已完全丧失,还是应按夹层真空建立前的情况处理,如真空部分丧失,理论上应是剩余多少、耐压试验压力减多少。
3.3外壳的结构设计要点3.3.1、承外压结构特点:为减重一般设置密集低矮型内加强圈,外压筒体计算长度一般取决于加强圈的惯性矩、而非筒体许用长度;3.3.2、管道穿壁的特殊考虑:管道引自低温端的内容器,而外壳材料一般为碳钢或低合金钢,外壳难以耐受管壁低温,一般应设不锈钢过渡连接,使低温管壁与外壳之间有足够热阻。
以防碳钢或低合金钢外壳材料遭受深冷载荷。
且应充分考虑温度补偿。
页83.3.3抽真空流道的特殊考虑:内容器外壁与外容器内壁构成密闭腔,真空绝热需要对此腔抽真空。
抽真空是关键制作工艺之一。
此腔中填满绝热材料,绝热材料的存在会加大抽真空难度,这就需要合理设置抽真空流道。