低温容器及其检测技术

关于低温容器及其检测技术1低温液体及其特性2低温绝热原理3低温材料4低温容器结构5低温容器性能指标及操作6低温容器检测技术低温容器及其检测技术

第2页,共96页，2024年2月25日，星期天1低温液体及其特性1.1温度宏观：表示冷热程度的量，微观：表示组成物质的基本粒子运动状态1.1.1摄氏温标（℃）摄氏度定义：在标准大气压力下（101325Pa）以纯水的冰点为0℃，沸点为100℃，并对这一温区100等份，每变化百分之一为1摄氏度（℃）。1.1.2热力学温标（K）开（尔文）开尔文温标、开氏温标或绝对温标以物质内部热运动完全停止时的温度为开氏温标的绝对零度，从绝对零度算起的温度就叫绝对温度，即开氏温度。定义水的三相点热力学温度为273.16K。把从绝对零度到水的三相点之间的温区分为273.16等份，每等份为1K，水的冰点为273.15K。摄氏温度开氏温度的换算关系：式中：T──绝对温度；单位，K；t──摄氏温度；单位，℃。第3页,共96页，2024年2月25日，星期天1低温液体及其特性1.1.3华氏温度（℉）早期定义为冷却剂制冷温度为0F≈-17.8℃，人体温度为100F≈37.8℃。后来通过国际大会华氏温标（Fahrenheit，符号为℉）规定：在标准大气压下，冰的熔点为32℉，水的沸点为212℉，中间有180等分，每等份为华氏1度。与摄氏温度的换算温度如下：式中：t──摄氏温度；单位，℃；h──华氏温度；单位，℉。1.1.4低温分区按照1971年国际制冷学会的建议，摄氏零度以下的温度分为三个温区：普冷：0℃～-153℃；低温（又称深冷）：-153℃～-272.7℃；极低温：-272.7℃以下的温度。低温容器主要用于-153℃～-272.7℃范围的设备。第4页,共96页，2024年2月25日，星期天1.2气体的性质1.2.1物理性质名称分子式分子量气体大气中的含量液体密度体积百分比质量百分比分压沸点温度气化热密度Kg/m3%%PaK℃J/kgkg/m3氮N2281.2578.175.57900077-1961.99E5810氧O2321.4321.023.12120090-1832.14E51140氩Ar401.780.91.394687-1861.64E51410二氧化碳CO2441.983.1E-24.8E-232194-795.74E51565甲烷CH4160.722E-41E-40.2112-1615.1E5426氦He40.185.2E-46.9E-30.5334-2692.03E4124.8氢H220.095E-53.5E-60.053320-2534.47E571.021氖Ne200.871.84E-31.3E-31.8727-2468.61E41206氪Kr843.641.1E-43.3E-40.116119-1541.08E52413氙Xe1315.898.7E-63.9E-30.0088165-1089.61E430601低温液体及其特性第5页,共96页，2024年2月25日，星期天1低温液体及其特性含量顺序（体积、重量、分压力）：氮：78.1%、75.5%、79000Pa氧：21.0%、23.1%、21200Pa氩：0.9%、1.3%、946Pa二氧化碳：0.031%、0.048%、32Pa氖：0.00184%、0.0013%、1.87Pa氦：0.00052%、0.0069%、0.533Pa甲烷：0.0002%、0.0001%、0.2Pa氪：0.00011%、0.00033%、0.116Pa氢：0.00005%、0.0000035%、0.0533Pa氙：0.0000087%、0.0039%、0.0088Pa第6页,共96页，2024年2月25日，星期天1低温液体及其特性液体沸点温度顺序由高到低为：二氧化碳：194K