CN2112056U - 用于深冷低温的多层绕带式高压容器 - Google Patents
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Abstract
深冷低温工作条件下的高压容器，筒体是在一个
较薄内筒的外面逐层交错预应力缠绕多层扁平钢带，
钢带两端焊于筒体端部斜面上。容器端盖采用多层
球形或椭圆形封头结构。所有构件均采用耐低温的
奥氏体不锈钢制成。这种方案有效地克服了传统单
层厚壁板结构方案所固有的各种缺点，具有取材简
单、工艺简化、焊接质量容易保证等优点，与传统工艺
比较，能耗节省80％，不锈钢材节省20％，工效提高
一倍，制造成本降低50％。
Description
本发明创造涉及在深冷低温工作条件下的高压容器。
深冷低温高压容器在宇航工程中有着重要应用，它是研制新型航天火箭发动机的关键设备。目前国内现有的一台4m3，10MPa高真空液氮屏液氢低温贮存容器，是为满足液氢－液氧（LH2－LO2）火箭发动机推力室挤压试车台短期贮存LH2及试验时为发动机提供合格的燃料而研制的。但由于其贮存容量小、压力不高，难以满足宇航技术迅速发展的要求。所以，增大容积、提高压力是未来深冷低温高压容器发展的必然趋势。就目前采用的单层厚板卷焊式筒体的低温高压容器而言（参见《低温工程》1990.NO.2“低温高压容器研制”），由于器壁较厚（如前述4m3，10MPa型容器的壁厚达60mm，材料为1Cr18Hi9Ti）制造极为困难，成本高昂，且潜在低温脆性断裂破坏的危险。尤其随着低温压力容器向提高压力和大型化方向发展，上述矛盾将更为突出。单层厚壁结构尚存在一些固有弱点。如厚板质量难以保证、制造工序复杂、生产周期长、焊接量大、且焊缝质量检查困难等。然而，若选用一般的多层式结构容器如多层包扎式、热套式等，虽能部分改善单层容器存在的安全性问题，但存在的深厚环焊缝，焊接要求高，工作量大，焊缝质量难以保证，安全可靠性不足等问题仍难以解决。因此，如何进一步提高低温高压容器的制造和安全可靠性技术，是发展该类容器的关键。
本发明创造的目的是要克服现有低温高压容器存在的缺陷。提供一种可减小筒体壁厚使卷焊简化、焊接质量检测较易而且能显著降低制造所需的能耗和钢材，大大提高工效，工作安全性有可靠保证的用于深冷低温的高压容器。
为实现上述目的，这种深冷低温高压容器是由内筒体、端盖、接管和隔热外壳所构成，基本特点是有一个较薄的不锈钢内筒，其外面有倾斜错绕的多层扁平钢带，容器的端盖采用多层球形或椭圆形封头结构。材料均采用具有优良低温特性的奥氏体不锈钢。
附图为本发明创造的结构示意图。
图中符号1为薄内筒，由较薄低温不锈钢板卷焊而成，其厚度占容器总厚度的15～25％；图中2表示扁平绕带层，由厚度3至8mm、宽度60至120mm的低温用不锈钢扁平钢带在简易绕带机上以10°至30°倾角（以环向为基准）进行逐层交错予应力缠绕而成。钢带两端焊于筒体端部斜面上；图中3为多层球形或椭圆形封头，由低温用不锈钢板逐层冲压成形。
下面举一个深冷低温高压容器的实例，以对单层卷焊式和绕带式结构，两种方案进行性能质量对比分析。
设计一种液氢（LH2）高压容器。设内压P＝35MPa，内径D1＝1000mm，容积10m3，采用标准的椭圆封头，容器长度为13.2m。
对容器壁厚进行对比计算，其结果如下：
对于单层厚壁容器：
由于存在深厚纵、环焊缝，其质量不如薄容器那么容易得到保证，故焊缝系数φ为0.8，则计算壁厚得S＝203mm。由于厚板最小弯曲半径受卷焊机限制，此时其主辊筒直径达φ1300mm，内径应是φ1400mm，则壁厚实际计算达280mm。采用如此厚壁容器的设计方案，从其制造工艺的高难度和高昂生产成本考虑，显然是不可取的。
对于扁平绕带容器：
由于将厚板壁和深厚焊缝筒体变为容易弯卷和焊接的较薄内筒，使焊接工艺较为简单，质量较能得到保证，故取焊缝系数φ为1，在仍保持内径φ1000mm条件下，容器总壁厚为S＝166mm，考虑更安全取总壁厚172mm。此时取内筒厚度SC＝38mm，外面缠绕8mm厚钢带16层。这样便可节省不锈钢20t。
计算绕带深冷低温高压容器证明其强度和刚度均能满足使用要求。
在制造技术和生产成本方面，采用绕带式容器的结构方案有许多优点：
