科研訓(xùn)練論文

1、武漢大學(xué)科研訓(xùn)練論文題目：深冷壓力容器的設(shè)計規(guī)范與方法姓名: XXXXXXXXX學(xué)號：12XXXX學(xué)院：機(jī)械工程學(xué)院專業(yè)：過程裝備與控制工程指導(dǎo)老師：張XX2015-12-30目錄 題目：深冷壓力容器的設(shè)計規(guī)范與方法0、引言21、真空絕熱深冷壓力容器的基本構(gòu)造22、內(nèi)容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)43、外殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)54、內(nèi)容器與外殼、支撐連接的設(shè)計要點(diǎn)65、管路系統(tǒng)的特殊要求66、真空壽命及吸附劑的添加量77、結(jié)語78、參考文獻(xiàn)8題目：深冷壓力容器的設(shè)計規(guī)范與方法摘要：深冷壓力容器主要包含固定式深冷壓力容器和移動式壓力容器兩大類，結(jié)構(gòu)型式多種多樣，深冷容器的設(shè)計和制造，以及安全運(yùn)行，需要多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)

2、，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)、低溫絕熱技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)。本文介紹了鋼制真空絕熱深冷壓力容器設(shè)計時可以參考的設(shè)計規(guī)范，并針對該類容器的特點(diǎn)、選材、真空壽命和吸附劑添加量、支撐結(jié)構(gòu)等幾方面進(jìn)行了詳細(xì)敘述。關(guān)鍵詞：深冷壓力容器、真空絕熱0、引言近幾年，真空絕熱深冷壓力容器市場需求旺盛，生產(chǎn)廠家越來越多，用于貯運(yùn)的真空絕熱深冷壓力容器也越來越多，盡管不同的廠家對于該類容器的設(shè)計制造有所不同，但其基本結(jié)構(gòu)大致一樣。本文將簡單介紹真空絕熱深冷壓力容器的基本結(jié)構(gòu)及設(shè)計制造的工藝要點(diǎn)，以幫助更多的人了解真空絕熱深冷壓力容器。1、真空絕熱深冷壓力容器的基本構(gòu)造1.1、內(nèi)容器（材質(zhì)一般為奧氏體不銹鋼）設(shè)計用于盛裝深冷液體，

3、一般包括：l 筒體、封頭旋轉(zhuǎn)形承壓主殼體；l 工藝人孔（非必備）因深冷容器允許不設(shè)置人孔，不設(shè)置人孔時，如工序需要兩封頭裝焊后再裝焊內(nèi)件、或穿壁接頭需內(nèi)側(cè)施焊，就需設(shè)置工藝人孔。工序需要完成后永久封閉；深冷容器允許不設(shè)置檢查孔及人孔允許不設(shè)置是因?yàn)椋篴) 深冷容器結(jié)構(gòu)設(shè)計要抓絕熱這個主要矛盾、檢查孔及人孔必然加大漏熱；b) 大部分深冷液體對金屬無腐蝕或僅輕微腐蝕、無需進(jìn)罐檢查和清理內(nèi)壁，確可以不設(shè)置檢查孔及人孔；c) 深冷容器內(nèi)容器100%RT檢測、經(jīng)耐壓試驗(yàn)和最嚴(yán)格的氦致密檢測、奧氏體不銹鋼（包括焊接接頭及焊縫）在低溫下強(qiáng)度不降反升、韌性也下降不多，有條件不設(shè)置檢查孔及人孔；d) “允許”不

