科研训练论文

1、武汉大学科研训练论文题目：深冷压力容器的设计规范与方法姓名: XXXXXXXXX学号：12XXXX学院：机械工程学院专业：过程装备与控制工程指导老师：张XX2015-12-30目录 题目：深冷压力容器的设计规范与方法0、引言21、真空绝热深冷压力容器的基本构造22、内容器的结构设计要点43、外壳的结构设计要点54、内容器与外壳、支撑连接的设计要点65、管路系统的特殊要求66、真空寿命及吸附剂的添加量77、结语78、参考文献8题目：深冷压力容器的设计规范与方法摘要：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

2、，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，并针对该类容器的特点、选材、真空寿命和吸附剂添加量、支撑结构等几方面进行了详细叙述。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、真空绝热深冷压力容器的基本构造1.1、内容器（材质一般为奥氏体不锈钢）设计用于盛装深冷液体，

3、一般包括：l 筒体、封头旋转形承压主壳体；l 工艺人孔（非必备）因深冷容器允许不设置人孔，不设置人孔时，如工序需要两封头装焊后再装焊内件、或穿壁接头需内侧施焊，就需设置工艺人孔。工序需要完成后永久封闭；深冷容器允许不设置检查孔及人孔允许不设置是因为：a) 深冷容器结构设计要抓绝热这个主要矛盾、检查孔及人孔必然加大漏热；b) 大部分深冷液体对金属无腐蚀或仅轻微腐蚀、无需进罐检查和清理内壁，确可以不设置检查孔及人孔；c) 深冷容器内容器100%RT检测、经耐压试验和最严格的氦致密检测、奥氏体不锈钢（包括焊接接头及焊缝）在低温下强度不降反升、韧性也下降不多，有条件不设置检查孔及人孔；d) “允许”不

4、等于禁止，不等于不要慎重考察，对于腐蚀性介质（如CO2配低合金钢内容器的深冷容器），还是应考虑设置检查孔或人孔。l 工艺吊耳内外壳体装配需要；l 抗外压加强环内容器因氦致密检测需要工艺性抽真空操作，当图样规定真空夹层要进行气压或气密试验时内容器也受外压；l 抗支承反力的局部加强环或板壳体受支承作用之局部应力较大，一般需设置强环或板；l 上进液喷淋头、下进液分布或搅拌器（一般仅LNG需要）、溢流管咀、差压液位计引管特殊管咀、出液防涡器等管系内件设上进液喷淋头是为了冷液均匀进入、设下进液分布或搅拌器是为了防LNG分层，设溢流管咀是为了直光控制充满率，设防涡器是为了防涡旋型蒸发和保护机械型抽液设备使

5、用安全；l 引管穿壁接头（凸缘）为改善结构的焊接性能而设，避免薄壁管与较厚壳壁直接相焊；1.2、外壳（材质一般为碳素钢或低合金钢）用于密封维持真空绝热层真空，一般包括：l 筒体、封头旋转形承外压主壳体；l 抗外压加强环外壳在真空工况下工作；l 抗支承反力的局部加强环或板壳体受支承作用之局部应力较大，一般需设置强环或板；l 引管穿壁接头为改善结构的焊接性能而设，避免薄壁管与较厚壳壁直接相焊；l 防爆装置座；l 吊耳；l 支座。1.3、真空绝热夹层，一般包括：l 绝热材料纯真空型、粉末真空型、纤维真空型、反辐射真空型；l 绝热材料的护持材料防沉降、防松、防脱；l 引管功能管线需穿越真空绝热夹层；l

6、 吸附材料及其吸附装置为延长真空寿命而设吸附材料，为吸附材料发挥效能而设吸附装置；l 内容器与外壳相互连接、支撑的构件内容器不可能悬浮于外壳中，必有连接、支撑的构件；l 抽真空流道管为加大抽吸速度而设；1.4、管路系统，一般包括：l 安全泄放与放空管；l 差压液位计引管；l 满液指示管（溢流管、最高液位直观取信管）；l 上、下进液管；l 增压器进液、出气管深冷液体卸液特殊需要，取自容器本身液体汽化反馈给气相空间，产生气压挤压出液。即使用机械抽吸出液也需一定气压维持吸入口的防气蚀压头；l 抽真空引管；l 吸附材料破空管吸附装置中零件，为吸附材料发挥效能而设吸附装置；1.5、阀门、附件、仪表l 控

