專利名稱：用于深冷低溫的多層繞帶式高壓容器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明創(chuàng)造涉及在深冷低溫工作條件下的高壓容器。
深冷低溫高壓容器在宇航工程中有著重要應(yīng)用，它是研制新型航天火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備。目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的一臺(tái)4m3，10MPa高真空液氮屏液氫低溫貯存容器，是為滿足液氫一液氧(LH2-LO2)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室擠壓試車臺(tái)短期貯存LH2及試驗(yàn)時(shí)為發(fā)動(dòng)機(jī)提供合格的燃料而研制的。但由于其貯存容量小、壓力不高，難以滿足宇航技術(shù)迅速發(fā)展的要求。所以，增大容積、提高壓力是未來(lái)深冷低溫高壓容器發(fā)展的必然趨勢(shì)。就目前采用的單層厚板卷焊式筒體的低溫高壓容器而言(參見《低溫工程》1990.NO.2“低溫高壓容器研制”)，由于器壁較厚(如前述4m3，10MPa型容器的壁厚達(dá)60mm，材料為1Cr18Hi9Ti)制造極為困難，成本高昂，且潛在低溫脆性斷裂破壞的危險(xiǎn)。尤其隨著低溫壓力容器向提高壓力和大型化方向發(fā)展，上述矛盾將更為突出。單層厚壁結(jié)構(gòu)尚存在一些固有弱點(diǎn)。如厚板質(zhì)量難以保證、制造工序復(fù)雜、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、焊接量大、且焊縫質(zhì)量檢查困難等。然而，若選用一般的多層式結(jié)構(gòu)容器如多層包扎式、熱套式等，雖能部分改善單層容器存在的安全性問題，但存在的深厚環(huán)焊縫，焊接要求高，工作量大，焊縫質(zhì)量難以保證，安全可靠性不足等問題仍難以解決。因此，如何進(jìn)一步提高低溫高壓容器的制造和安全可靠性技術(shù)，是發(fā)展該類容器的關(guān)鍵。
本發(fā)明創(chuàng)造的目的是要克服現(xiàn)有低溫高壓容器存在的缺陷。提供一種可減小筒體壁厚使卷焊簡(jiǎn)化、焊接質(zhì)量檢測(cè)較易而且能顯著降低制造所需的能耗和鋼材，大大提高工效，工作安全性有可靠保證的用于深冷低溫的高壓容器。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，這種深冷低溫高壓容器是由內(nèi)筒體、端蓋、接管和隔熱外殼所構(gòu)成，基本特點(diǎn)是有一個(gè)較薄的不銹鋼內(nèi)筒，其外面有傾斜錯(cuò)繞的多層扁平鋼帶，容器的端蓋采用多層球形或橢圓形封頭結(jié)構(gòu)。材料均采用具有優(yōu)良低溫特性的奧氏體不銹鋼。
附圖
為本發(fā)明創(chuàng)造的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中符號(hào)1為薄內(nèi)筒，由較薄低溫不銹鋼板卷焊而成，其厚度占容器總厚度的15～25%;圖中2表示扁平繞帶層，由厚度3至8mm、寬度60至120mm的低溫用不銹鋼扁平鋼帶在簡(jiǎn)易繞帶機(jī)上以10°至30°傾角(以環(huán)向?yàn)榛鶞?zhǔn))進(jìn)行逐層交錯(cuò)予應(yīng)力纏繞而成。鋼帶兩端焊于筒體端部斜面上;圖中3為多層球形或橢圓形封頭，由低溫用不銹鋼板逐層沖壓成形。
下面舉一個(gè)深冷低溫高壓容器的實(shí)例，以對(duì)單層卷焊式和繞帶式結(jié)構(gòu)，兩種方案進(jìn)行性能質(zhì)量對(duì)比分析。
設(shè)計(jì)一種液氫(LH2)高壓容器。設(shè)內(nèi)壓P＝35MPa，內(nèi)徑D1＝1000mm，容積10m3，采用標(biāo)準(zhǔn)的橢圓封頭，容器長(zhǎng)度為13.2m。
對(duì)容器壁厚進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，其結(jié)果如下對(duì)于單層厚壁容器由于存在深厚縱、環(huán)焊縫，其質(zhì)量不如薄容器那么容易得到保證，故焊縫系數(shù)ψ為0.8，則計(jì)算壁厚得S＝203mm。由于厚板最小彎曲半徑受卷焊機(jī)限制，此時(shí)其主輥筒直徑達(dá)φ1300mm，內(nèi)徑應(yīng)是φ1400mm，則壁厚實(shí)際計(jì)算達(dá)280mm。采用如此厚壁容器的設(shè)計(jì)方案，從其制造工藝的高難度和高昂生產(chǎn)成本考慮，顯然是不可取的。
對(duì)于扁平繞帶容器由于將厚板壁和深厚焊縫筒體變?yōu)槿菀讖澗砗秃附拥妮^薄內(nèi)筒，使焊接工藝較為簡(jiǎn)單，質(zhì)量較能得到保證，故取焊縫系數(shù)ψ為1，在仍保持內(nèi)徑φ1000mm條件下，容器總壁厚為S＝166mm，考慮更安全取總壁厚172mm。此時(shí)取內(nèi)筒厚度Sc＝38mm，外面纏繞8mm厚鋼帶16層。這樣便可節(jié)省不銹鋼20t。
計(jì)算繞帶深冷低溫高壓容器證明其強(qiáng)度和剛度均能滿足使用要求。
