低温阀门测试液氮储槽设计

　　1 前言

　　随着工业、科技领域的进一步发展,涉及低温应用的领域越来越广泛,如空间低温用阀门、LNG储运管路阀门性能测试、金属深冷工艺处理等都需要相应低温环境[1]。目前, -100e以下的深冷环境通常只能通过低温液体浸渍法获得,由于液氮的温度合适(-196e)、来源广泛、无污染、价格便宜而得到广泛应用。因此如何对低温存储介质液氮采取各种措施减少漏热,以延长无损储存时间,是设计低温容器时应该重点考虑的问题。通常对于性能试验与工艺处理等应用场合,由于经常需要进行操作,无法采用常规的低温液体储运装置进行保温,为此需要进行专门的设计。

　　本文针对低温阀门测试系统中,为满足标准BS 6364 -1984 (R1998)5低温阀门6和JB/T7749-19955低温阀门技术条件6所要求提供的试验的低温环境进行液氮储槽设计[2],主要包括绝热设计时考虑的问题及具体的计算方法,对低温悬挂式结构液氮储槽温变应力、结构与强度的ANSYS有限元分析软件模拟。

　　2 设计要求

　　低温阀门性能测试液氮储槽设计要求除了要满足试验标准要求提供低温环境的功能外,还需满足如下要求: (1)良好的隔热性能。保持在试验进行时槽内的液氮状态,保证试验阀门阀体部位浸泡在低温液氮中,长时间维持试验槽内低温试验条件。保证低温储槽具有良好的温度稳定性,在实验过程中防止低温槽外壁产生严重结露或结霜现象。(2)良好的可操作性。便于液氮充注,阀门吊装,低温槽液位的观测;便于测试阀门在低温条件下的泄漏状况等。(3)足够的结构强度。保证低温试验槽在阀门试验中能够承受阀体的重力和在操作过程中的产生的附加作用力,以及金属材料深冷处理操作时的强度要求[3]。(4)节省用氮量。根据要求测试阀门的种类和尺寸范围很大,低温试验槽应保证足够的操作尺寸,但不能尺寸过大。若低温试验槽尺寸过大,液氮一旦释放到低温槽就无法收回,直接影响到试验的液氮消耗量和常年的试验费用。

　　3 低温液氮储槽绝热设计

　　3. 1 绝热形式设计

　　目前低温储运容器采用的绝热手段主要有以下几种类型:堆积绝热;高真空绝热;真空粉末、纤维绝热,高真空多层绝热和高真空多屏绝热。低温阀门低温测试用液氮储槽不仅要实现对液氮的保存维持低温环境,还要求能够在里面进行阀门测试与低温材料的处理,因此必须是敞口容器设计,采用传统的堆积绝热效果较差,而且珠光砂等堆积材料多为多孔疏松结构,长期使用在保温层中会有水分凝结在其中,不易排除。真空多层绝热是效率最高的绝热,但成本高、结构复杂,适合于长期储存。由于本装置是为阀门做深冷处理和性能试验时储放液氮所用,所需时间不是很长,因此考虑采用聚氨酯发泡作为内部保温。硬质聚氨酯具有非常低的导热系数,在制冷及低温绝热领域它是一种非常优良的绝热材料,被广泛地用于低温液体的储存和运输领域,用于低温管线和低温储罐的绝热机构设计[4],箱体的绝热形式采用硬质聚氨酯发泡的方式进行填充,除了保证保温效果外还能够加强低温储槽的结构强度。