4、等于禁止，不等于不要慎重考察，對于腐蝕性介質(zhì)（如CO2配低合金鋼內(nèi)容器的深冷容器），還是應(yīng)考慮設(shè)置檢查孔或人孔。l 工藝吊耳內(nèi)外殼體裝配需要；l 抗外壓加強(qiáng)環(huán)內(nèi)容器因氦致密檢測需要工藝性抽真空操作，當(dāng)圖樣規(guī)定真空夾層要進(jìn)行氣壓或氣密試驗(yàn)時內(nèi)容器也受外壓；l 抗支承反力的局部加強(qiáng)環(huán)或板殼體受支承作用之局部應(yīng)力較大，一般需設(shè)置強(qiáng)環(huán)或板；l 上進(jìn)液噴淋頭、下進(jìn)液分布或攪拌器（一般僅LNG需要）、溢流管咀、差壓液位計引管特殊管咀、出液防渦器等管系內(nèi)件設(shè)上進(jìn)液噴淋頭是為了冷液均勻進(jìn)入、設(shè)下進(jìn)液分布或攪拌器是為了防LNG分層，設(shè)溢流管咀是為了直光控制充滿率，設(shè)防渦器是為了防渦旋型蒸發(fā)和保護(hù)機(jī)械型抽液設(shè)備使

5、用安全；l 引管穿壁接頭（凸緣）為改善結(jié)構(gòu)的焊接性能而設(shè)，避免薄壁管與較厚殼壁直接相焊；1.2、外殼（材質(zhì)一般為碳素鋼或低合金鋼）用于密封維持真空絕熱層真空，一般包括：l 筒體、封頭旋轉(zhuǎn)形承外壓主殼體；l 抗外壓加強(qiáng)環(huán)外殼在真空工況下工作；l 抗支承反力的局部加強(qiáng)環(huán)或板殼體受支承作用之局部應(yīng)力較大，一般需設(shè)置強(qiáng)環(huán)或板；l 引管穿壁接頭為改善結(jié)構(gòu)的焊接性能而設(shè)，避免薄壁管與較厚殼壁直接相焊；l 防爆裝置座；l 吊耳；l 支座。1.3、真空絕熱夾層，一般包括：l 絕熱材料純真空型、粉末真空型、纖維真空型、反輻射真空型；l 絕熱材料的護(hù)持材料防沉降、防松、防脫；l 引管功能管線需穿越真空絕熱夾層；l

6、 吸附材料及其吸附裝置為延長真空壽命而設(shè)吸附材料，為吸附材料發(fā)揮效能而設(shè)吸附裝置；l 內(nèi)容器與外殼相互連接、支撐的構(gòu)件內(nèi)容器不可能懸浮于外殼中，必有連接、支撐的構(gòu)件；l 抽真空流道管為加大抽吸速度而設(shè)；1.4、管路系統(tǒng)，一般包括：l 安全泄放與放空管；l 差壓液位計引管；l 滿液指示管（溢流管、最高液位直觀取信管）；l 上、下進(jìn)液管；l 增壓器進(jìn)液、出氣管深冷液體卸液特殊需要，取自容器本身液體汽化反饋給氣相空間，產(chǎn)生氣壓擠壓出液。即使用機(jī)械抽吸出液也需一定氣壓維持吸入口的防氣蝕壓頭；l 抽真空引管；l 吸附材料破空管吸附裝置中零件，為吸附材料發(fā)揮效能而設(shè)吸附裝置；1.5、閥門、附件、儀表l 控

7、制各管路開、閉的控制閥門；l 緊急切斷閥（一般易燃、有毒介質(zhì)者設(shè)）防手動閥失靈和火災(zāi)情況無法操作手動閥；l 真空封結(jié)閥抽空結(jié)束后維持夾層真空；l 檢測閥抽空結(jié)束后夾層真空就開始下降，投用后需掌握在用期間實(shí)際真空度；l 儀表控制閥；l 安全泄放裝置切換或三通閥如下述需雙設(shè)安全泄放裝置；l 內(nèi)容器安全閥（一般兩件，一件在線“值班”，另一件待崗或離崗校檢）；l 內(nèi)容器防爆片裝置（一般兩件，一件在線“值班”，另一件待崗）；l 外殼防爆裝置萬一內(nèi)容器中液體漏入夾層時，外殼需防超壓爆裂；l 壓力表；l 液位計；l 真空檢測規(guī)管；l 阻火器（一般易燃介質(zhì)者設(shè)）排放（包括主動排放和超壓泄放）易燃介質(zhì)時，應(yīng)通過

