具有限充装置的应变强化低温容器及其应变强化方法

摘要

本发明提出一种具有限充装置的低温容器进行强化的应变强化方法及具有限充装置的应变强化低温容器。所述方法包括如下步骤：灌水：通过工艺孔向所述限充装置内灌水，当所述限充装置灌满水后，再由所述注水管向所述内胆内灌水，直到所述内胆内灌满水为止，封堵住排气口、工艺孔和排水口；升压保压：使所述内胆内的压力缓慢升至强化压力后进行保压，直到所述低温容器内胆的应变速率达到一标准值后，所述内胆内的压力降至一工作压力；降压排水：将所述内胆内的压力降至大气压，打开工艺孔和排水口，同时向外排水。本发明的方法能缩短注水和排水时间，提高工作效率，降低成本，并克服限充装置排水不彻底的难题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种针对具有限充装置的低温容器进行应变强化的方法以及具有限充装置的应变强化低温容器。

背景技术

目前应变强化技术普遍应用于大型低温储罐，很少应用到小型低温容器设计及制造中。小型低温容器尤其是低温车载LNG气瓶，一般的气瓶内都设置有副罐、气室等限充装置，限充装置上开设有限流孔。应变强化工艺中需将气瓶充满水，但由于限流孔比较小，在充水过程中，限充装置内气体因孔狭小，排放困难，故充满水需要很长时间；同样道理排水时也需要很长时间，并且限充装置内水排不彻底。应变强化低温容器是储存低温介质的，如果低温容器内液体排不彻底，当低温容器内装入低温液体后，容易在液相和气管道内产生冰堵现象，液相管冰堵，会影响气瓶供气量，气相管路冰堵，会影响气瓶的安全性。所有这些会严重影响到低温容器的正常使用，如果利用高温气体吹扫置换，成本又太高因此，受应变强化工艺条件的限制，目前的小型低温容器很少使用应变强化来提升其性能。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的一个目的是要解决的技术问题是克服上述现有技术中的不足，提供一种针对具有限充装置的低温容器进行应变强化的方法；

本发明的另一个目的是提供一种能简化强化工艺的具有限充装置的应变强化低温容器。

本发明的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中变得显然，或者可以通过本发明的实践而习得。

根据本发明的一个方面，提供一种具有限充装置的应变强化低温容器进行强化的应变强化方法，其中，所述具有限充装置的低温容器包括具有排气口和排水口的内胆和设于所述内胆内一端部的限充装置，所述内胆上设有与限充装置连通的工艺孔，限充装置上具有限流孔，所述内胆的另一端部设有注水管。所述应变强化方法包括如下步骤：

灌水步骤：通过工艺孔向所述限充装置内灌水，当所述限充装置灌满水后，再由所述注水管向所述内胆内灌水，直到所述内胆内灌满水为止，封堵住排气口、工艺孔和排水口；

升压保压步骤：使所述内胆内的压力缓慢升至强化压力后进行保压，直到所述低温容器内胆的应变速率达到一标准值后，所述内胆内的压力降至一工作压力；

降压排水步骤：将所述内胆内的压力降至大气压，打开工艺孔和排水口，同时向外排水。

根据本发明的一实施方式，所述注水管呈“L”形，所述灌水步骤之前，还包括放置步骤：将所述具有限充装置的低温容器放置于一木制鞍座上，并且所述注水管位于所述内胆内的一端朝向上方。

根据本发明的一实施方式，所述降压排水步骤之后还包括吹扫步骤：用干燥洁净的压缩空气将所述内胆及限充装置内吹干。

根据本发明的另一个方面，提供一种由本发明的方法制成的具有限充装置的应变强化低温容器，

根据本发明的另一个方面，提供一种具有限充装置的应变强化低温容器，包括内胆和限充装置。内胆包括筒体及设于筒体两端部的两个封头，所述内胆上设有排气口和排水孔。限充装置包括圆筒部和设于所述圆筒部一端的封头部。所述圆筒部的另一端固定于所述两个封头中的一个封头上，且该封头上设有与限充装置连通的工艺孔，所述圆筒部顶部设有限流孔，所述封头中没有设置圆筒部的一个封头设有注水管。

