RU1031274C

RU1031274C - Hutch for vehicular cryogenic tank

Info

Publication number: RU1031274C
Authority: RU
Inventors: А.Ф. Сысоев
Original assignee: Авиационный научно-технический комплекс им.А.Н.Туполева
Priority date: 1981-07-31
Filing date: 1981-07-31
Publication date: 1995-12-10

Description

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано в машиностроении и в транспортной технике для транспортных криогенных баков и цистерн, используемых во всех отраслях народного хозяйства. The invention relates to cryogenic technology and can be used in mechanical engineering and in transport equipment for transport cryogenic tanks and tanks used in all sectors of the economy.

Известен люк сосуда давления, содержащий фланец с выточкой, крышку с буртом, помещенную в выточку фланца, уплотнительный элемент, размещенные между буртом крышки и основанием выточки, и упорное кольцо, размещенное в выточке фланца над буртом крышки и снабженное подогревателем, при этом коэффициент линейного расширения материала бурта крышки и упорного кольца больше коэффициента линейного расширения материала фланца; крышка, воспринимающая в рабочем режиме внутреннее давление в сосуде, удерживается на фланце за счет сил трения. Known hatch of a pressure vessel containing a flange with a recess, a cover with a shoulder located in the undercut of the flange, a sealing element located between the shoulder of the cover and the base of the undercut, and a thrust ring located in the undercut of the flange above the shoulder of the cover and equipped with a heater, while the coefficient of linear expansion the material of the collar of the cover and thrust ring is greater than the coefficient of linear expansion of the flange material; the cover, which, in the operating mode, senses the internal pressure in the vessel, is held on the flange due to friction forces.

Однако такая конструкция не обеспечивает достаточно надежного крепления крышки к фланцу, особенно при большем диаметре горловины. However, this design does not provide sufficiently reliable fastening of the cover to the flange, especially with a larger neck diameter.

Кроме того, крышка не держит давления без нагревателя или до выхода сосуда на рабочий температурный режим. Использовать такую конструкцию для криогенного бака невозможно, так как давление в баке поднимается до его захолаживания с целью исключения возможности попадания воздуха из атмосферы в бак. Использование нагревателя в данном случае недопустимо из-за дополнительного теплопритока, кроме того, надежность конструкции значительно снижается из-за возможного выхода из строя нагревателя. In addition, the lid does not hold pressure without a heater or until the vessel reaches the operating temperature range. It is impossible to use such a design for a cryogenic tank, since the pressure in the tank rises before it cools in order to exclude the possibility of air entering the atmosphere into the tank. The use of a heater in this case is unacceptable due to additional heat gain, in addition, the reliability of the structure is significantly reduced due to a possible failure of the heater.

Известен также люк транспортного криогенного бака, являющийся ближайшим техническим решением. Also known hatch transport cryogenic tank, which is the closest technical solution.

Он содержит наружную крышку с теплоизоляцией и внутренний колпак, имеющие фланцы, соединенные с помощью крепежных элементов с фланцами соответственно на наружной и внутренней оболочках бака, при этом между фланцами размещены уплотнительные элементы, а пространство между колпаком и наружной крышкой вакуумировано. It contains an outer cover with thermal insulation and an inner cap having flanges connected by fasteners with flanges respectively on the outer and inner shells of the tank, while sealing elements are placed between the flanges, and the space between the cap and the outer cap is evacuated.

Известная конструкция используется на железнодорожных цистернах с верхним расположением горловины, при этом уплотнения фланца колпака и их конструктивные элементы непосредственно омываются криогенной жидкостью. Если же использовать известную конструкцию для криогенного бака с люком на днище при горизонтальном эксплуатационном положении бака, неметаллические уплотнения оказываются недостаточно долговечными, особенно если температура криогенной жидкости ниже температуры жидкого азота. Использование обычных уплотнительных элементов из металлов требует больших усилий обжатия, что ведет к увеличению массы конструкции горловины, кроме того, герметичность таких уплотнений часто оказывается недостаточной при использовании их для горловин большого диаметра (больше метра). Высокая стоимость специальных уплотнений из редкоземельных металлов не позволяет широко использовать их для транспортных емкостей. The known design is used on railway tanks with an upper neck, while the seals of the cap flange and their structural elements are directly washed by a cryogenic liquid. If you use the known design for a cryogenic tank with a hatch on the bottom with the horizontal operating position of the tank, non-metallic seals are not sufficiently durable, especially if the temperature of the cryogenic liquid is lower than the temperature of liquid nitrogen. The use of conventional metal sealing elements requires a large compression force, which leads to an increase in the neck construction mass, in addition, the tightness of such seals is often insufficient when used for large neck openings (more than a meter). The high cost of special seals made of rare earth metals does not allow their wide use for transport tanks.

