350立方臥式低溫液氮、液氧、液氬儲罐的開發與設計

郝靜

摘 要：本文主要介紹了350立方臥式低溫液體儲罐的主要結構的開發與設計，并介紹了奧氏體不銹鋼室溫應變強化技術的基本原理和相關要求。

關鍵詞：分段厚度；加長的滑動技撐墊板；滑動端封頭采用保溫棉；應變強化的原理

本貯罐是由一個碳鋼真空外殼和一個置于其中的不銹鋼壓力容器組成。貯罐在低壓至中等壓力下進行操作。防爆片和安全排放閥在壓力過剩的情況下可以對貯罐起到保護作用。安全泄壓裝置是用來保護內置壓力容器和真空殼體的，其使用和型號是根據壓力容器規范而定的，包括一個用來保護內置壓力容器的復式泄壓閥和防爆片裝置，及一個用來保護真空殼體（外容器）的真空泄壓裝置。貯罐是按照安全、操作可靠和牢固耐用（可以無故障操作多年）而設計制作的，主要結構見圖一。

該低溫液體儲罐是公司成立以來第一臺超大容積的產品，而且是出口以色列，不僅要考慮設計，還要考慮制造過程所注意的問題，更要考慮到運輸的便利性。

該產品在開發前，為了產品的安全可靠性選材，同時還要考慮降低運行成本。我翻閱了大量的相關資料，因為該產品是臥式容器，特別是JB/T4731《鋼制臥式容器》，我對該標準從頭到尾仔仔細細的研究了一遍。最終確定內容器采用分段厚度，在內容器的兩處支撐及長度方向的中心的地方，厚度采用10mm，其他地方厚度采用8mm，這樣不僅降低了成本，又充分考慮了該產品的安全。

內容器與外容器的溫差較大，我在設計內容器的支撐時，考慮內容器比較長，熱脹冷縮比較大。左邊的支撐采用滑動支撐，右邊的支撐采用固定技撐，同時滑動支撐的墊板比固定支撐的墊板寬100mm，這樣在熱脹冷縮的過程中，滑動支撐不會滑脫墊板而被墊板卡住，最終被折斷，而且一旦滑脫墊板， 支撐就會直接支撐在內筒體上，則內筒體的強度不夠而產生內容器破裂，最終產品報廢或發生嚴重的安全生產事故。

在保溫上我也采取了非常規的設計，因為該產品的保溫材料用的是粉沬狀珍珠巖，其他容器也是只用珍珠巖保溫。當內容器冷縮時，滑動端的內容器封頭與外容器封頭之間的間隙增大，該粉沬狀珍珠巖就會從上面下陷，從而產生很大的一部分沒有保溫，外部容器產生冒汗現象，內容器的蒸發率變高。為了解決這一難題，我采用保溫棉加珍珠巖的方式，在滑動端的內容器封頭上固定包扎上一定厚度的具有彈性的保溫棉，因為保溫棉的彈性，保溫棉的伸縮可以與內容器的伸縮保持同步，這樣珍珠巖就不會下陷，就不會產生沒有保溫的地帶，外部容器產生冒汗現象和內容器的蒸發率變高現象就不存在了。

同時設計的原理是按照澳大利亞標準AS1210應變強化的原理，提高了材料的許用應力，因而減薄了容器的壁厚，降低了產品的成本。同時有利于實現壓力容器輕型化設計的要求；壓力容器輕型化是安全與經濟并重、安全與資源節約并重綠色制造理念的具體表現。

奧氏體不銹鋼應變強化原理及特點：

奧氏體不銹鋼具有優良的塑性、韌性，與碳鋼相比，其應力應變曲線沒有明顯的屈服平臺，而是隨著拉伸應力的連續增加變形連續增大，通常以產生0.2%塑性變形時的應力σ0.2作為屈服強度σs。奧氏體不銹鋼的屈強比低，屈服強度與抗拉強度間具有較大的塑性延伸區域。

奧氏體不銹鋼材料應變強化理論在歐洲特別是在德國已被廣泛的應用于低溫絕熱壓力容器設計中，并已將奧氏體不銹鋼材料應變強化理論的應用成果納入到德國的國家標準，且被歐盟所采用，形成歐盟的國家標準。應變強化奧氏體不銹鋼低溫容器所依據的原理是：當奧氏體不銹鋼承受一個大于屈服強度σs的拉伸應力σk時，卸載后將會產生塑性變形，再資加載時，應力應變將沿卸載路徑保持彈性增長，直至應力大于σk時，材料才重新進入塑性階段。此即為應變強化技術的原理，強化后材料的屈服強度由σ0.2提高到了σk。實驗研究表明：應變強化后奧氏體不銹鋼在低溫狀態下仍能保持其強化性能，強度甚至有所提高，且材料的塑性和韌性儲備可滿足低溫容器的制造和設計要求將σk選定為新的屈服強度對容器進行強度設計。應變強化后的奧氏體不銹鋼不僅在室溫下有較高的屈服強度。同樣地，在高溫下也能保持高的屈服強度。

奧氏體不銹鋼壓力容器應變強化仍按常規方法進行設計，其主要是制造工藝和選取材料的許用應力值不同。奧氏體不銹鋼壓力容器應變強化比較獨特，是通過提高壓力容器材料屈服強度來提高材料的許用應力值，提高幅度最大，容器整體已發生明顯的變形。

澳大利亞標準AS1210中，應變強化所需水壓試驗壓力Pk為設計壓力P的1.5倍，保證在使用過程中容器處于彈性狀態。應變強化過程中要嚴格注意應變強化時應緩慢升壓，最大升壓速度不得超過0.5MPa/min，當壓力接近強化壓力時，升壓速度不得超過0.1MPa/min。

目前，國內經過眾多科技工作者的努力，中國已在攻克深冷容器非線性設計、應變強化工藝、強化參數控制等工程化技術關鍵的基礎上，成功開發應變強化多任務自動控制系統，研制出奧氏體不銹鋼應變強化深冷容器，設計主要標準是GB150和《容規》。