1.原材料中除内筒需要厚度不大于40mm的不锈钢板外，其余则大量利用扁平钢带，取材简单容易，且材质比照单层厚板容器有显著提高，有效克服了厚板卷焊存在的问题，其综合性能与生产成本均优于任何厚板结构；
2.制造工艺简单，质量更易保证。绕带式容器结构，使在机械加工、热处理、质量检验焊接等工艺大大简化，尤其在不锈钢焊接方面，由于厚环焊缝的焊接工作减少到最低限度，只需对薄内筒进行环焊缝焊接，绕带与封头（可采用多层封头）的斜面焊接，焊接质量无疑能得到更好的保证。与制造厚壁容器相比，能耗节省80％，工效提高一倍，制造成本可降低50％。
3.容器结构适应性强。内外层材料、容器内径大小、筒体长短、器壁厚薄，均可在较大范围内调整变化。将钢带进行预应力缠绕，对筒体应力状态改善有利，可实现容器等强度设计。
4.安全可靠性有保证。绕带结构高压容器有特殊安全性能，具有在工作压力下“只漏不爆”的优点，且可实现在线监控。这对液氢、液氧等高压、低温容器的安全操作有特别重要的意义；
5.作为深冷低温高压容器，与单层容器相比，绕带式结构，由于存在钢带表面的氧化皮和层间间隙，使其热阻比单层容器增大，综合热导率变小，这对绝热有利。因温差应力的大小取决于温差的大小与筒体热变形是否受到阻碍，而绕带式低温高压容器薄内筒的热变形阻碍较小，所以，采用绕带式结构对降低温差应力是有利的。
由于本发明创造对于深冷低温高压容传统结构有重大突破，特别在解决宇航工程中应用的深冷低温大型液氢－液氧贮存设备有特殊意义，具有显著的经济效益和社会效益，国家教委确定为博士点科学基金资助开拓项目。
Claims (6)
1、用于深冷低温的高压容器，是由内筒体、端盖接管和隔热外壳所构成，其特征是内筒体有一个较薄内筒[1]，在它外面缠绕多层扁平钢带[2]。
2、根据权利要求1所述用于深冷低温的高压容器，其特征是端盖采用多层球形封头〔3〕。
3、根据权利要求1所述用于深冷低温的高压容器，其特征是端盖采用多层椭圆形封头〔3〕。
4、根据权利要求1所述用于深冷低温的高压容器，其特征是内筒〔1〕壁厚度占容器总壁厚的15～25％。
5、根据权利要求1所述的用于深冷低温的高压容器，其特征是缠绕在内筒外面的绕带层〔2〕是由带厚度为3至8mm，宽度为60至120mm的扁平钢带以10°至30°倾角（环向为基准）进行逐层交错予应力缠绕而成。钢带两端焊于筒体端部斜面上。
6、根据权利要求1所述用于深冷低温的高压容器，其特征是内筒〔1〕、绕带层〔2〕以及封头〔3〕均由耐低温的奥氏体不锈钢制成。
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| CN 91228870 CN2112056U (zh) | 1991-11-22 | 1991-11-22 | 用于深冷低温的多层绕带式高压容器 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN (1) | CN2112056U (zh) |
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN105478060A (zh) * | 2014-10-13 | 2016-04-13 | 彭碳科技有限公司 | 一种可缓冲应力的含能容器 |
| CN116906807A (zh) * | 2023-09-13 | 2023-10-20 | 东华工程科技股份有限公司 | 一种高压储氢容器 |
-
1991
- 1991-11-22 CN CN 91228870 patent/CN2112056U/zh active Pending
Cited By (3)
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| CN116906807A (zh) * | 2023-09-13 | 2023-10-20 | 东华工程科技股份有限公司 | 一种高压储氢容器 |
| CN116906807B (zh) * | 2023-09-13 | 2024-05-10 | 东华工程科技股份有限公司 | 一种高压储氢容器 |
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