Дополнительным недостатком известной конструкции является большая масса наружной крышки, работающей на сжатие от атмосферного давления, поскольку пространство под ней вакуумируется специально или естественным образом за счет конденсации воздуха. An additional disadvantage of the known design is the large mass of the outer cover, which is compressed by atmospheric pressure, since the space under it is evacuated specially or naturally due to air condensation.

Цель изобретения улучшение герметичности и повышение долговечности уплотнения с одновременным уменьшением массы люка. The purpose of the invention is to improve the tightness and increase the durability of the seal while reducing the mass of the hatch.

Это достигается тем, что люк транспортного криогенного бака, содержащий теплоизолированную наружную крышку и внутренний колпак с фланцами, соединенными соответственно с фланцами наружной и внутренней оболочек бака через уплотнительные элементы, и вакуумную теплоизоляцию между колпаком и крышкой, снабжен экраном с вакуумной теплоизоляцией, соединенным с крышкой и размещенным снаружи колпака, и опорной прокладкой из теплопроводного материала, расположенной между крышкой и колпаком, фланец внутренней оболочки снабжен буртом, установленным на расстоянии от внутренней поверхности колпака, при этом колпак выполнен из материала с большим, чем у материала бурта, коэффициентом линейного расширения, фланец колпака выполнен с внутренней фаской, расположенной напротив бурта, и один из уплотнительных элементов расположен между фаской и буртом, люк также снабжен двумя сильфонами, соединенными одной стороной между собой и с внутренней оболочкой бака, а другой стороной соответственно с фланцами наружной и внутренней оболочек. This is achieved by the fact that the hatch of the transport cryogenic tank, comprising a thermally insulated outer cover and an inner cap with flanges connected respectively to the flanges of the outer and inner shells of the tank through sealing elements, and a vacuum thermal insulation between the cap and the cap, is equipped with a screen with vacuum thermal insulation connected to the cap and placed outside the cap, and a support gasket of heat-conducting material located between the cap and the cap, the flange of the inner shell is provided with a shoulder, installed at a distance from the inner surface of the cap, while the cap is made of material with a coefficient of linear expansion larger than the collar material, the cap flange is made with an internal chamfer located opposite the collar, and one of the sealing elements is located between the chamfer and the collar, the hatch also equipped with two bellows, connected by one side to each other and with the inner shell of the tank, and the other side, respectively, with the flanges of the outer and inner shells.

На фиг.1 приведена схема установки люка в криогенном баке; на фиг.2 и 3 показан люк в разрезе, соответственно при отсутствии и при наличии криогенной жидкости в баке; на фиг.4 вид по стрелке А со стороны наружной крышки с разрезами. Figure 1 shows the installation diagram of the hatch in the cryogenic tank; figure 2 and 3 shows the hatch in the context, respectively, in the absence and in the presence of cryogenic liquid in the tank; figure 4 is a view along arrow A from the side of the outer cover with cuts.

Транспортный криогенный бак содержит наружную 1 и внутреннюю оболочки 2, между которыми расположена экранно-вакуумная теплоизоляция 3 и люк 4. В баке находится криогенная жидкость 5. Люк содержит наружную крышку 6 с экранно-вакуумной теплоизоляцией 7 и фланцем 8, колпак 9 с фланцем 10. Фланец 8 соединен с фланцем 11 наружной оболочки 1 бака с помощью болтов 12. Между ними установлен уплотнительный элемент 13. Крышка 6 снабжена экраном 14, расположенным между термокомпенсирующим сильфоном 15 и колпаком 9. Фланец 16 термокомпенсирующего сильфона соединен с фланцем наружной оболочки бака болтами 17. Фланец 10 колпака 9 имеет бурт 18 и фаску 19 для уплотнительного элемента 20 в углу, образованной фланцем 21 внутренней оболочки 2 бака и буртом 22. Бурт фланца 10 колпака 9 прикреплен буртом 23 прижимного кольца 24 к фланцу 21 внутренней оболочки 2 бака болтами 25 на анкерных самоконтрящихся гайках 26. Фланец 21 внутренней оболочки 2 бака соединен с термокомпенсирующим сильфоном 15 с помощью дополнительного сильфона 27. Между колпаком 9 и крышкой 6 установлена теплоизоляционная опорная прокладка 28. Зона 29 вакуумирована. The transport cryogenic tank contains an outer 1 and an inner shell 2, between which there is a screen-vacuum thermal insulation 3 and a hatch 4. There is a cryogenic liquid 5 in the tank 5. The hatch contains an outer cover 6 with a screen-vacuum thermal insulation 7 and a flange 8, a cap 9 with a flange 10 The flange 8 is connected to the flange 11 of the outer shell 1 of the tank by means of bolts 12. A sealing element 13 is installed between them. The cover 6 is provided with a screen 14 located between the heat-compensating bellows 15 and the cap 9. The flange 16 of the heat-compensating bellows is connected with the flange of the outer shell of the tank with bolts 17. The flange 10 of the cap 9 has a shoulder 18 and a chamfer 19 for the sealing element 20 in the corner formed by the flange 21 of the inner shell 2 of the tank and the collar 22. The collar of the flange 10 of the cap 9 is fastened with a collar 23 of the pressure ring 24 to the flange 21 inner shell 2 of the tank with bolts 25 on self-locking anchor nuts 26. The flange 21 of the inner shell 2 of the tank is connected to the heat-compensating bellows 15 using an additional bellows 27. A heat-insulating support gasket 28 is installed between the cap 9 and the cover 6. The vacuum zone 29 vana.

