低溫壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計知識一網(wǎng)打盡

低溫壓力容器及其部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)充分考慮以下要求。

①結(jié)構(gòu)盡可能簡單，減少焊接件的拘束程度。

②結(jié)構(gòu)各部分截面應(yīng)避免產(chǎn)生過大的溫度梯度。

③ 結(jié)構(gòu)拐角和過渡應(yīng)減少局部的應(yīng)力集中以及截面尺寸和剛度的急劇變化。

④容器元件的各個部分(包括接管與殼體的連接)所形成的T 形接頭、角接接頭焊縫和各類角焊縫，以及接管、凸緣端部都應(yīng)修磨成圓角，使其內(nèi)、外拐角均成圓滑過渡。

⑤容器的鞍座、耳座、支腿應(yīng)設(shè)置墊板，避免直接與容器殼體相焊。墊板或連接板按低溫用材考慮。

⑥容器與非受壓件或附件的連接焊縫應(yīng)采用連續(xù)焊。

⑦接管補(bǔ)強(qiáng)應(yīng)盡可能采用整體補(bǔ)強(qiáng)或厚壁管補(bǔ)強(qiáng)，若采用補(bǔ)強(qiáng)板，應(yīng)為截面全焊透結(jié)構(gòu)，且焊縫圓滑過渡。

⑧在結(jié)構(gòu)上應(yīng)避免焊縫的集中和交叉。

⑨容器焊有接管及載荷復(fù)雜的附件，需焊后消除應(yīng)力，而不能整體進(jìn)行熱處理時，應(yīng)考慮部件單獨熱處理的可能性。

結(jié)構(gòu)設(shè)計原則舉例如下：各幾何形狀不連續(xù)的連接元件之間應(yīng)有足夠大的過渡圓弧半徑：厚薄不一致的連接件之間應(yīng)有足夠斜度的削薄過渡；盡可能將結(jié)構(gòu)做成靜定結(jié)構(gòu)，使各構(gòu)件在外載荷作用下可以自由變形，不受約束；各支座和容器受壓元件的接觸處應(yīng)設(shè)置墊板；

使局部載荷盡可能均勻地作用在各受壓元件上；在加熱或冷卻物料的進(jìn)出口處，應(yīng)使流體和受壓原元件均勻接觸，避免產(chǎn)生較大的溫度差；在可能條件下，優(yōu)先采用厚壁管補(bǔ)強(qiáng)或整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)而盡量少用補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)；圓筒或封頭上盡可能沿徑向開孔，避免出現(xiàn)非徑向接管；盡可能采用整體法蘭；避免采用螺紋法蘭；各類焊接接頭盡可能采用全熔透結(jié)構(gòu)。

在低溫操作條件下使用的容器. 根據(jù)殼體內(nèi)帶壓與否可分為低溫壓力容器和低溫真空容器。低溫容器與常溫壓力容器相比，結(jié)構(gòu)形狀基本相同，但低溫容器筒體外壁有絕熱結(jié)構(gòu)。

低溫容器的總體結(jié)構(gòu)一般如下。

① 容器本體，包括儲液內(nèi)容器(俗稱內(nèi)膽)、絕熱結(jié)構(gòu)、外殼體和連接內(nèi)、外殼體的構(gòu)件等。選擇絕熱結(jié)構(gòu)時，應(yīng)綜合考慮絕熱性能、經(jīng)濟(jì)性、堅固性、容積、重量及施工方便等多種因素。連接內(nèi)、外殼體的構(gòu)件主要包括管道、支承系統(tǒng)、拉桿、人孔及鏈條等。

② 低溫液體和氣體的注入、排出及回收系統(tǒng)。

③ 壓力、溫度、液面等檢查儀表及管道與閥門。

④ 安全設(shè)施，如內(nèi)、外殼體的防爆膜、安全閥、緊急排液閥等。

⑤ 其他附件， 如底盤、把手、抽氣口等。

一般情況下，低溫容器的內(nèi)容器常用奧氏體不銹鋼、鋁合金、鉬合金制作；液化天然氣的內(nèi)容器還可用9Ni 鋼制作；液氟容器的內(nèi)容器多用蒙乃爾合金，也可選用不銹鋼制作。而外殼體在常溫下工作，可用普通的碳鋼制作。連接內(nèi)、外殼體的管道等構(gòu)件，常用熱導(dǎo)率小的不銹鋼、蒙乃爾合金等。