、－79℃氙：165K、－108℃氪：119K、－154℃甲烷：112K、－161℃氧：90K、－183℃氩：87K、－186℃氮：77K、－196℃氖：27K、－246℃氢：20K、－253℃氦：4K、－269℃第7页,共96页，2024年2月25日，星期天1低温液体及其特性液体密度顺序由重到轻为：氙：3060kg/m3氪：2413kg/m3二氧化碳：1565kg/m3氩：1410kg/m3氖：1206kg/m3氧：1140kg/m3氮：810kg/m3甲烷：426kg/m3氦：124.8kg/m3氢：71.021kg/m3第8页,共96页，2024年2月25日，星期天1低温液体及其特性1.2.2化学性质名称燃烧性爆炸范围备注氮不－氧支持燃烧－氧化剂氩不－二氧化碳不－溶于水呈弱酸性氖不－氦不－氪不－氙不－氢可燃烧4%～75%还原剂甲烷可燃烧5%～15.4%第9页,共96页，2024年2月25日，星期天1低温液体及其特性1.2.3物理属性a.临界温度每种气体在液化时存在一个特定的温度，在这个温度以上，无论施加多大的压力，气体都不会液化，只有在这个温度或低于这个温度时，该气体才能液化，这个温度就是临界温度。b.临界压力在临界温度时使气体液化所需要的最小压力。也就是液体在临界温度时的饱和蒸气压。第10页,共96页，2024年2月25日，星期天1低温液体及其特性1.2.3物理属性c.饱和蒸汽压在一定温度下，与液体或固体处于相平衡的蒸汽所具有的压力称为饱和蒸汽压。蒸汽压指的是在液体（或者固体）的表面存在着该物质的蒸汽，这些蒸汽对液体表面产生的压力就是该液体的蒸汽压。d.沸点沸腾是在一定温度下液体内部和表面同时发生的剧烈汽化现象。液体沸腾时候的温度被称为沸点。在一定压力下，某物质的饱和蒸汽压与此压力相等时对应的温度。第11页,共96页，2024年2月25日，星期天1低温液体及其特性e.三相点名称分子式沸点临界点三相点K℃KPaKPa氮N277-196126.13.38×10663.151.25×104氧O290-183154.85.06×10654.361.52×102氩Ar87-186150.74.85×10683.86.86×104氖Ne27-24644.42.65×10624.544.32×104氦He4-2695.202.28×1052.175.15×103氪Kr119-154209.45.48×106115.767.28×104氙Xe165-108289.755.86×106161.378.13×104氢H220-25332.981.29×10613.957.02×103甲烷CH4112-161190.74.63×10690.61.16×104二氧化碳CO2194-79304.197.36×106216.555.16×105水H2O373100647.152.28×107273.16612×102第12页,共96页，2024年2月25日，星期天1低温液体及其特性1.3低温液体的获得a.气体的节流连续流动的高压流体，在绝热且不对外做功的情况下通过节流阀急剧膨胀到低压的过程，称为节流。流体节流时，由于压力的变化引起温度发生变化，称为节流效应。由于这种效应的存在，使高压气体在向低压节流时温度急剧降低，最终达到液化的目的。b.气体的绝热膨胀压缩气体通过膨胀机进行绝热膨胀，膨胀后气体温度降低，达到液化的目的。气体膨胀时，带动膨胀机而对外做功，而产生冷量，最终使气体液化。c.气体分离低温液体由空气液化后，利用各自不同的物理性质经过分馏塔分离而来。第13页,共96页，2024年2月25日，星期天1低温液体及其特性工业纯氮氖氦混合气氦氩混合气粗氩氪氙氮混合气氖氦氮混合气工业纯氧液氧液氮膨胀空气第14页,共96页，2024年2月25日，星期天1低温液体及其特性1.3液化天然气

