350立方卧式低温液氮、液氧、液氩储罐的开发与设计

郝静

摘 要：本文主要介绍了350立方卧式低温液体储罐的主要结构的开发与设计，并介绍了奥氏体不锈钢室温应变强化技术的基本原理和相关要求。

关键词：分段厚度；加长的滑动技撑垫板；滑动端封头采用保温棉；应变强化的原理

本贮罐是由一个碳钢真空外壳和一个置于其中的不锈钢压力容器组成。贮罐在低压至中等压力下进行操作。防爆片和安全排放阀在压力过剩的情况下可以对贮罐起到保护作用。安全泄压装置是用来保护内置压力容器和真空壳体的，其使用和型号是根据压力容器规范而定的，包括一个用来保护内置压力容器的复式泄压阀和防爆片装置，及一个用来保护真空壳体（外容器）的真空泄压装置。贮罐是按照安全、操作可靠和牢固耐用（可以无故障操作多年）而设计制作的，主要结构见图一。

该低温液体储罐是公司成立以来第一台超大容积的产品，而且是出口以色列，不仅要考虑设计，还要考虑制造过程所注意的问题，更要考虑到运输的便利性。

该产品在开发前，为了产品的安全可靠性选材，同时还要考虑降低运行成本。我翻阅了大量的相关资料，因为该产品是卧式容器，特别是JB/T4731《钢制卧式容器》，我对该标准从头到尾仔仔细细的研究了一遍。最终确定内容器采用分段厚度，在内容器的两处支撑及长度方向的中心的地方，厚度采用10mm，其他地方厚度采用8mm，这样不仅降低了成本，又充分考虑了该产品的安全。

内容器与外容器的温差较大，我在设计内容器的支撑时，考虑内容器比较长，热胀冷缩比较大。左边的支撑采用滑动支撑，右边的支撑采用固定技撑，同时滑动支撑的垫板比固定支撑的垫板宽100mm，这样在热胀冷缩的过程中，滑动支撑不会滑脱垫板而被垫板卡住，最终被折断，而且一旦滑脱垫板， 支撑就会直接支撑在内筒体上，则内筒体的强度不够而产生内容器破裂，最终产品报废或发生严重的安全生产事故。

在保温上我也采取了非常规的设计，因为该产品的保温材料用的是粉沬状珍珠岩，其他容器也是只用珍珠岩保温。当内容器冷缩时，滑动端的内容器封头与外容器封头之间的间隙增大，该粉沬状珍珠岩就会从上面下陷，从而产生很大的一部分没有保温，外部容器产生冒汗现象，内容器的蒸发率变高。为了解决这一难题，我采用保温棉加珍珠岩的方式，在滑动端的内容器封头上固定包扎上一定厚度的具有弹性的保温棉，因为保温棉的弹性，保温棉的伸缩可以与内容器的伸缩保持同步，这样珍珠岩就不会下陷，就不会产生没有保温的地带，外部容器产生冒汗现象和内容器的蒸发率变高现象就不存在了。

同时设计的原理是按照澳大利亚标准AS1210应变强化的原理，提高了材料的许用应力，因而减薄了容器的壁厚，降低了产品的成本。同时有利于实现压力容器轻型化设计的要求；压力容器轻型化是安全与经济并重、安全与资源节约并重绿色制造理念的具体表现。

奥氏体不锈钢应变强化原理及特点：

奥氏体不锈钢具有优良的塑性、韧性，与碳钢相比，其应力应变曲线没有明显的屈服平臺，而是随着拉伸应力的连续增加变形连续增大，通常以产生0.2%塑性变形时的应力σ0.2作为屈服强度σs。奥氏体不锈钢的屈强比低，屈服强度与抗拉强度间具有较大的塑性延伸区域。

奥氏体不锈钢材料应变强化理论在欧洲特别是在德国已被广泛的应用于低温绝热压力容器设计中，并已将奥氏体不锈钢材料应变强化理论的应用成果纳入到德国的国家标准，且被欧盟所采用，形成欧盟的国家标准。应变强化奥氏体不锈钢低温容器所依据的原理是：当奥氏体不锈钢承受一个大于屈服强度σs的拉伸应力σk时，卸载后将会产生塑性变形，再资加载时，应力应变将沿卸载路径保持弹性增长，直至应力大于σk时，材料才重新进入塑性阶段。此即为应变强化技术的原理，强化后材料的屈服强度由σ0.2提高到了σk。实验研究表明：应变强化后奥氏体不锈钢在低温状态下仍能保持其强化性能，强度甚至有所提高，且材料的塑性和韧性储备可满足低温容器的制造和设计要求将σk选定为新的屈服强度对容器进行强度设计。应变强化后的奥氏体不锈钢不仅在室温下有较高的屈服强度。同样地，在高温下也能保持高的屈服强度。

奥氏体不锈钢压力容器应变强化仍按常规方法进行设计，其主要是制造工艺和选取材料的许用应力值不同。奥氏体不锈钢压力容器应变强化比较独特，是通过提高压力容器材料屈服强度来提高材料的许用应力值，提高幅度最大，容器整体已发生明显的变形。

澳大利亚标准AS1210中，应变强化所需水压试验压力Pk为设计压力P的1.5倍，保证在使用过程中容器处于弹性状态。应变强化过程中要严格注意应变强化时应缓慢升压，最大升压速度不得超过0.5MPa/min，当压力接近强化压力时，升压速度不得超过0.1MPa/min。

目前，国内经过众多科技工作者的努力，中国已在攻克深冷容器非线性设计、应变强化工艺、强化参数控制等工程化技术关键的基础上，成功开发应变强化多任务自动控制系统，研制出奥氏体不锈钢应变强化深冷容器，设计主要标准是GB150和《容规》。