8、阻火器排放，以防回火；l 靜電接地端子（一般易燃介質(zhì)者設(shè)）。2、內(nèi)容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)2.1、結(jié)構(gòu)設(shè)計的對象是設(shè)計載荷，內(nèi)容器結(jié)構(gòu)承受的基本載荷有：2.1.1、設(shè)計壓力（P，單位MPa，表壓）。2.1.2、儲液量達(dá)到額定充滿率時，介質(zhì)產(chǎn)生的液柱靜壓力。液柱靜壓力按照介質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下沸點(diǎn)時的狀態(tài)進(jìn)行計算。如果其值低于5P時，可以忽略不計。2.1.3、操作工況下，內(nèi)容器支承處的反力。這種反力應(yīng)由最大介質(zhì)重量、內(nèi)容器重量以及必要時的地震載荷共同決定。2.1.4、溫差載荷內(nèi)容器從環(huán)境溫度冷卻到操作溫度過程中，內(nèi)容器在支承點(diǎn)處承受的溫差載荷。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

9、別考慮下列工況：進(jìn)液冷卻過程：內(nèi)容器熱狀態(tài)，管道系統(tǒng)冷狀態(tài)，外殼熱狀態(tài)；充裝及卸料過程：內(nèi)容器、管道系統(tǒng)均是冷狀態(tài)，外殼熱狀態(tài)；儲存過程：內(nèi)容器冷狀態(tài)，管道系統(tǒng)熱狀態(tài)，外殼熱狀態(tài)。容器制造過程中夾層抽真空時，由于內(nèi)、外殼體不同溫度載荷，應(yīng)考慮下列連接處的載荷：內(nèi)容器在支撐點(diǎn)處的溫差載荷；內(nèi)、外容器之間的管道以及與內(nèi)容器連接處的載荷。2.1.5、耐壓試驗(yàn)時的壓力載荷及在內(nèi)容器支承處產(chǎn)生的反力。2.1.6 、空罐承受的載荷：空罐運(yùn)輸時內(nèi)容器、夾層支承及連接處至少承受下列慣性載荷：運(yùn)輸方向2g加速度；向上方向1g加速度；向下方向1.7g2g加速度；與運(yùn)輸方向垂直的水平方向至少1g加速度。吊裝時的載荷

10、按照具體起吊工況確定，如對內(nèi)容器及夾層支承連接處、吊耳連接部位產(chǎn)生的載荷等。對立式容器應(yīng)考慮在制造、運(yùn)輸、吊裝等臥置狀態(tài)時，內(nèi)容器及夾層支承承受的載荷。2.1.7、內(nèi)容器承受夾層空間施加的外壓載荷，其值取外殼防爆裝置的排放壓力，且不小于0.1MPa。2.1.8、操作時, 壓力急劇波動引起的沖擊載荷。2.1.9、液體進(jìn)入內(nèi)容器時，由液體沖擊引起的作用力。2.2、內(nèi)容器承載結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：針對內(nèi)容器承受的載荷特點(diǎn)，相應(yīng)地應(yīng)有其承載結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。主要應(yīng)考慮到如下各方面：2.2.1、盡量避免結(jié)構(gòu)突變，這是所有低溫容器結(jié)構(gòu)設(shè)計的通理；2.2.2、管壁與殼壁厚度一般相差較大，兩者直接插焊不易保證焊接質(zhì)量，管道穿壁宜

11、加過渡接頭；如圖： 2.2.3、穿壁過渡接頭與殼體焊縫、內(nèi)伸邊角倒鈍，這是所有低溫容器結(jié)構(gòu)設(shè)計的通理；2.2.4、一般不用外加強(qiáng)圈抵抗外壓，一是外加強(qiáng)圈焊接量大、不利于控制焊接變形，再者外加強(qiáng)圈占用夾層空間、加大該空間內(nèi)結(jié)構(gòu)件裝配難度，三則使冷熱界面靠近、不利于絕熱；2.2.5、為簡化結(jié)構(gòu)、減少漏點(diǎn)、減少導(dǎo)熱通道，如無腐蝕性檢查必要，一般不設(shè)檢查孔，為方便內(nèi)件安裝一般設(shè)工藝人孔。 需要設(shè)檢查孔時，要充分考慮溫度補(bǔ)償。 2.3、夾層真空建立前后耐壓試驗(yàn)：耐壓試驗(yàn)?zāi)康氖轻槍θ萜鞯脑O(shè)計運(yùn)行載荷以一定的超載系數(shù)考驗(yàn)容器結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度、抗變形能力、接頭密封性能。由于夾層真空建立前后內(nèi)容器的設(shè)計運(yùn)行載荷不