当天然气在大气压下，冷却至约-162℃时，天然气由气态转变成液态，称为液化天然气（LiquefiedNaturalGas，缩写为LNG）。LNG无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积约为同量气态天然气体积的1/600，LNG的重量仅为同体积水的45%左右，热值为52MMBtu/t（1MMBtu=2.52×108cal）。天然气无色、无味、无毒且无腐蚀性，主要成分为甲烷，也包括一定量的乙烷、丙烷和重质碳氢化合物。还有少量的氮气、氧气、二氧化碳和硫化物。另外，在天然气管线中还发现有水分。第15页,共96页，2024年2月25日，星期天1低温液体及其特性

甲烷的分子结构是由一个碳原子和四个氢原子组成，燃烧产物主要是二氧化碳和水。

CH4＋2O2→CO2＋2H2O第16页,共96页，2024年2月25日，星期天1低温液体及其特性

所有与处理LNG有关的人员，不但应熟悉液态LNG的特性，而且应熟悉其产生气体的特性。其潜在的危险主要来源于其三个方面：a）LNG的温度极低。其沸点在大气压力下约为-160℃，并与其组分有关；在这一温度条件下，其蒸发气密度高于周围空气的密度（见表1中的实例）；b）极少量的LNG液体可以转变为很大体积的气体。一个体积的LNG可以转变为约600个体积的气体（见表1中的实例）；c）似于其他气态烃类化合物，天然气是易燃的。在大气环境下，与空气混合时，其体积约占5%～15%的情况下就是可燃的。第17页,共96页，2024年2月25日，星期天1低温液体及其特性常压下的性质LNG例1LNG例2LNG例3摩尔分数/％N2CH4C2H6C3H8iC4H10nC4H10

C5H120.597.51.80.2---1.7993.93.260.690.120.150.090.3687.208.612.740.420.650.02相对分子质量/(kg/k·mol)16.4117.0718.52沸点温度/℃-162.6-165.3-161.3密度/(kg/m3)431.6448.8468.70℃和101325Pa时单位体积液体生成的气体体积/(m3/m3)5905905680℃和101325Pa时单位质量液体生成的气体体积/(m3/103kg)136713141211第18页,共96页，2024年2月25日，星期天2低温绝热原理

2.1热的传播形式2.1.1热传导式中：Φ──导热热流量，W；λ──导热系数或，热导率、导热率，W/(m·K)；A──与热流方向垂直的面积，m2；dT/dx──温度增量或温度梯度，(K/m)。对求解可得：式中：Φ──导热热流量，W；λ──导热系数或，热导率、导热率，W/(m·K)；A──与热流方向垂直的面积，m2；T2──热面温度，K；T1──冷面温度，K；δ──两导热平面的距离，即导热板的厚度，m。第19页,共96页，2024年2月25日，星期天2低温绝热原理

例：欲测试一块5mm厚平板的导热系数，在其长和宽大大超过厚度的情况下，平板一侧的温度保持在100℃，在保证没有其它热量传至板的另一侧的条件下，测得板另一侧的平衡温度为60℃，单位面积的热流量为9500W/m2。由测试结果可知：单位面积的热流量Φ/A为9500W/m2、热面温度T2=100+273=373K、冷面温度T1=60+273=333K、δ为5mm=5×10-3m。变换公式：→第20页,共96页，2024年2月25日，星期天2低温绝热原理

2.1.2热对流由于热的物质发生实际运动造成热量从一处传递到另一处的现象，称为对流传热。对流传热是由于流体的宏观运动，流体各部分之间发生相对位移、冷热流体发生了相互掺混所引起的热量传递过程。对流传热只发生在流体中，由于流体微团的相对运动和碰撞运动，使得这种传热的物质既是载热体，又是导热体。在实际工程应用中普遍关心的流体与固体壁面之间的热量传递。一般采用牛顿冷却定律来进行实际计算：

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2.1.2热对流式中：Φ──对流换热热流量，W；h──对流换热系数，W/(m·K)；A──对流换热面积，m2；△T──换热表面和流体的温度差，K。第22页,共96页，2024年2月25日，星期天2低温绝热原理