Люк работает следующим образом. Luke works as follows.

Для закрытия люка предварительно устанавливают уплотнительный элемент 20 (см. фиг. 2), после чего устанавливают колпак 9, далее прижимное кольцо 24, которое болтами 25 прижимает бурт 18 фланца 10 к фланцу 21 внутренней оболочки 2 бака. При этом происходит уплотнение уплотнительного элемента 20, а между фланцем 10 и буртом 22 существует зазор Δ величина которого выбрана так, чтобы при захолаживании бака во фланце 10 за счет разности коэффициента линейного расширения материалов фланца 10 и бурта 22 возникали растягивающие напряжения не более предела упругости. Затем устанавливают крышку 6 и закрепляют ее болтами 12 на фланце 11 наружной оболочки 1 криогенного бака, при этом уплотняют элемент 13, обеспечивающий герметичность зоны 29 (см.фиг.4). Теплоизоляционная прокладка 28 должна быть закреплена в крышке 6 предварительно до ее установки. При закрытии крышки 6 дополнительный сильфон 27 компенсирует технологические отклонения размеров элементов люка. Если при закрытии крышка 6 будет упираться в колпак 9, сильфон 27 растянется, если между колпаком 9 и опорной прокладкой 28 после затяжки болтов 12 останется зазор, при вакуумировании зоны 29 под действием давления в баке на внутреннюю поверхность колпака 9 сильфон 27 сожмется и колпак 9 прижмется к опорной прокладке 28. Открывается люк в обратной последовательности. To close the hatch, pre-install the sealing element 20 (see Fig. 2), then install the cap 9, then the clamping ring 24, which bolts 25 presses the shoulder 18 of the flange 10 to the flange 21 of the inner shell 2 of the tank. In this case, the sealing element 20 is sealed, and there is a gap Δ between the flange 10 and the collar 22, the value of which is selected so that when the tank is cooled in the flange 10 due to the difference in the linear expansion coefficient of the materials of the flange 10 and the collar 22, tensile stresses of no more than the elastic limit arise. Then install the cover 6 and fix it with bolts 12 on the flange 11 of the outer shell 1 of the cryogenic tank, while sealing element 13, ensuring the tightness of zone 29 (see figure 4). The heat-insulating gasket 28 must be fixed in the cover 6 prior to its installation. When closing the lid 6, an additional bellows 27 compensates for technological deviations in the dimensions of the hatch elements. If upon closing the cover 6 abuts against cap 9, the bellows 27 will stretch, if there is a gap between the cap 9 and the support gasket 28 after tightening the bolts 12, when the zone 29 is evacuated under pressure in the tank, the bellows 27 will be compressed and the cap 9 presses against the support gasket 28. The hatch opens in the reverse order.

