深冷压力容器设计规范与方法

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。