例：一根外径0.3m、壁厚3mm、长10m的圆管，入中温度为80℃的水以0.1m/s的平均速度在管内流动，管道外部横向流过温度为20℃的空气，测试管道外壁温度为75℃；水的出口温度为78℃。水的定压比热为4187J/（kg·K）、密度为980kg/m3，求空气与管道之间的对流换热系数？水损失的热量：Φ=密度·速度·面积·比热容·温度差面积=πr2=(0.15-0.003)2π=0.0679m2温度差=(273+80)-(273+78)=2KΦ=980×0.1×0.0679×4187×2=55722.27W第23页,共96页，2024年2月25日，星期天2低温绝热原理

2.1.3热辐射由于物体的分子和原子中的带电粒子的加速运动，任何物体在任何温度下都在不断以电磁波的形式向四周辐射能量，因为这种辐射与物体的温度有关，所以称为热辐射。物体通过电磁波来传递能量的方式为辐射传热。热辐射线和可见光一样，具有相同的传播规律。服从反射、折射定律。在真空和大多数气体中热射线可以透过，但对大多数的液体和固体不行。热辐射所涉及的电磁波的波长大约在0.1μm～100μm范围，这包括部分紫外区域、整个可见光区域和红外区域。第24页,共96页，2024年2月25日，星期天2低温绝热原理

辐射传热的特性：a.穿透性b.连续性c.转换性d.自发性第25页,共96页，2024年2月25日，星期天2低温绝热原理

对于入射到物体表面的热辐射，吸收的能量和入射的能量之比称为吸收率α，同理，反射的能量和入射的能量之比称为反射率ρ。吸收率和反射率ρ的关系为：α+ρ=1在低温容器中，要把外来的热量隔离开来，就要选择反射率ρ高的材料作为反射层，阻止热量传入容器内部。能吸收所有入射能量的物体称为黑体，也就是说黑体的吸收率α=1。第26页,共96页，2024年2月25日，星期天2低温绝热原理

物体辐射热流量的计算可以采用斯蒂芬-波尔兹曼定律的经验修正公式进行：式中：Ф──是物体热辐射能流量，W；ε──辐射率，即物体表面辐射本领与黑体辐射本领之比值，黑体的ε=1σ──斯忒藩-玻耳兹曼常数；自然界中σ=5.67×10-8W/(m2·K4)A──辐射面积，m2；T──物体表面温度，K。第27页,共96页，2024年2月25日，星期天2低温绝热原理

两个物体之间的辐射换热量可以表示为：在工程实际计算中，常常将辐射换热和对流换热联系在一起考虑，这种辐射换热和对流换热同时存在的过程属于复合换热。对于复合换热，为工程上的计算方便，采用把辐射换热折合为对流换热的处理方法，上式可化为：式中：h──辐射换热系数，W/(m2·K4)。

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例：一个面积为1m2，辐射率为0.8的钢板，表面温度为30℃，求钢板所发出的辐射能。Ф=0.8×5.67×10-8×1×（273+30）4=382.33W第29页,共96页，2024年2月25日，星期天2低温绝热原理

2.1.4气体分子热传导在低压下，即容器内抽真空时，气体不产生对流，此时，没有对流换热发生，但是气体分子还有热传导的作用，在低压下，气体分子的自由程远远大于容器尺寸，气体分子之间几乎不发生碰撞，气体分子只与器壁发生碰撞，对于平行板来说，两板之间是没有温度梯度的，此种情况下的传热公式为：第30页,共96页，2024年2月25日，星期天2低温绝热原理

式中：Φ──气体分子传热量，W；λ──分子流条件下，自由分子的导热率，W/(m2·K·Pa)；P──压力，Pa；α──适应系数；T2、T1──两板的热力学温度，K；S──平板面积，m2。第31页,共96页，2024年2月25日，星期天2低温绝热原理

