用于深冷低温的多层绕带式高压容器制造技术

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％。（*该技术在2001年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术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。本专利技术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。附图为本专利技术创造的结构示意图。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。由于本专利技术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。权利要求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，在它外面缠绕多层扁平钢带。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。专利摘要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％。文档编号F17C1/00GK2112056SQ91228870公开日1992年8月5日 申请日期1991年11月22日 优先权日1991年11月22日专利技术者朱国辉, 黄载生, 郑继文, 张平, 陈平 申请人:浙江大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
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］。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱国辉，黄载生，郑继文，张平，陈平，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：实用新型
国别省市：33[中国|浙江]