После закрытия крышки 6 производят вакуумирование зоны 29 через специальный штуцер на крышке 6 (не показан). При захолаживании криогенного бака происходит уменьшение размеров элементов люка, соприкасающихся с криогенной жидкостью. При этом поскольку коэффициент линейного расширения материала фланца 10 (алюминиевый сплав) больше коэффициента линейного расширения материала бурта 22 (нержавеющая сталь), фланец 10 уменьшает свой диаметр в большей степени, чем бурт 22, в результате этого происходит закрытие зазора Δ с одновременной подпрессовкой уплотнительного элемента 20. После закрытия зазора образуется низкотемпературный натяг фланца 10 на бурт 22, при этом во фланце 10 возникают упругие растягивающие напряжения, а в бурте 22 сжимающие напряжения. Прижимное кольцо 24 (см.фиг.3) практически не препятствует уменьшению диаметра фланца 10, и при захолаживании бака бурт 18 скользит по бурту 23 кольца 24, выполненного из одного материала с фланцем 21. Поскольку для большинства конструкционных материалов температурные деформации при приближении к температуре жидкого азота почти завершаются, то фланец 10 надежно затворяет зазор Δ еще до поднятия уровня криогенной жидкости до уплотнения люка. По мере заполнения бака криогенной жидкостью колпак 9 заполняется криогенной жидкостью и устанавливается постоянный температурный режим работы. Основным уплотнением при этом является металлическое уплотнение, образованное низкотемпературным натягом фланца 10 на бурте 22. Долговечность и надежность такого уплотнения несравненно выше долговечности неметаллического уплотнения 20, которое обеспечивает герметичность в основном во время захолаживания бака, когда еще не произошла температурная усадка фланца 10 колпака 9. After closing the cover 6 evacuate zone 29 through a special fitting on the cover 6 (not shown). When cooling the cryogenic tank, the dimensions of the hatch elements in contact with the cryogenic liquid decrease. Moreover, since the coefficient of linear expansion of the material of the flange 10 (aluminum alloy) is greater than the coefficient of linear expansion of the material of the collar 22 (stainless steel), the flange 10 reduces its diameter to a greater extent than the collar 22, as a result of this, the gap Δ is closed while the sealing element is pre-pressed 20. After closing the gap, a low-temperature preload of the flange 10 on the shoulder 22 is formed, while elastic tensile stresses appear in the flange 10, and compressive stresses occur in the shoulder 22. The clamping ring 24 (see Fig. 3) practically does not prevent a decrease in the diameter of the flange 10, and when the tank is cooled, the shoulder 18 slides along the shoulder 23 of the ring 24, made of the same material with the flange 21. Since for most structural materials temperature deformations approach the temperature liquid nitrogen are almost completed, then the flange 10 reliably closes the gap Δ even before raising the level of cryogenic liquid before sealing the hatch. As the tank is filled with cryogenic liquid, the cap 9 is filled with cryogenic liquid and a constant temperature mode of operation is established. The main seal in this case is a metal seal formed by the low-temperature fit of the flange 10 on the shoulder 22. The durability and reliability of such a seal is incomparably higher than the durability of the non-metallic seal 20, which ensures tightness mainly during cooling of the tank, when the temperature shrinkage of the flange 10 of the cap 9 has not yet occurred.

Сильфон 15 обеспечивает компенсацию температурной усадки внутренней оболочки 2 криогенного бака и необходимый перепад температур от криогенных на сильфоне 27 и примерно до температуры окружающей атмосферы на фланце 11 наружной оболочки 1 бака. При этом уплотнения 13 работают в обычном температурном режиме, практически не подвергаются воздействию криогенных температур и могут быть изготовлены из вакуумно-плотной резины. Экран 14 крышки 6 благодаря своей вакуумной теплоизоляции надежно перекрывает промежуток между охлажденным колпаком 9 и фланцами 8, 11 и 16, благодаря чему значительно повышается долговечность уплотнительных элементов 13. Одновременно экран 14 устраняет теплопередачу лучей спусканием от фланцев 8 и 11 к криогенной жидкости, что сокращает ее потери на испарение. The bellows 15 provides compensation for the temperature shrinkage of the inner shell 2 of the cryogenic tank and the necessary temperature difference from cryogenic on the bellows 27 and approximately to the temperature of the atmosphere on the flange 11 of the outer shell 1 of the tank. In this case, the seals 13 operate in normal temperature conditions, are practically not exposed to cryogenic temperatures, and can be made of vacuum-tight rubber. The screen 14 of the cover 6 due to its vacuum thermal insulation reliably bridges the gap between the cooled cap 9 and the flanges 8, 11 and 16, thereby significantly increasing the durability of the sealing elements 13. At the same time, the screen 14 eliminates the heat transfer of the rays by lowering from the flanges 8 and 11 to the cryogenic liquid, which reduces its evaporation loss.