对于同轴圆筒来说，其传热公式为：式中：γ──绝热指数；r1──内圆筒半径，m；r2──外圆筒半径，m；k──波耳兹曼常数，1.381×10-23J/K；m0──一个气体分子的质量，kg；T2、T1──外筒、内筒的热力学温度，K；T──气体的热力学温度，K；L──圆筒长度，m。式中的绝热指数γ、适应系数α一般通过查表得到。第32页,共96页，2024年2月25日，星期天2低温绝热原理

2.2绝热原理2.2.1热传导2.2.2热对流2.2.3热辐射2.2.4气体分子热传导第33页,共96页，2024年2月25日，星期天3低温材料

3.1结构材料3.1.1金属材料a.低合金高强度结构钢普通低合金高强度结构钢的化学成分特点（1）低碳，这类钢中碳的质量分数一般小于0.2%，主要是为了获得较好的塑性、韧性、焊接性能。（2）主加合金元素主要是Mn（锰），很少加Cr（铬）和Ni（镍），是经济性能较好的钢种。Mn能细化珠光体和铁素体晶粒；Mn促进铁素体在形变时发生交滑移，同时，锰还使三次渗碳体难于在晶界析出，减少了晶界的裂纹源，改善钢的冲击韧性。Mn的加入还可使Fe-Fe3C（Fe铁C碳）相图中的S点左移，珠光体数量增多，强度提高。（3）辅加合金元素Al（铝）、V（钒）、Ti（钛）、Nb（铌）等，既可产生沉淀强化作用，还可细化晶粒，从而使强韧性得以改善。第34页,共96页，2024年2月25日，星期天3低温材料

a.低合金高强度结构钢（4）加入一定量的Cu（铜）和P（磷），改善这类钢的耐大气腐蚀性能。Cu元素沉积在钢的表面，具有正电位，成为附加阴极，使钢在很小的阳极电流下达到钝化状态。P在钢中可以起固溶强化的作用，也可以提高耐蚀性能；Ni和Cr都能促进钢的钝化，减少电化学腐蚀；加入微量的稀土金属也有良好的效果。（5）加入微量稀土元素可以脱硫去气，净化钢材，并改善夹杂物的形态与分布，从而改善钢的力学性能和工艺性能。（稀土金属：指化学元素周期表中第4、5、6周期中的第IIIB副族元素21号钪(Sc)、39号钇(Y)、镧系元素57～71号——镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)共17个元素。）第35页,共96页，2024年2月25日，星期天3低温材料

低合金高强度结构钢的特性及用途Q295(GB/T1591-1994)相当于GB1591-88：09MnV、09MnNb、09Mn2、12Mn；制造汽车、机车车辆，建筑结构、桥梁、船舶、油罐、容器、冷变形钢、低温用钢、冲压件等。Q345(GB/T1591-1994)相当于GB1591-88：12MnV、14MnNb、16Mn、16MnRE、18Nb建筑结构、桥梁、压力容器、化工容器、重型机械、车辆、锅炉等。Q390(GB/T1591-1994)相当于GB1591-88：15MnV、15MnTi、16MnNb中高压锅炉、高压容器、车辆、起重机械设备、汽车、大型焊接结构等。第36页,共96页，2024年2月25日，星期天3低温材料

低合金高强度结构钢的特性及用途Q420(GB/T1591-1994)相当于GB1591-88：15MnVN、14MnVTiRE制造大吨位船舶、高压容器、桥梁、电站设备等。Q460(GB/T1591-1994)大型工程结构及要求强度高、载荷大的轻型结构中的部件等。缺点：低合金高强度结构钢的低温脆裂性此类钢在低温时（低温液体温度）会发生脆裂现象，所以只能用于低温容器的外壳，而不能用于低温容器的内部结构。第37页,共96页，2024年2月25日，星期天3低温材料

b.低温结构合金低温结构合金主要有以下特性：①强度和韧性。②热膨胀系数。③无磁性。④抗氢脆。⑤低温稳定性。不发生低温马氏体转变，马氏体转变起始温度Ms点越低越好。此外，低温合金要求应力诱发马氏体相变温度Mf点尽可能低。第38页,共96页，2024年2月25日，星期天3低温材料