12、同即對象載荷不同，故而：夾層真空建立前后內(nèi)容器的耐壓試驗(yàn)值應(yīng)有區(qū)別：內(nèi)容器與外殼組裝前，內(nèi)容器的耐壓試驗(yàn)壓力至少按下列計算確定:a) 液壓試驗(yàn):PT=y（P0.1）b) 氣壓試驗(yàn):PT=g（P0.1）式中：y-液壓試驗(yàn)超載系數(shù)，我國規(guī)范規(guī)定y=1.25g-氣壓試驗(yàn)超載系數(shù)，我國規(guī)范規(guī)定g =1.15（99版容規(guī)）；g =1.10（2008版固規(guī)）；PT試驗(yàn)壓力，單位為兆帕（MPa）；當(dāng)立式容器臥置液壓試驗(yàn)時，試驗(yàn)壓力應(yīng)記入立式時液柱靜壓力。P設(shè)計壓力，單位為兆帕（MPa）。內(nèi)容器與外殼組裝完成，且形成真空夾層后，內(nèi)容器的耐壓試驗(yàn)壓力取上式中耐壓試驗(yàn)壓力值減去0.1MPa. 在用容器之內(nèi)容器耐壓

13、試驗(yàn)也不能一概按“形成真空夾層后”的情況處理，如果真空已完全喪失，還是應(yīng)按夾層真空建立前的情況處理，如真空部分喪失，理論上應(yīng)是剩余多少、耐壓試驗(yàn)壓力減多少。3、外殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)3.1、承外壓結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：為減重一般設(shè)置密集低矮型內(nèi)加強(qiáng)圈，外壓筒體計算長度一般取決于加強(qiáng)圈的慣性矩、而非筒體許用長度；3.2、管道穿壁的特殊考慮：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，外殼難以耐受管壁低溫，一般應(yīng)設(shè)不銹鋼過渡連接，使低溫管壁與外殼之間有足夠熱阻。以防碳鋼或低合金鋼外殼材料遭受深冷載荷。且應(yīng)充分考慮溫度補(bǔ)償。 3.3.3抽真空流道的特殊考慮：內(nèi)容器外壁與外容器內(nèi)壁構(gòu)成密閉腔，真空絕熱需要

14、對此腔抽真空。抽真空是關(guān)鍵制作工藝之一。此腔中填滿絕熱材料，絕熱材料的存在會加大抽真空難度，這就需要合理設(shè)置抽真空流道。為此一般采取將真空吸口延伸至絕熱材料內(nèi)部（甚至設(shè)置多個延伸吸口）的措施以降低流阻。3.4、外殼防爆裝置要點(diǎn)概述： 3.4.1、開啟壓力開啟壓力應(yīng)能夠防止內(nèi)容器失穩(wěn)，且不超過0.5bar；3.4.2、泄放面積裝置的泄放面積應(yīng)不小于0.34mm2/L內(nèi)容器容積，且任何情況下不必超過5000mm2。 這是國外成熟、公開研究成果。即：A =340 V ，A爆破裝置的排放面積，mm2；V內(nèi)容器的幾何容積，m3，且Di=80足矣！3.4.3、常態(tài)可靠密封 外殼防爆裝置與真空腔連通，密封可

15、靠關(guān)系到能否有效維持絕熱所需真空度。3.4.4、機(jī)械性安全 主要應(yīng)考慮主動預(yù)防泄放起跳件或爆破件飛濺傷人。4、內(nèi)容器與外殼、支撐連接的設(shè)計要點(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)簡單明確，易于計算掌握，可以充分利用夾層空問，加大構(gòu)件長度，從而加長熱橋，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