低溫容器的公稱容積指儲存液化氣體的有效容積。容器的幾何容積應(yīng)大于其公稱容積，以留有5%~10% 的蒸氣窨。如果容器中不留附加的蒸氣窨，由于熱漏而導(dǎo)致液體蒸發(fā)， 容器中的壓力會快速升高。

其次， 在快速充裝操作時由于內(nèi)容器預(yù)冷不充分將會引起附加的液體蒸發(fā)，如果沒有一個蒸氣窨，液體將會通過排氣管排走。在正常的充液操作中，當(dāng)容器大約被充滿90% 時，液體就開始從排氣管排出，亦即儲槽的幾何容積只有90% 才是有效的，因此液化氣體儲槽通常要有10 % 的富裕空間。

壓力容器受壓部分的焊接接頭根據(jù)所在位置分為A 、B 、C 、D 四類. 分類原則見GB150. 1 。此外，把底座、支耳、托架墊板及其他非受壓附件與壓力容器內(nèi)、外殼壁的連接焊縫稱為E 類焊縫。

低淚壓力容器焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵在于焊接接頭的全熔透，防止因焊接接頭中存在裂紋、氣孔等人為缺陷，導(dǎo)致容器發(fā)生低應(yīng)力脆斷。

(1)焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般原則

① 首先應(yīng)根據(jù)容器的工作介質(zhì)、工作壓力、使用溫度及焊接接頭所在位置，來選擇合適的焊接結(jié)構(gòu)，以保證有足夠的強(qiáng)度和嚴(yán)密性。

② 為減少焊接件的變形和應(yīng)力，對厚薄不一致的工件焊接時. 應(yīng)有足夠斜度的削薄過渡，宜采用等厚度焊接接頭。

③ 焊接接頭盡可能采用有較高靜載荷及疲勞強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)形式，并避免焊接接頭過于集中，以減少應(yīng)力集中和接頭變形。

④應(yīng)用在真空環(huán)境下的焊接接頭，其焊后的死角應(yīng)在背離真空的一面。

(2) 常用的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計

A 類焊接接頭應(yīng)采用雙面焊或相當(dāng)于雙面焊的全熔透對接焊接接頭，若采用單面焊的對接焊接接頭，必須在焊接接頭根部全長設(shè)置有緊貼基木金屬的墊板，且需在焊后去除墊板以保證表面的光潔。

B 類焊接接頭也應(yīng)采用與A 類焊接接頭相同的雙面對接焊或相當(dāng)于雙面焊的全熔透對接焊接接頭，但因結(jié)構(gòu)限制不能采用全熔透焊接接頭時，允許用焊后不拆除墊板的單面對接焊接接頭。

C 類和D類焊接接頭原則上均要求采用截面全焊透結(jié)構(gòu)。

非受壓附件與受壓元件連接的E 類焊接接頭應(yīng)符合下列規(guī)定: 非受壓附件與受壓元件的連接焊接接頭應(yīng)采用連續(xù)焊；非受壓附件與受壓元件的連接焊接接頭可根據(jù)具體情況采用填角焊、部分熔透或全熔透對接、堆焊對接等結(jié)構(gòu)形式。

T形連接的填角焊接接頭高度及部分熔透的深度應(yīng)不小于附件連接件厚度的1 / 4 。

墊板與器壁的搭接填角焊接接頭高度及部分熔透的深度應(yīng)不小于墊板厚度的1 / 2 。

裙座與殼體的角接焊接接頭高度(從焊接接頭根部至焊接接頭表面的最小厚度)應(yīng)不小于裙座厚度。

在有條件的場合. 應(yīng)盡量采用保證熔透的雙面角接或?qū)拥暮附咏宇^形式。

低溫容器中，為滿足使用和檢測的要求，常用到許多密封結(jié)構(gòu)。大致可分成三大類：低溫靜密封，往往與真空相關(guān)聯(lián)，成為真空下的低溫密封：低溫容器的窗口密封；引線密封。

以上幾種密封有的僅用在低溫下，有的用在低溫真空下，由于低溫下材料的許多物性變化較大，如熱脹冷縮、低溫下變硬變脆等問題，會導(dǎo)致密封比壓大大降低或完全消失，為此，低溫下密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計， 是低溫容器設(shè)計中一項特殊的工作。

