真空绝热深冷压力容器结构及设计工艺要点研究

【摘 要】本文主要对真空绝热深冷压力容器的基本结构及制造过程中的设计工艺要点进行了简单明了的介绍，以使更多人能够了解其结构以及制造中的设计工艺要点。

【关键词】真空绝热深冷压力容器；基本结构；设计工艺要点

中图分類号：TH49 文献标识码：B

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。

一、真空绝热深冷压力容器的基本构造

真空深冷绝热压力容器一般由内容器、外壳、真空绝热层、内容器与外壳间支撑装置以及管路附件装置构成。

（一）内容器

用于盛装深冷液体，主体材料一般为奥氏体不锈钢（其中用于盛装液态二氧化碳的主体材料使用的是低温压力容器用低合金板，如16MnDR板）。

（1）对于工艺人孔的设置，深冷容器允许不设置检查孔及人孔，但实际大部分制造厂家为了提高制造质量及检查精度，还是设置了工艺人孔。

（2）对于内容器相关附件，进液部分设置上进液喷头（立式罐）、防冲管、喷淋管（卧式罐）以保证冷液均匀进入；下进液分布或搅拌器（一般仅LNG需要），以防止LNG分层；出液设置防涡器，以防止涡旋型蒸发和保护机械型抽液设备的使用安全；采用引管穿壁接头、凸缘（即单双面管接头）以避免薄壁管与较厚的壳壁直接相焊，从而改善了结构的焊接性能。

（二）外壳

用于密封维持真空绝热层真空以及运输安装，主体材料一般为碳素钢或低合金钢。外壳上的重要结构是防爆装置、抽真空和侧真空装置以及从内容器引出管路的固定。管路固定通常采用不锈钢制的平封头、椭圆封头、管帽或大直径不锈钢管等，以保证流通低温液、气时管路不与外壳直接接触，避免外壳被冻裂。

（三）真空绝热夹层

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。

（四）内外容器间的支撑结构

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）。

（五）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）。

二、真空绝热深冷压力容器的设计制造工艺要点

（一）内容器设计制造工艺要点

（1）内容器设计中应重视其从环境温度冷却到操作温度过程中在支承点处承受的温差载荷以及由于内容器、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：

①进液冷却过程：内容器热状态，管道系统冷状态，外壳热状态；

②充装及卸料过程：内容器、管道系统均是冷状态，外壳热状态；

③储存过程：内容器冷状态，管道系统热状态，外壳热状态。

（2）操作时，压力急剧波动引起的冲击载荷及液体进入内容器时，液体冲击引起的作用力。

（3）由内容器引出的管路系统应加管接头过渡，这是因为管道与壳壁厚度一般相差较大，两者直接相焊不易保证焊接质量，管道所受应力也较大。

（4）壳体的圆度与直线度应尽可能控制在最小范围内，因为罐体夹层空间小（现在的珍珠岩或珠光砂绝热罐夹层空间一般为240mm左右，铝箔缠绕罐的夹层空间可为140mm左右，而大型的深冷槽车夹层空间只有60mm左右），如果不控制圆度与直线度，对套合将造成很大的困难。

（二）外壳的结构设计要点

（1）外压筒体计算长度一般取决于加强圈的惯性矩，因此为减重，外壳一般设置密集低矮型加强圈。近年来，在低温槽车的制造中，为扩大内容器有效容积，而又不使外壳外部尺寸超过汽车相关标准要求，有的厂家使用了外加强圈，效果也很好（例如张家港圣达因公司生产的55.6m3低温运输半挂车）。

（2）夹层伸出的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，外壳难以承受管壁低温，一般应设不锈钢过渡连接，使低温管壁与外壳之间有足够的热阻，以防碳钢或低合金钢外壳材料承受深冷载荷，且应充分考虑温度补偿。主要应用以下结构：

①弯管柔性补偿，即在管道与外壳间加不锈钢板、大直径管、管帽或者平封头（椭圆封头）过渡。

②直管穿出时设波纹管补偿（此结构不常用）。

（3）对于夹层抽真空流道，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，以降低绝热材料对抽真空产生的流阻。

（4）防爆装置开启压力应能够防止内容器失稳，且不超过0.5bar；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。

（三）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间，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，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、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（固定端）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，适用于包括夹层之间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；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。

三、结束语

通过本文的介绍，希望能引起深冷容器制造业界的工程技术人员的共鸣，抛砖引玉，以期与同行业的专家探讨，获取更多的实践知识，进一步提高自己。同时，使更多的深冷容器的使用者能更简单明了地认识深冷容器的基本结构及使用中应注意的问题，提高该类容器在使用过程中的安全性。

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