根据本发明的一实施方式，所述限充装置的中心线与所述内胆的中心线重合。

根据本发明的一实施方式，所述工艺孔在靠近所述内胆的中心线位置。

根据本发明的一实施方式，所述排气口设于所述圆筒部底部，所述排水孔设于所述圆筒部顶部。

根据本发明的一实施方式，所述限流孔的位置与所述排气口相对。

根据本发明的一实施方式，还包括分别用于封堵所述排气口、排水孔和工艺孔的三个堵头。

根据本发明的一实施方式，所述排气口、排水孔和工艺孔均为锥形螺纹孔，所述堵头为螺纹堵。

根据本发明的一实施方式，所述注水管的位于所述内胆的一端部靠近所述内胆顶端部。

根据本发明的一实施方式，所述应变强化低温容器由奥氏体不锈钢材料制成。

根据本发明的一实施方式，所述具有限充装置的应变强化低温容器是车载LNG气瓶。

根据本发明的一实施方式，所述内胆筒体壁厚设计公式如下：

$>s=\frac{P_c{D}_i}{2\left(\frac{{\sigma }_k}{s}\right)\phi -P_c}$>

内胆的封头壁厚设计公式如下：

$>s=\frac{P_c{D}_i}{2\left(\frac{{\sigma }_k}{s}\right)\phi -0.5P_c}$>

公式中：

Di：内胆封头或筒体的内直径；

Pc：计算压力

内胆计算压力应取下列压力的较高值与0.1MPa之和；

1)设计压力；(工作压力的1.05～1.1倍)；

2)内胆在充装过程和运输工况中顶部的最高表压力、液柱静压力与所承受的惯性力产生的等效压力之和，等效压力应不小于0.035MPa；注：当内胆所承受的液柱静压力小于5％设计压力时，可忽略不计；

S：应变强化下的安全系数取值1.5；

φ：焊接接头系数，取值为1；

σ_k：材料的最大设计应力值，即应变强化应力值，MPa；

σ_k不大于410MPa，且不超过材料0.2％规定非比例延伸强度与200MPa之和，最大取值为410MPa。

由上述技术方案可知，本发明的优点和积极效果在于：

本发明具有限充装置的应变强化低温容器，是小型低温容器经应变强化而形成的，该小型低温容器具有内胆和设于内胆内的限充装置。内胆的一个封头上设有与限充装置连通的工艺孔，且限充装置的圆筒部底部设有限流孔。在进行应变强化工艺时，应变强化低温容器翻转180度，此时限流孔位于限充装置的顶部。本发明的应变强化方法可通过工艺孔向限充装置内注水，注水过程中限充装置内的气体由限流孔排到内胆，当限充装置充满水后，水可进一步由其顶部的限流孔溢出到内胆，故本发明可实现快速注水；在应变强化工艺结束后可通过工艺孔排水，当不再有水从工艺孔排出时，将内胆倾斜一定角度，使工艺孔处于下部，不但增加排水速度且很容易将限充装置内残余的水排除彻底。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1是本发明具有限充装置的应变强化低温容器在强化状态下的结构示意图；

图2是本发明具有限充装置的应变强化低温容器使用状态下的结构示意图。

图中：1、注水管；2、内胆；21、筒体；22、封头；3、排气口；4、限流孔；5、限充装置；51、圆筒部；52、封头部；6、工艺孔；7、排水孔。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

如图1所示，本发明的应变强化方法是针对具有限充装置的低温容器进行强化的应变强化方法。

其中，具有限充装置的低温容器包括具有排气口3和排水口7的内胆2和设于内胆2内一端部的限充装置5。内胆2包括筒体21和封头22，封头22上设有与限充装置5连通的工艺孔6，限充装置5上具有限流孔4，内胆2的另一端部设有注水管1。