在制造技術(shù)和生產(chǎn)成本方面，采用繞帶式容器的結(jié)構(gòu)方案有許多優(yōu)點(diǎn)1.原材料中除內(nèi)筒需要厚度不大于40mm的不銹鋼板外，其余則大量利用扁平鋼帶，取材簡(jiǎn)單容易，且材質(zhì)比照單層厚板容器有顯著提高，有效克服了厚板卷焊存在的問題，其綜合性能與生產(chǎn)成本均優(yōu)于任何厚板結(jié)構(gòu);
2.制造工藝簡(jiǎn)單，質(zhì)量更易保證。繞帶式容器結(jié)構(gòu)，使在機(jī)械加工、熱處理、質(zhì)量檢驗(yàn)焊接等工藝大大簡(jiǎn)化，尤其在不銹鋼焊接方面，由于厚環(huán)焊縫的焊接工作減少到最低限度，只需對(duì)薄內(nèi)筒進(jìn)行環(huán)焊縫焊接，繞帶與封頭(可采用多層封頭)的斜面焊接，焊接質(zhì)量無(wú)疑能得到更好的保證。與制造厚壁容器相比，能耗節(jié)省80%，工效提高一倍，制造成本可降低50%。
3.容器結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)。內(nèi)外層材料、容器內(nèi)徑大小、筒體長(zhǎng)短、器壁厚薄，均可在較大范圍內(nèi)調(diào)整變化。將鋼帶進(jìn)行預(yù)應(yīng)力纏繞，對(duì)筒體應(yīng)力狀態(tài)改善有利，可實(shí)現(xiàn)容器等強(qiáng)度設(shè)計(jì)。
4.安全可靠性有保證。繞帶結(jié)構(gòu)高壓容器有特殊安全性能，具有在工作壓力下“只漏不爆”的優(yōu)點(diǎn)，且可實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控。這對(duì)液氫、液氧等高壓、低溫容器的安全操作有特別重要的意義;
5.作為深冷低溫高壓容器，與單層容器相比，繞帶式結(jié)構(gòu)，由于存在鋼帶表面的氧化皮和層間間隙，使其熱阻比單層容器增大，綜合熱導(dǎo)率變小，這對(duì)絕熱有利。因溫差應(yīng)力的大小取決于溫差的大小與筒體熱變形是否受到阻礙，而繞帶式低溫高壓容器薄內(nèi)筒的熱變形阻礙較小，所以，采用繞帶式結(jié)構(gòu)對(duì)降低溫差應(yīng)力是有利的。
由于本發(fā)明創(chuàng)造對(duì)于深冷低溫高壓容傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)有重大突破，特別在解決宇航工程中應(yīng)用的深冷低溫大型液氫-液氧貯存設(shè)備有特殊意義，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，國(guó)家教委確定為博士點(diǎn)科學(xué)基金資助開拓項(xiàng)目。
權(quán)利要求
1.用于深冷低溫的高壓容器，是由內(nèi)筒體、端蓋接管和隔熱處殼所構(gòu)成，其特征是內(nèi)筒體有一個(gè)較薄內(nèi)筒[1]，在它外面纏繞多層扁平鋼帶[2]，端蓋采用多層球形或橢圓形封頭[3]。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于深冷低溫的高壓容器，其特征是內(nèi)筒[1]壁厚度占容器總壁厚的15～25%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于深冷低溫的高壓容器，其特征是纏繞在內(nèi)筒外面的繞帶層[2]是由帶厚度為3至8mm，寬度為60至120mm的扁平鋼帶以10°至30°傾角(環(huán)向?yàn)榛鶞?zhǔn))進(jìn)行逐層交錯(cuò)予應(yīng)力纏繞而成，鋼帶兩端焊于筒體端部斜面上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于深冷低溫的高壓容器，其特征是內(nèi)筒[1]、繞帶層[2]以及封頭[3]均由耐低溫的奧氏體不銹鋼制成。
全文摘要
本發(fā)明創(chuàng)造是用于深冷低溫工作條件下的高壓容器。筒體是在一個(gè)較薄內(nèi)筒的外面逐層交錯(cuò)預(yù)應(yīng)力纏繞多層扁平鋼帶，鋼帶兩端焊于筒體端部斜面上。容器端蓋采用多層球形或橢圓形封頭結(jié)構(gòu)。所有構(gòu)件均采用耐低溫的奧氏體不銹鋼制成。這種方案有效地克服了傳統(tǒng)單層厚壁板結(jié)構(gòu)方案所固有的各種缺點(diǎn)，具有取材簡(jiǎn)單、工藝簡(jiǎn)化、焊接質(zhì)量容易保證等優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)工藝比較，能耗節(jié)省80％，不銹鋼材節(jié)省20％，工效提高一倍，制造成本降低50％，并能防止低溫脆性斷裂破壞的危險(xiǎn)。
文檔編號(hào)F17C1/00GK1072762SQ9111086
公開日1993年6月2日 申請(qǐng)日期1991年11月22日 優(yōu)先權(quán)日1991年11月22日
發(fā)明者朱國(guó)輝, 黃載生, 鄭繼文, 張平, 陳平 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)