低温液氢(氧)高压容器结构技术.doc

低温液氢(氧) 高压容器结构技术 　　低温液氢(氧) 压力容器是航空航天运载器中用于贮存液氢(氧) 的关键设备之一, 其安全性直接关系到整个航天器的安全。本文介绍一种新型扁平绕带式液氢(氧) 贮存容器, 并从经济性与安全性两方面论述其可行性。这将为低温容器结构提供一种新的设计思路。 　　高压低温　压力容器　液氢(氧) 　扁平绕带 1　概述 　　高压低温液氢、液氧(LH2/LOx)容器是航天航空领域不可少的关键设备之一, 其特点是工作温度低( 90～ 20K ) , 压力高( 35～40M P a) , 贮存的介质易燃、易爆和极易挥发。 高压L H 2/LO x 容器结构主要由四部分组成:内容器、外容器、绝热层和预冷装置, 此外还有各种安全设施(如安全阀、爆破膜)、测量装置、接管以及内、外容器支撑结构等。目前高压低温L H 2/LO x 容器结构形式主要有[ 1、2、3 ]: (1) 多层球形容器, 其内容器为一多层球形容器, 外容器为圆筒形容器, 容器筒体上各环、纵焊缝均错开, 其特点是容器重量轻; (2) 立式圆筒形容器, 其内容器、外容器均为立式圆筒, 其特点是制造相对容易; (3) 多层绕板式容器, 其 内容器为多层绕板式容器, 其他结构与立式圆筒形容器相同。低温容器中最薄弱的环节是焊缝。焊接后, 焊缝的性能比母材要差, 焊缝的晶粒与材料纤维特性均遭到破坏, 同时由于材料性能的不连续, 这些地方往往会成为应力集中区, 并导致裂纹产生, 成为容器失效的主要原因。所以, 容器筒(壳) 体上应尽量减少焊缝,特别是深纵、环焊缝, 而以上几种结构均有两条以上此类焊缝, 对容器安全使用是一种潜在 的不安全因素。 　　多层扁平绕带式压力容器是一种结构较为特殊的压力容器, 与其它结构类型的压力容器相比, 它有许多特点[ 4 ] , 且几乎可适用于所有其它结构形式的压力容器所应用的场合。对于低温L H 2/LO x 容器来说, 其特点在于容器焊缝很少, 只有钢带两端与容器端部有一分散焊缝;容器采用预应力技术制造, 且容器上预应力可按需要的分布形式分布[ 5 ]; 制造成本低, 无需大型加工设备; 安全可靠, 由于内筒处于低应力状态, 其使用寿命大大提高。 　 现将该种容器的主要结构分述如下。 2　扁平绕带式高压低温容器 　　2.1　整体结构[ 6 ] 　　扁平绕带式高压低温L H 2/LO x 容器的结构如图1 所示, 整体上采用内、外壳立式双层圆筒形结构, 其贮液内容器采用扁平绕带式多层筒体结构, 两端封头采用多层球形结构。在绕带筒体壁外安装预冷夹套, 夹套内充液氮代替液氢冷却容器。在所有热胀冷缩不一致的连接部位均设置了波纹膨胀节。内容器、夹套及与内容器连接的各个接管等低温构件均采用18- 8 奥氏体不锈钢制造。外容器为薄壁容器,采用普通低合金钢制造。内容器通过容器封头与筒体连接边缘处的拉杆挂在外容器壁上。内、外容器之间充填珠光砂绝热, 并抽真空(真空度1～ 011P a)。外容器用裙式支座支承, 容器为立式结构。容器各部件可分别单独制造, 待运输至现场后再组装制造, 现场制造只需具备一定的起重能力, 其它均为常用的小型设备, 如焊接、粉末装填和抽真空设备等。 图1　扁平绕带式液氢(氧) 容器示图 　　2.2　材料 　　与液氢(氧) 直接接触的内容器处于深冷低温高压下工作, 因此, 内容器材料的选择是十分关键的。防止脆性断裂是低温容器的技术关键, 重点在于选材及在设计、制造等方面保证结构的延性指标。 　　根据国内外有关标准, 低温容器用材主要有铝镇静钢、镍合金钢和奥氏体不锈钢, 此外还有铝、铜等有色金属材料, 但是在液氢(氧)操作温区, 大都采用低温性能优良的18- 8 奥氏体不锈钢, 按GB 150- 1998 附录C 中规定,这类钢是允许使用的, 国内也一直在研制开发和应用。奥氏体不锈钢是Fe- C r 合金, 含有足量的镍(8à ～ 24à ) 和锰(有时用氮) 来稳定奥氏体相。大多数典型的奥氏体不锈钢都属于18C r- 9N i 合金。奥氏体不锈钢属于面心立方晶格结构, 不存在脆性转变温度, 在低温下具有良好的塑性和韧性, 因而在低温工程中获得了广泛的应用, 是制造低温(- 200℃) 单元操作 设备的最主要的结构材料之一。 　　2.3　内容器结构 　　扁平绕带式低温L H 2/LO x 压力容器用材采用奥氏体不锈钢, 其钢带为厚4～ 8mm、宽60～ 120mm 的18- 8 不锈钢带, 内筒为普通18-8 不锈钢板。封头为半球形封头, 其上的开孔和接管如图1 所示。该容器的制造工艺与普通低碳钢的扁平绕带式压力容器制造工艺基本相同, 主要的焊缝作如下处理: 　　(1) 球形封头拼缝处理与其他容器相同。 　　(