本发明具有限充装置的低温容器进行强化的应变强化方法，包括如下步骤：

放置步骤：将具有限充装置的低温容器放置于一木制鞍座上，并且注水管1位于内胆2内的一端朝向上方。

灌水步骤：通过工艺孔6向限充装置5内灌水，当限充装置5灌满水后，再由注水管1向内胆2内灌水，直到内胆2内灌满水为止，封堵住排气口3、工艺孔6和排水口7；

升压保压步骤：使内胆2内的压力缓慢升至强化压力后进行保压，直到低温容器的筒体21和封头22的直筒部分的应变速率达到一标准值，例如在最后半小时内保持在0.1％/h(小时)之内，将内胆2内的压力降至一已知的工作压力，还可进一步保持一段时间，以完成焊接封头22与连接部位的外观检测。该升压保压步骤可以与传统升压保压步骤相同。

降压排水步骤：将内胆2内的压力降至大气压，打开工艺孔6和排水口7，同时向外排水。

在一些实施方式中，还可进一步包括吹扫步骤，其用干燥洁净的压缩空气将内胆2及限充装置5内吹干。当然，内胆2及限充装置5也可以自然晾干。

如图1和图2所示，图1是本发明具有限充装置的应变强化低温容器在强化状态下的结构示意图；图2是本发明具有限充装置的应变强化低温容器使用状态下的结构示意图。本发明具有限充装置的应变强化低温容器包括内胆2和限充装置5。

需要说明的是：本发明具有限充装置的应变强化低温容器在强化状态和使用状态的方向相差180度，也就是说，在强化状态下，排气口3、限流孔4位于顶部，排水孔7位于底部；在使用状态下，排气口3、限流孔4位于底部，排水孔7位于顶部。下面的描述以强化状态为准。

内胆2包括筒体21及对称焊接固定在筒体21两端部的两个封头22。内胆2顶部设有排气口3，底部设有排水孔7，在该实施方式中，排气口3与排水孔7上下对应，但在其它实施方式中不以此为限。

限充装置5包括圆筒部51和焊接于圆筒部51一端的封头部52。圆筒部51的另一端为开口部，该开口部固定于两个封头22中的一个封头如右封头上，且该右封头上设有与限充装置5连通的工艺孔6。进一步地，该工艺孔6可以设置在靠近内胆2的中心线位置。圆筒部51顶部设有限流孔4。在该实施方式中，限流孔4的位置与排气口3相对，但在其它实施方式中不以此为限。该实施方式中，限充装置5的中心线可以与内胆2的中心线重合。

在一实施方式中，应变强化低温容器还进一步包括用于封堵排气口3、排水孔7和工艺孔6的3个封堵，进一步地，排气口3、排水孔7和工艺孔6可加工成锥形螺纹孔，则3个堵头相应地是螺纹堵。在强化试验时，使用螺纹堵螺纹配合进行封堵，方便适用。强化试验结束，排水干燥合格后，除螺纹配合之处，各个螺柱堵进一步焊接固定于内胆2上。

该实施方式中，内胆2的两个封头22中没有设置圆筒部51的一个封头如左封头上安装有注水管1。注水管1可呈“L”形，并且注水管1位于内胆2的一端部靠近内胆2顶端部。

该实施方式中，具有限充装置的应变强化低温容器由奥氏体不锈钢材料制成，通过应变强化的实施，充分利用了奥氏体不锈钢材料的特性，同样的压力下应变强化低温容器内胆2厚度可减薄约25％以上，实现了经济利益的最大化。

应变强化注水时，在注水阶段，通过工艺孔6向限充装置5内注水，注水过程中限充装置5内的气体通过限流孔4排到内胆2内，当限充装置5内注满水后，再通过注水管1向内胆2内注水，内胆2内气体可以通过排气孔3排出，快速完成注水。