7、制各管路开、闭的控制阀门；l 紧急切断阀（一般易燃、有毒介质者设）防手动阀失灵和火灾情况无法操作手动阀；l 真空封结阀抽空结束后维持夹层真空；l 检测阀抽空结束后夹层真空就开始下降，投用后需掌握在用期间实际真空度；l 仪表控制阀；l 安全泄放装置切换或三通阀如下述需双设安全泄放装置；l 内容器安全阀（一般两件，一件在线“值班”，另一件待岗或离岗校检）；l 内容器防爆片装置（一般两件，一件在线“值班”，另一件待岗）；l 外壳防爆装置万一内容器中液体漏入夹层时，外壳需防超压爆裂；l 压力表；l 液位计；l 真空检测规管；l 阻火器（一般易燃介质者设）排放（包括主动排放和超压泄放）易燃介质时，应通过

8、阻火器排放，以防回火；l 静电接地端子（一般易燃介质者设）。2、内容器的结构设计要点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：2.1.1、设计压力（P，单位MPa，表压）。2.1.2、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5P时，可以忽略不计。2.1.3、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。2.1.4、温差载荷内容器从环境温度冷却到操作温度过程中，内容器在支承点处承受的温差载荷。由于内容器、管道及外壳之间不同的热膨胀引起的管道反作用力。并分

9、别考虑下列工况：进液冷却过程：内容器热状态，管道系统冷状态，外壳热状态；充装及卸料过程：内容器、管道系统均是冷状态，外壳热状态；储存过程：内容器冷状态，管道系统热状态，外壳热状态。容器制造过程中夹层抽真空时，由于内、外壳体不同温度载荷，应考虑下列连接处的载荷：内容器在支撑点处的温差载荷；内、外容器之间的管道以及与内容器连接处的载荷。2.1.5、耐压试验时的压力载荷及在内容器支承处产生的反力。2.1.6 、空罐承受的载荷：空罐运输时内容器、夹层支承及连接处至少承受下列惯性载荷：运输方向2g加速度；向上方向1g加速度；向下方向1.7g2g加速度；与运输方向垂直的水平方向至少1g加速度。吊装时的载荷

10、按照具体起吊工况确定，如对内容器及夹层支承连接处、吊耳连接部位产生的载荷等。对立式容器应考虑在制造、运输、吊装等卧置状态时，内容器及夹层支承承受的载荷。2.1.7、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。2.1.8、操作时, 压力急剧波动引起的冲击载荷。2.1.9、液体进入内容器时，由液体冲击引起的作用力。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：2.2.1、尽量避免结构突变，这是所有低温容器结构设计的通理；2.2.2、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

11、加过渡接头；如图： 2.2.3、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；2.2.4、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；2.2.5、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。 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

12、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:a) 液压试验:PT=y（P0.1）b) 气压试验:PT=g（P0.1）式中：y-液压试验超载系数，我国规范规定y=1.25g-气压试验超载系数，我国规范规定g =1.15（99版容规）；g =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

13、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、外壳的结构设计要点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；3.2、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。 3.3.3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

14、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。为此一般采取将真空吸口延伸至绝热材料内部（甚至设置多个延伸吸口）的措施以降低流阻。3.4、外壳防爆装置要点概述： 3.4.1、开启压力开启压力应能够防止内容器失稳，且不超过0.5bar；3.4.2、泄放面积装置的泄放面积应不小于0.34mm2/L内容器容积，且任何情况下不必超过5000mm2。 这是国外成熟、公开研究成果。即：A =340 V ，A爆破装置的排放面积，mm2；V内容器的几何容积，m3，且Di=80足矣！3.4.3、常态可靠密封 外壳防爆装置与真空腔连通，密封可

15、靠关系到能否有效维持绝热所需真空度。3.4.4、机械性安全 主要应考虑主动预防泄放起跳件或爆破件飞溅伤人。4、内容器与外壳、支撑连接的设计要点内容器与外壳之间支撑连接件，既要满足承载强度、刚度的要求，又要有高的热阻，防止产生隔热性能差的热桥。制造中常用的各种结构如下：(1)用柔性构件吊、拉内容器，使其悬置于外壳中心，比如吊带、压带、拉带组成支撑连接系统。其优点是只承受拉力，故受力状态简单明确，易于计算掌握，可以充分利用夹层空问，加大构件长度，从而加长热桥，且不必担心失稳。其缺点是由于全截面承受拉应力，安全系数不能低，且构件材料多为不锈钢，设备自重大，成本高，且因柔性吊、拉构件要充分利用夹层空间

