真空絕熱深冷壓力容器結構及設計工藝要點研究

徐亞玲

【摘 要】本文主要對真空絕熱深冷壓力容器的基本結構及制造過程中的設計工藝要點進行了簡單明了的介紹，以使更多人能夠了解其結構以及制造中的設計工藝要點。

【關鍵詞】真空絕熱深冷壓力容器；基本結構；設計工藝要點

中圖分類號：TH49 文獻標識碼：B

近幾年，真空絕熱深冷壓力容器市場需求旺盛，生產廠家越來越多，用于貯運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計制造有所不同，但其基本結構大致一樣。本文將簡單介紹真空絕熱深冷壓力容器的基本結構及設計制造的工藝要點，以幫助更多的人了解真空絕熱深冷壓力容器。

一、真空絕熱深冷壓力容器的基本構造

真空深冷絕熱壓力容器一般由內容器、外殼、真空絕熱層、內容器與外殼間支撐裝置以及管路附件裝置構成。

（一）內容器

用于盛裝深冷液體，主體材料一般為奧氏體不銹鋼（其中用于盛裝液態二氧化碳的主體材料使用的是低溫壓力容器用低合金板，如16MnDR板）。

（1）對于工藝人孔的設置，深冷容器允許不設置檢查孔及人孔，但實際大部分制造廠家為了提高制造質量及檢查精度，還是設置了工藝人孔。

（2）對于內容器相關附件，進液部分設置上進液噴頭（立式罐）、防沖管、噴淋管（臥式罐）以保證冷液均勻進入；下進液分布或攪拌器（一般僅LNG需要），以防止LNG分層；出液設置防渦器，以防止渦旋型蒸發和保護機械型抽液設備的使用安全；采用引管穿壁接頭、凸緣（即單雙面管接頭）以避免薄壁管與較厚的殼壁直接相焊，從而改善了結構的焊接性能。

（二）外殼

用于密封維持真空絕熱層真空以及運輸安裝，主體材料一般為碳素鋼或低合金鋼。外殼上的重要結構是防爆裝置、抽真空和側真空裝置以及從內容器引出管路的固定。管路固定通常采用不銹鋼制的平封頭、橢圓封頭、管帽或大直徑不銹鋼管等，以保證流通低溫液、氣時管路不與外殼直接接觸，避免外殼被凍裂。

（三）真空絕熱夾層

用于保持內容器低溫狀態，主要包括絕熱材料、吸附材料及吸附裝置等。

（四）內外容器間的支撐結構

常用的有拉帶帶支腿式（大型立式罐）、徑向直撐帶支腿式（小型立式罐）以及前后下支柱加前后上壓柱式（用于臥式罐）。

（五）管路系統

包括進出液管，增壓器進液、出氣管，安全泄放與放氣管，液位計引管，滿液指示管（溢流管、最高液位直觀取信管），分類閥門，壓力表，液位計，抽真空裝置，測真空裝置，阻火器以及靜電接地端子（一般貯運易燃介質的容器設置）。

二、真空絕熱深冷壓力容器的設計制造工藝要點

（一）內容器設計制造工藝要點

（1）內容器設計中應重視其從環境溫度冷卻到操作溫度過程中在支承點處承受的溫差載荷以及由于內容器、管道及外殼之間不同的熱膨脹引起的管道反作用力，并分別考慮下列工況：

①進液冷卻過程：內容器熱狀態，管道系統冷狀態，外殼熱狀態；

②充裝及卸料過程：內容器、管道系統均是冷狀態，外殼熱狀態；

③儲存過程：內容器冷狀態，管道系統熱狀態，外殼熱狀態。

（2）操作時，壓力急劇波動引起的沖擊載荷及液體進入內容器時，液體沖擊引起的作用力。

（3）由內容器引出的管路系統應加管接頭過渡，這是因為管道與殼壁厚度一般相差較大，兩者直接相焊不易保證焊接質量，管道所受應力也較大。

（4）殼體的圓度與直線度應盡可能控制在最小范圍內，因為罐體夾層空間小（現在的珍珠巖或珠光砂絕熱罐夾層空間一般為240mm左右，鋁箔纏繞罐的夾層空間可為140mm左右，而大型的深冷槽車夾層空間只有60mm左右），如果不控制圓度與直線度，對套合將造成很大的困難。