应变强化工艺结束后，打开排水孔7和工艺孔6开始排水，当不再有水从排水孔7和工艺孔6排出时，将内胆2置于垂直方向，也可以仅倾斜一定角度，使工艺孔6处于下部，可以将限充装置5内残余的水排干净。本发明能保证应变强化的顺利进行，并且大大缩短强化工艺时间，不会出现限充装置5内注不进去水的现象。使用时将内胆2沿其纵向中心线翻转180度，则排气口3、限流孔4位于应变强化低温容器底部，排水孔7位于顶部。

下面对比传统的具有限充装置的低温容器介绍本发明具有限充装置的应变强化低温容器的有益技术效果。

传统的具有限充装置的低温容器内胆筒体壁厚设计公式如下：

$>s=\frac{P_c{D}_i}{2{\left[\sigma \right]}^t\phi -P_c}$>

内胆封头壁厚设计公式如下：

$>s=\frac{P_c{D}_i}{2{\left[\sigma \right]}^t\phi -0.5P_c}$>

公式中：

Di：内胆封头或筒体的内直径；

Pc：计算压力；

内胆计算压力应取下列压力的较高值与0.1MPa之和；

1)设计压力(工作压力的1.05～1.1倍)；

2)内胆在充装过程和运输工况中顶部的最高表压力、液柱静压力与所承受的惯性力产生的等效压力之和，等效压力应不小于0.035MPa；注：当内胆所承受的液柱静压力小于5％设计压力时，可忽略不计；

焊接接头系数，取值为1

[σ]^t：材料的许用应力值，MPa；内胆材料选用满足GB24511-2009的S30408，在GB150-2011《压力容器》中其许用应力取值为137MPa。

本发明具有限充装置的应变强化低温容器内胆筒体壁厚设计公式如下：

$>s=\frac{P_c{D}_i}{2\left(\frac{{\sigma }_k}{s}\right)\phi -P_c}$>

内胆的封头壁厚设计公式如下：

$>s=\frac{P_c{D}_i}{2\left(\frac{{\sigma }_k}{s}\right)\phi -{0.5P}_c}$>

公式中：

Di：内胆封头或筒体的内直径；

Pc：计算压力

内胆计算压力应取下列压力的较高值与0.1MPa之和；

1)设计压力；(工作压力的1.05～1.1倍)；

2)内胆在充装过程和运输工况中顶部的最高表压力、液柱静压力与所承受的惯性力产生的等效压力之和，等效压力应不小于0.035MPa；注：当内胆所承受的液柱静压力小于5％设计压力时，可忽略不计；

S：应变强化下的安全系数取值1.5；

φ：焊接接头系数，取值为1；

σ_k：材料的最大设计应力值，即应变强化应力值，MPa；

σ_k不大于410MPa，且不超过材料0.2％规定非比例延伸强度与200MPa的和(RP0.2+200MPa)，最大取值为410MPa。

应变强化材料要求如表一所示。

表一

抗拉强度R_m屈服强度R_P0.2屈服强度R_P1.0520～720MPa≥210MPa≥250MPa

举例来说，以一个内胆直径为600mm，工作压力为1.6MPa的具有限充装置的应变强化低温容器为例，计算结果如表二所示。

表二

通过以上计算可见，相同的工作压力下，本发明带有限充装置的应变强化低温容器中的内胆筒体减薄率最高可达50％以上。相同的充装重量下，本发明的总重量减轻约30％，为用户提高最大的容重比的产品。由于因内胆2重量的大幅减轻，所以相同的支撑架构，结构受力更好，从而延长了产品的寿命。

本发明具有限充装置的应变强化低温容器通过合理地设置开孔，实现了应变强化工艺的实施，能缩短注水和排水时间，提高工作效率，降低成本，并克服限充装置排水不彻底的难题。

以上具体地示出和描述了本发明的示例性实施方式。应该理解，本发明不限于所公开的实施方式，相反，本发明意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效布置。