設(shè)計低溫絕熱結(jié)構(gòu)的目的：首先在于將通過對流、傳導(dǎo)和輻射等各種傳熱方式傳遞給低溫裝置的熱量減少到盡可能低的程度，以維持低溫系統(tǒng)的正常工作；其次還可以提高低溫裝置外表面的溫度，避免在外表面上結(jié)露或結(jié)霜；避免人的皮膚與之接觸時被'灼傷' .以改善工作條件和防止意外事故的發(fā)生。

低溫絕熱方法分為非真空絕熱與真空絕熱兩大類。非真空絕熱即普通絕熱或堆積絕熱，指在低溫設(shè)備的外表面堆積或包扎一定厚度的絕熱材料的絕熱方式。真空絕熱是指將絕熱空間抽至不同的真空度的絕熱方式。真空絕熱又分為高真空絕熱、真空粉末絕熱和真空多層絕熱三種。在各種絕熱方式中，除高真空絕熱外都需應(yīng)用絕熱材料，絕熱材料是確定絕熱方式和設(shè)計絕熱結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。

(1)低溫絕熱材料的基本要求

①熱導(dǎo)率低，密度小。

②真空型的絕熱材料放氣率要小，低溫下吸附氣體性能強(qiáng)。

③ 強(qiáng)度高，經(jīng)久耐用。

④不氧化，不燃燒，不分解，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，對人體無害。

⑤吸溫性小，抗凍性強(qiáng)，膨脹系數(shù)小。

⑥適用溫區(qū)廣，來源充足， 加工方便，價格便宜。

(2) 低溫絕熱材料的種類

低溫絕熱材料通常分為常用絕熱材料和高真空多層(含多屏)絕熱材料。

高真空多層絕熱材料由高反射性、低輻射率的屏蔽材料和熱導(dǎo)率低的問隔材料組成。屏蔽材料常用鋁箔或表面噴鍍鋁的塑料薄膜，間隔材料常用無堿玻璃纖維布(紙)、尼龍網(wǎng)、植物纖維紙等。

多層材料也可以選用單面噴鍍金屬膜的塑料薄膜或波紋型的噴鋁薄膜，如鋁箔紙. 單面涂二氧化硅的鍍鋁薄膜(又稱GS-80 多層材料)、填炭紙等絕熱材料。

常用絕熱材料按材質(zhì)分為礦物質(zhì)材料和有機(jī)質(zhì)材料。礦物質(zhì)材料的強(qiáng)度高，不易變質(zhì)腐蝕，經(jīng)久耐用， 但需要一定的加工設(shè)備，而且有些材料的密度和熱導(dǎo)率較大。有機(jī)質(zhì)材料加工方便.價格便宜，熱導(dǎo)率小，但易燃易潮，易變質(zhì)腐蝕。

常用絕熱材料按其組織結(jié)構(gòu)，還可以分為泡沫型、粉末型和纖維型三種。泡沫型材料有泡驚塑料、泡沫玻璃、泡沫聚氨酯等。粉末型材料有膨脹珠光砂、碳酸鎂、膨脹蛭石及硅藻土等。纖維型材料有礦渣棉、玻璃纖維、陶器纖維。

外界進(jìn)入低溫容器的熱流，除通過絕熱體外，還有一部分通過絕熱空間的支承系統(tǒng)傳導(dǎo)，一個絕熱性能差的支承系統(tǒng)可以抵消應(yīng)用高性能絕熱的效果。同時支承系統(tǒng)必須具有高的強(qiáng)度. 以承擔(dān)容器內(nèi)液體的重量以及各種沖擊力的作用。因此低溫容器的支承系統(tǒng)必須滿足機(jī)械強(qiáng)度和小熱流兩個相互矛盾的要求。

為了減少通過支承系統(tǒng)構(gòu)件的導(dǎo)熱，通常可采用熱導(dǎo)率小的材料， 增加傳熱途徑的有效長度，減小構(gòu)件的橫截面積，以及采用高接觸熱阻的結(jié)構(gòu)形式。常用的支承裝置有高強(qiáng)度的不銹鋼拉桿，金屬或塑料的波紋面的托帶，塑料壓塊，多觸點的多層疊片、壓管、鏈或鋼絲繩等。