Экранно-вакуумная теплоизоляция 7 наружной крышки 6 устраняет теплопередачу к криогенной жидкости через люк. Под действием внутреннего давления паров криогенной жидкости в баке колпак 9 через опорную прокладку 28 давит на крышку 6 изнутри, в результате чего она работает как мембрана на растяжение, поскольку давление в баке больше атмосферного давления. В отличие от сжатых крышек, прочность которых лимитируется потерей устойчивости, растянутая крышка имеет значительно меньшую массу. Screen-vacuum insulation 7 of the outer cover 6 eliminates heat transfer to the cryogenic liquid through the hatch. Under the action of the internal vapor pressure of the cryogenic liquid in the tank, the cap 9 presses on the cover 6 from the inside through the support gasket 28, as a result of which it acts as a tensile membrane, since the pressure in the tank is greater than atmospheric pressure. Unlike compressed caps, the strength of which is limited by the loss of stability, a stretched cover has a significantly lower mass.

Сильфон 15, работая на сжатие, выдерживает внутреннее давление в баке без специального усиления конструкции. The bellows 15, working in compression, withstands the internal pressure in the tank without special reinforcement.

Опорная прокладка 28 передает давление криогенной жидкости и ее паров с внутренней поверхности колпака 9 на наружную крышку 6 люка. The support gasket 28 transfers the pressure of the cryogenic liquid and its vapor from the inner surface of the cap 9 to the outer cover 6 of the hatch.

При расхолаживании бака происходит процесс, обратный захолаживанию. Фланец 10 увеличивает свой диаметр в большей степени, чем бурт 22, образуется зазор Δ и при снятом кольце 24 колпак 9 свободно снимается, обеспечивая доступ во внутреннюю полость бака. When cooling the tank, the reverse process of cooling occurs. The flange 10 increases its diameter to a greater extent than the shoulder 22, a gap Δ is formed and when the ring 24 is removed, the cap 9 is freely removed, providing access to the internal cavity of the tank.

Предложенная конструкция люка для транспортного криогенного бака имеет высокую герметичность благодаря дополнительной подпрессовке неметаллического уплотнительного элемента при захолаживании криогенного бака и образованию при этом надежного металлического контакта фланца колпака с буртом за счет низкотемпературного натяга. Наличие плотного металлического низкотемпературного уплотнения позволяет довести долговечность основного уплотнения люка до долговечности самой конструкции криогенного бака, при этом люк надежно работает при криогенных температурах ниже температуры жидкого азота. The proposed hatch design for a transport cryogenic tank has high tightness due to the additional prepressing of a non-metallic sealing element during cooling of the cryogenic tank and the formation of reliable metal contact between the cap flange and the collar due to low-temperature interference. The presence of a dense metal low-temperature seal allows you to bring the durability of the main hatch seal to the durability of the cryogenic tank design itself, while the hatch reliably operates at cryogenic temperatures below the temperature of liquid nitrogen.

Благодаря разгрузке элементов люка от сжатия атмосферным давлением он имеет минимальную массу. Due to the unloading of the hatch elements from compression by atmospheric pressure, it has a minimum mass.

Конструкция обеспечивает минимальные потери криогенной жидкости на ее испарение благодаря отсутствию массивных тепловых мостов и, следовательно, незначительному теплопритоку через элементы люка. The design ensures minimal loss of cryogenic liquid due to its evaporation due to the absence of massive thermal bridges and, therefore, insignificant heat gain through the hatch elements.

Предложенный люк технологичен и прост в эксплуатации, не требует постоянного контроля за его работой. The proposed hatch is technological and easy to operate, does not require constant monitoring of its operation.

Claims

1. HATCH OF THE TRANSPORT CRYOGENIC TANK, comprising a thermally insulated outer cover and an inner cap with flanges connected respectively to the flanges of the outer and inner shells of the tank through sealing elements, and a vacuum thermal insulation between the cap and the cap, characterized in that, in order to improve the tightness and increase durability seals with a simultaneous reduction in the mass of the hatch, it is equipped with a screen with vacuum thermal insulation connected to the lid and placed outside the cap, and a non-warm supporting gasket rovodnogo material disposed between the cover and the cover flange is provided with an inner shell collar mounted at a distance from the inner surface of the cover, wherein the cap is made of a material having greater than that of a material, the coefficient of linear expansion collar.

2. The hatch according to claim 1, characterized in that the cap flange is made with an inner chamfer located opposite the shoulder, and one of the sealing elements is located between the chamfer and the shoulder.

3. The hatch according to claim 1, characterized in that it is equipped with two bellows, connected by one side to each other and with the inner shell of the tank, and the other side, respectively, with the flanges of the outer and inner shells.