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 (10)
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 (12)
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 (13)
5.5 无损检测 (13)
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 (14)
6、国内外深冷压力容器设计比较 (14)
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 (15)
参考文献 (16)
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。

2、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，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℃)，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。

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。

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:
a) 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=1.25
ηg-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。

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。

3.3.4、外壳防爆装置要点概述：
开启压力
开启压力应能够防止内容器失稳，且不超过0.5bar；
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！
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。

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。

3.4、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，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、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；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。

3.5、管路系统的特殊要求
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。

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。

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。

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)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。

3.6、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。

所以在实际工程中我们可以根据真空腔的容积大小以159／L来确定吸附剂的实际添加量，而美国的相关数据为209／L，也可以也可以作为参考，对于实际使用中的真空度影响应该不大。

4、压力容器制造要求
压力容器制造工序一般可以分为：原材料验收工序、划线工序、切割工序、除锈工序、机加工（含刨边等）工序、滚制工序、组对工序、焊接工序（产品焊接试板）、无损检测工序、开孔划线工序、总检工序、热处理工序、压力试验工序、防腐工序。

现有压力容器制造由设计、机加工和铆接、材料、焊接、计量理化和检验等部分贯穿于整个过程，需要各部分相互联系，相互协调，相互制约，共同完成压力容器产品的制造。

同时压力容器制造技术涉及到冶金、机械加工、腐蚀与防腐、无损检测、安全防护等众多行业，因此制造过程要求多行业、多学科、多方面的协作共同来完成。

在设计过程中就应该考虑制造工艺要求和技术难度，其中设计标准的选择尤为重要。

所有压力容器必须根据其类别由具有相应设计资格的设计单位进行设计、审核，由制造单位工艺人员编制相应的制造工艺文件，并经工艺责任工程师审核后方可正式投入生产。

在材料的选择过程中，压力容器产品材料不能随便地“以优代劣”，如主要受压元件发生这方面的材料代用时，制造单位必须取得原设计单位同意修改的书面证明文件，并且在改动部位作详细记载，同时进行相应的焊接工艺评定。

为确保压力容器产品质量，必须制定正确合理的工艺文件。

更重要的是在制造过程中，执行已制定的工艺文件。

压力容器的制作过程，从设计图纸的工艺性审核、制作工艺的编制、材料的验收入库到制作、检验与验收的各个环节，都是至关重要的。

任何一个环节出了问题，都会影响压力容器的最终质量，所以只有澄清概念，统一思想，达成共识，才能使我们的压力容器制作水平登上新的台阶。

5、深冷压力容器的检验
真空绝热深冷压力容器主要用于储运液氧、液氮、液氩、液化天然气等低温深冷液化气体，因其温度低、压力高、助燃易燃等特殊性，对其储运设备的制造
质量及使用安全性要求更高于传统容器。

其中主要项目的监督方面包括以下几个方面：
5.1 图样及制造工艺
检查压力容器设计单位的设计资格印章，确认该设计单位具有相应资质并在有效期内；审查压力容器制造和检验标准的有效性及设计变更手续是否符合相关规定。

5.2 材料
审查主要受压元件及焊接材料材质证明书，需要复验的材料审查复验报告；在现场检查材料标记移植情况；审查材料代用手续是否符合规定。

5.3 焊接
审查焊接工艺评定报告及记录是否能满足所生产的产品，确认产品施焊所采用的焊接工艺符合相关标准、规范；确认焊接试板数量及制作方法；审查产品焊接试板性能报告，确认试验结果；检查焊工钢印；审查焊缝返修的审批手续和返修工艺。

5.4 外观和几何尺寸
检查母材表面是否存在机械损伤情况；检查焊接接头表面质量及焊缝布置是否合理；检查封头形状偏差，并记录实际尺寸；检查筒体最大内径与最小内径差；当直立容器壳体长度超过30m 时，检查筒体直线度。

5.5 无损检测
审查无损探伤人员资质；查看无损探伤报告及排版图，核实实际探伤的比例及位置；对于局部探伤产品的返修焊缝，应检查扩探情况；抽查底片，抽查数量
不少于设备探伤比例的30% ，且不少于10 张(少于10 张的全部检查)，检查部位应包括“T”形焊缝可疑部位及返修片，抽查后填写射线探伤底片抽查记录。

5.6 热处理
检查热处理记录工艺、曲线及报告，确认热处理曲线与热处理工艺的一致性。

5.7 耐压试验
耐压试验前，应确认需监检的项目均监检合格，受检企业应完成的各项工作均有见证。

耐压试验时，监检人员及相关责任人员必须到现场核查试压装置、仪表及相应的安全防护措施，确认试压结果。

5.8 安全附件
检查安全附件数量、规格、型号及产品合格证是否符合图纸及技术要求，安全附件还应当有校验报告。

5.9 泄漏性试验（气密性试验）
检查泄漏性试验（气密性试验）的试验结果，应当符合有关规范、标准及设计图样的要求。

5.10 出厂技术资料
审查出厂技术资料；检查铭牌内容应符合有关规定，在铭牌上打监检钢印6、国内外深冷压力容器设计比较
通过对外文文献资料的阅读整理，在文章最后简要的对国内外关于深冷压力容器设计规范、理念等方面进行比较。

6.1国内设计标准的缺乏与现状
通过对比国内外关于深冷压力容器的标准，我国标准制定工作滞后，缺乏详细的标准。

由于标准编制和归口管理工作分属于不同的行业主管部门或标准化组织，其中不少国家标准和行业标准之间相互重叠和矛盾。

并且技术要求的不统一，将直接影响我国相应深冷容器产品的安全性和竞争力。

6.2低温界定比较
结合外文文献资料来看，对于压力容器而言，在出现的低温脆断破裂现象前后各个阶段当中都没有或仅仅存在局部区域内非常小的塑性变形表现，但大多不会出现整体结构上的屈服问题。

目前，国内外凡按常规设计的压力容器规范，针对受压元件的低应力脆断问题都做出了相应的规定，在规定当中还对具体的低温界限做出了合理划分。

（见表1）
而对于我国而言，结合多年以来的实践经验证实：在压力容器使用环境温度高于﹣20.0℃的情况时，按照常温标准进行压力容器的选材、设计、制造均是可以保障其安全性的。

因此，在现行的GB150-2011 规范当中，仍然按照﹣20.0℃作为低温压力容器的低温界定标准。

7、结语
对于固定式钢制真空绝热低温压力容器的设计，一般包括内压强度计算、外压的刚度计算、支撑计算、漏热以及热收缩计算、吸附剂的计算等一系列要点，。