（二）外殼的結構設計要點

（1）外壓筒體計算長度一般取決于加強圈的慣性矩，因此為減重，外殼一般設置密集低矮型加強圈。近年來，在低溫槽車的制造中，為擴大內容器有效容積，而又不使外殼外部尺寸超過汽車相關標準要求，有的廠家使用了外加強圈，效果也很好（例如張家港圣達因公司生產的55.6m3低溫運輸半掛車）。

（2）夾層伸出的管道引自低溫端的內容器，而外殼材料一般為碳鋼或低合金鋼，外殼難以承受管壁低溫，一般應設不銹鋼過渡連接，使低溫管壁與外殼之間有足夠的熱阻，以防碳鋼或低合金鋼外殼材料承受深冷載荷，且應充分考慮溫度補償。主要應用以下結構：

①彎管柔性補償，即在管道與外殼間加不銹鋼板、大直徑管、管帽或者平封頭（橢圓封頭）過渡。

②直管穿出時設波紋管補償（此結構不常用）。

（3）對于夾層抽真空流道，一般采取將真空吸口延伸至絕熱材料內部（甚至設置多個延伸吸口）的措施，以降低絕熱材料對抽真空產生的流阻。

（4）防爆裝置開啟壓力應能夠防止內容器失穩，且不超過0.5bar；泄放面積應不小于0.34mm2/L內容器容積，且任何情況下不必超過5000mm2。

（三）內容器與外殼、支撐連接的設計要點

內容器與外殼之間支撐連接件，既要滿足承載強度、剛度的要求，又要有高的熱阻，防止產生隔熱性能差的熱橋。制造中常用的各種結構如下：

（1）用柔性構件吊、拉內容器，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。其優點是只承受拉力，故受力狀態簡單明確，易于計算掌握，可以充分利用夾層空間，加大構件長度，從而加長熱橋，且不必擔心失穩。其缺點是由于全截面承受拉應力，安全系數不能低，且構件材料多為不銹鋼，設備自重大，成本高，且因柔性吊、拉構件要充分利用夾層空間，致使內、外容器套合時施工難度大，不易控制位置尺寸。高真空多層絕熱結構夾層空間狹小，這種結構基本無法使用。

（2）兩端封頭處采用固定支撐件，其優點是支撐只有兩個，結構簡單，熱橋少。其缺點是支撐件要抗彎、剪、拉、壓，應力狀態不好，單位截面積承載能力低，一般只應用于小容器。但據相關資料顯示，法國制造的40英尺液氫罐箱就采用這種結構。

（3）用于立式容器的下支腿加橫拉帶結構。下支腿承受工作狀態載荷，橫拉帶承受臥置運輸時的空罐運輸載荷，其優點是承受工作狀態載荷的下支腿長度易于掌握，需要時加熱阻構件也易于設置，設計自由度較大，橫拉帶只承受臥置運輸時的空罐運輸載荷，承載面不大，熱阻較大，結構簡單，熱橋少，內、外容器套合時施工容易。其缺點是下支腿承壓，需考慮軸向壓應力和橫拉帶失穩的聯合承載能力，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，往往需要設置輔助熱阻構件。目前這種結構在立式罐中應用最廣。

（4）用于臥式容器的前后下支柱加前后上壓柱結構，前（滑動端）下支柱、上壓柱承壓，后（固定端）下支柱、上壓柱承壓、剪、彎聯合載荷。其優點是結構簡單，內外容器套合時施工容易，適應性好，適用于包括夾層之間狹小的高真空多層絕熱容器在內的多種結構。其缺點是，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件，而熱阻大的材料往往是非金屬，不得不設計輔助結構以防焊接熱可能對非金屬的傷害；外殼上開孔封焊點多，不利于防泄漏控制；支點處殼體上局部應力大，需要加補償結構。目前在臥式容器中此種結構應用最廣。

三、結束語

通過本文的介紹，希望能引起深冷容器制造業界的工程技術人員的共鳴，拋磚引玉，以期與同行業的專家探討，獲取更多的實踐知識，進一步提高自己。同時，使更多的深冷容器的使用者能更簡單明了地認識深冷容器的基本結構及使用中應注意的問題，提高該類容器在使用過程中的安全性。

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