16、，致使内、外容器套合时施工难度大，不易控制位置尺寸。高真空多层绝热结构夹层空间狭小，这种结构基本无法使用。(2)两端封头处采用固定支撑件，其优点是支撑点只有两个，结构简单，热桥少。其缺点是支撑件要抗弯、剪、拉、压，应力状态不好，单位截面积承载能力低，一般只应用于小容器。但据相关资料显示，法国制造的40英尺液氢罐箱就采用这种结构。(3)用于立式容器的下支腿加横拉带结构。下支腿承受工作状态载荷，横拉带承受卧置运输时的空罐运输载荷，其优点是承受工作状态载荷的下支腿长度易于掌握，需要时加热阻构件也易于设置，设计自由度较大，横拉带只承受卧置运输时的空罐运输载荷，承载面不大，热阻较大，结构简单，热桥少，内

17、、外容器套合时施工容易。其缺点是下支腿承压，需考虑轴向压应力和横拉带失稳的联合承载能力，致使热桥加长时截面积也随之加大，抵消了通过加长热桥来加大热阻的效果，往往需要设置辅助热阻构件。目前这种结构在立式罐中应用最广。(4)用于卧式容器的前后下支柱加前后上压柱结构，前(滑动端)下支柱、上压柱承压，后(同定端)下支柱、上压柱承压、剪、弯联合载荷。其优点是结构简单，内外容器套合时施工容易，适应性好，适用于包括夹层之问狭小的高真空多层绝热容器在内的多种结构。其缺点是，支撑柱直线连接外壳，热桥短，需要选用热阻大的材料制造该类构件，而热阻大的材料往往是非金属，不得不设计辅助结构以防焊接热可能对非金属的伤害；

18、外壳上开孔封焊点多。不利于防泄漏控制；支点处壳体上局部应力大，需要加补偿结构。目前在卧式容器中此种结构应用最广。5、管路系统的特殊要求5.1、管路中设置气封液结构。在设计制造中，为加大热阻我们常有意加长管道长度。如果这些管道中不存在液体，那么导热的仅仅是管壁；如果存在液体，那么就存在严重的多的液体导热。两者区别是巨大的，对容器的隔热性能影响巨大，设置气封液结构就是为了防止管道中存有液体存在而发生液体导热的现象。5.2、液位计气相管要尽量提高上连管末口，因为深冷液面不平静(尤其是装卸过程)，要使其远离液面从而避免可能的液体冲击，确保取得稳定的气相压力。丽液相管要设置气封液结构，并且此处的气封液结

19、构要尽量靠近内容器器壁设置(即液相最低点)，以避免管中气液共存，界面不清造成液位计量不准。5.3、为满足预冷操作要求，应设置喷淋管结构，喷淋头上喷淋孑L的通过总面积应不小于喷淋管截面积。喷淋头上喷孑L的布置与出口角度应使得充液时内容器能被均匀冷却。5.4、深冷容器直严格控制充满率，以避免容器遭受液体膨胀压力。目前深冷容器产品一般均设置溢流口，以准确控制充满率。5.5、为满足设计排液速率与增压速率的要求，应附带自增压汽化器，其汽化量应能满足设计需要。6、真空寿命及吸附剂的添加量低温容器的真空寿命一般为5年，为了确保设备的真空寿命我们应采取相应措施。这是因为容器的金属壁、夹层的多层绝热材料、一些非金属绝热支撑件等在使用过程中都会不断地释放出气体，以及漏人夹层地气体都会使得真空腔的压力升高，根据经验我们知道一般允许的漏气速率要远大于实际能达到的漏气速率所以，对于夹层真空度的影响很小，设计过程中一般都不考虑，只需要考虑夹层材料的放气速率和容器壁的放气速率。目前，为了确保使用周期内夹层真空度，我们不仅应制定合理的抽空工艺还要选择适合的吸附剂等。在液氧容器中，由于其自身介质的强氧化性，吸附剂不能采用活性碳，至于吸附剂的添加量虽然在不少文献中和科技类的书籍中都有详细地介绍，但是计算结果往往比较小，实际添加量要比计算结果多很多。所