真空绝热深冷压力容器结构、设计与制造工艺要点简介

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1、1 真空绝热深冷压力容器结构、设计及制造工艺要点简介真空绝热深冷压力容器结构、设计及制造工艺要点简介 目录 一，真空绝热深冷压力容器的基本构造 二、内容器的结构设计要点 三、外壳的结构设计要点 四、内容器与外壳支承连接设计要点 五、仪表及管路结构的特殊性 六、关于吸附剂和吸附装置 七、涉及安全的结构、计算核查及关键制造工艺保证要点 2 立式粉末真空绝热罐 3 高真空多层绝热罐 4 一，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， 一般包括： 筒体、封头旋转形承压主壳体； 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

2、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

3、虑设置检查 孔或人孔。 工艺吊耳内外壳体装配需要； 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； 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； 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 5 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用安全； 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

4、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： 筒体、封头旋转形承外压主壳体； 抗外压加强环外壳在真空工况下工作； 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； 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； 防爆装置座； 吊耳； 支座； 1.3，真空绝热夹层，一般包括： 绝热材料纯真空型、粉末真空型、纤维真空型、反辐射 真空型； 绝热材料的护持材料防沉降、防松、防脱； 引管功能管线需穿越真空绝热夹层； 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

5、； 6 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； 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： 安全泄放与放空管； 差压液位计引管； 满液指示管（溢流管、最高液位直观取信管） ； 上、下进液管； 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； 抽真空引管； 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 控制各管路开、闭的控制阀门； 紧急切断阀（一般易燃、有毒介质者设）防手动阀失灵 和火

6、灾情况无法操作手动阀； 真空封结阀抽空结束后维持夹层真空； 真空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； 仪表控制阀； 7 安全泄放装置切换或三通阀如下述需双设安全泄放装置； 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） ； 内容器防爆片装置（一般两件，一件在线“值班” ，另一件待 岗） ； 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； 压力表； 液位计； 真空检测规管； 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，应通过阻火器排放，以防回火； 静电接地端子（一般易燃介质者设） 。 二、内容器的结构

7、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。 8 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。并分别考虑下列工况： 进液冷却过程：内容器热

8、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。 9 吊装

9、时的载荷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

10、接插焊不易保证焊接 质量，管道穿壁宜加过渡接头；如图： 10 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，典型结构如图： 11 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

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

12、） 。 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。 三、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

13、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。 13 典型结构 1：弯管柔性补偿： 典型结构 2：直管穿出时波纹管补偿： 14 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。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。 15 16 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

14、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。 17 四、内容器与外壳支承连接设计要点 4.1、解决连接件强度要求与热阻要求矛盾的种种措施简介 真空绝热深冷压力容器有载液内容器和与内容器外壁构成绝热 真空腔（真空夹层）的外容器，内外容器之间需要支

15、撑、连接。设 计的支撑、连接件必须满足承载强度、刚度要求。满足承载强度、 刚度要求需要结构件有足够的壁厚和尽可能短的长度。但内外容器 之间温差大（一般内容器设计温度为196，外容器设计温度为 50） ，较大的壁厚和较短的长度导致结构件热阻小，从导致容器的 隔热性能差。妥善处理该矛盾是真空绝热深冷压力容器结构设计的 重要内容之一。 现将目前处理该矛盾的种种措施扼要介绍如下： 4.1.1、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。 18 其优点是： 柔性吊、拉构件只承拉力，故受力状态简单明确、易于计算掌 握；柔性吊、拉构件可以充分利用夹层空间，加大构件长

16、度， 从而加 长热桥，且不必担心失稳。 其缺点是： 柔性吊、拉构件全截面承拉应力，安全系数不能低，且构件材 料一般为不锈钢，设备自重大、成本高； 因柔性吊、拉构件充分利用夹层空间，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，不允许“充分利用” ，柔性 吊、拉构件基本无法采用。 19 4.1.2、两端封头处设抗弯、剪、拉压支撑件。 其优点是： 支撑点少至两个，结构简单、热桥少； 20 其缺点是： 支撑件抗弯、剪、拉、压，应力状态不好、单位截面积承载能 力低，一般只应用于小型容器。 但法国 40 英尺液氢罐箱敢于用此结构！ 4.1.3、穿越内容器的交叉抗弯、剪杆系。 弊严重大于利，目前已极少见！ 其优点是： 充分利用内容器的内腔空间，加大构件长度，从而加长热桥， 又 不多占用夹层空间； 其缺点是： 杆系要穿越内容器，内容器需加密封套管，增加了内容器上的 密封焊点； 刚性密封套管的