16、，致使內(nèi)、外容器套合時施工難度大，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)基本無法使用。(2)兩端封頭處采用固定支撐件，其優(yōu)點(diǎn)是支撐點(diǎn)只有兩個，結(jié)構(gòu)簡單，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)載荷的下支腿長度易于掌握，需要時加熱阻構(gòu)件也易于設(shè)置，設(shè)計自由度較大，橫拉帶只承受臥置運(yùn)輸時的空罐運(yùn)輸載荷，承載面不大，熱阻較大，結(jié)構(gòu)簡單，熱橋少，內(nèi)

17、、外容器套合時施工容易。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，致使熱橋加長時截面積也隨之加大，抵消了通過加長熱橋來加大熱阻的效果，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(滑動端)下支柱、上壓柱承壓，后(同定端)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)簡單，內(nèi)外容器套合時施工容易，適應(yīng)性好，適用于包括夾層之問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)計輔助結(jié)構(gòu)以防焊接熱可能對非金屬的傷害；

18、外殼上開孔封焊點(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。5、管路系統(tǒng)的特殊要求5.1、管路中設(shè)置氣封液結(jié)構(gòu)。在設(shè)計制造中，為加大熱阻我們常有意加長管道長度。如果這些管道中不存在液體，那么導(dǎo)熱的僅僅是管壁；如果存在液體，那么就存在嚴(yán)重的多的液體導(dǎo)熱。兩者區(qū)別是巨大的，對容器的隔熱性能影響巨大，設(shè)置氣封液結(jié)構(gòu)就是為了防止管道中存有液體存在而發(fā)生液體導(dǎo)熱的現(xiàn)象。5.2、液位計氣相管要盡量提高上連管末口，因?yàn)樯罾湟好娌黄届o(尤其是裝卸過程)，要使其遠(yuǎn)離液面從而避免可能的液體沖擊，確保取得穩(wěn)定的氣相壓力。麗液相管要設(shè)置氣封液結(jié)構(gòu)，并且此處的氣封液結(jié)

19、構(gòu)要盡量靠近內(nèi)容器器壁設(shè)置(即液相最低點(diǎn))，以避免管中氣液共存，界面不清造成液位計量不準(zhǔn)。5.3、為滿足預(yù)冷操作要求，應(yīng)設(shè)置噴淋管結(jié)構(gòu)，噴淋頭上噴淋孑L的通過總面積應(yīng)不小于噴淋管截面積。噴淋頭上噴孑L的布置與出口角度應(yīng)使得充液時內(nèi)容器能被均勻冷卻。5.4、深冷容器直嚴(yán)格控制充滿率，以避免容器遭受液體膨脹壓力。目前深冷容器產(chǎn)品一般均設(shè)置溢流口，以準(zhǔn)確控制充滿率。5.5、為滿足設(shè)計排液速率與增壓速率的要求，應(yīng)附帶自增壓汽化器，其汽化量應(yīng)能滿足設(shè)計需要。6、真空壽命及吸附劑的添加量低溫容器的真空壽命一般為5年，為了確保設(shè)備的真空壽命我們應(yīng)采取相應(yīng)措施。這是因?yàn)槿萜鞯慕饘俦?、夾層的多層絕熱材料、一些非金屬絕熱支撐件等在使用過程中都會不斷地釋放出氣體，以及漏人夾層地氣體都會使得真空腔的壓力升高，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)我們知道一般允許的漏氣速率要遠(yuǎn)大于實(shí)際能達(dá)到的漏氣速率所以，對于夾層真空度的影響很小，設(shè)計過程中一般都不考慮，只需要考慮夾層材料的放氣速率和容器壁的放氣速率。目前，為了確保使用周期內(nèi)夾層真空度，我們不僅應(yīng)制定合理的抽空工藝還要選擇適合的吸附劑等。在液氧容器中，由于其自身介質(zhì)的強(qiáng)氧化性，吸附劑不能采用活性碳，至于吸附劑的添加量雖然在不少文獻(xiàn)中和科技類的書籍中都有詳細(xì)地介紹，但是計算結(jié)果往往比較小，實(shí)際添加量要比計算結(jié)果多很多。所