低温结构合金：①镍钢：具有面心立方结构的铁镍合金。当温度下降时有一个延脆性转变过程。工业上可提供的镍钢分别含镍3.5%、5%、5.5%、8%和9%。9%镍钢的最低使用温度为77K，应用较广泛。70年代新发展的两种低温镍钢是12%镍钢和13%镍钢，它们可用于4～77K的低温条件。②奥氏体不锈钢：分为AISI300系列不锈钢、氮强化的奥氏体不锈钢和铁锰铝奥氏体钢。其氮强化的奥氏体钢又分为3组：一是铬镍氮系，如日本的CSUS-JKAI钢(20Cr-14Ni-0.3N)，它们在4K时，具有较高强度和韧性；二是铬镍锰氮系，典型代表是中国70年代开发出的21-6-9-N低温无磁钢，其4K下强度高，塑性韧性好，适合作超导磁体框架、超导电机转子等构件材料；三是铬锰氮系不锈钢。铁锰铝奥氏体钢是中国最先研制开发出的深冷合金钢，其密度较小，强度和韧性优良。典型钢材是15Mn26A14，适用于石油、化工业20-153K的各种低温压力容器。第39页,共96页，2024年2月25日，星期天3低温材料

低温结构合金：③铝合金：具有面心立方晶体结构，密度小，无磁性，比强度高。常用的低温铝合金有5083、6061、2219及2024，它们在4K时的力学性能优良。新发展的2090、8090等铝锉合金，是性能优异的低温材料，在宇航业中有广阔的应用前景。④铜合金：铜及大多数铜合金具有面心立方晶体结构，低温韧性及塑性很好，可用于各种低温。纯铜可用于超导体的稳流器、输液管及热交换器等。黄铜、白铜等合金可用于低温实验装置及特殊器件。铜合金10700、CDA17510及CDA19010为具有高强度、高导电率的深冷结构材料。⑤钛合金：在低温下应用的钦合金主要有工业纯钛、Ti-SAI-2.SSn及Ti-6AI-4V合金等。⑥铁镍基超合金：主要用途之一制作内冷缆式超导体的套管。Incoloy903及JBK-75合金可用作超低温合金;Incoloy718合金适用于液氢、液氧等低温容器。新研制出的Incoloy9XA低膨胀系数超低温合金具有更好的性能。第40页,共96页，2024年2月25日，星期天3低温材料

3.1.2非金属材料以玻璃纤维及其制品（玻璃布、带、毡、纱等）作为增强材料，以合成树脂作基体材料的一种复合材料。复合材料的概念是指一种材料不能满足使用要求，需要由两种或两种以上的材料复合在一起，组成另一种能满足人们要求的材料，即复合材料。玻璃钢（FRP）亦称作GRP，即纤维强化塑料，一般指用玻璃纤维增强不饱和聚脂、环氧树脂与酚醛树脂基体。以玻璃纤维或其制品作增强材料，称谓为玻璃纤维增强塑料，或称谓玻璃钢。由于所使用的树脂品种不同，因此有聚酯玻璃钢、环氧玻璃钢、酚醛玻璃钢之称。质轻而硬，不导电，机械强度高，回收利用少，耐腐蚀。可以代替钢材制造机器零件和汽车、船舶外壳等。第41页,共96页，2024年2月25日，星期天3低温材料

3.2绝热材料3.2.1泡沫型绝热材料泡沫型绝热材料通常有聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫、泡沫塑料、泡沫橡胶、泡沫玻璃等，最近也有利用气凝胶做绝热材料。气凝胶也可以划入该类绝热材料。它们都具有：a.多孔性；b.整体性；c.质量轻等特点。泡沫型绝热材料一般在大气下使用的，低温容器采用单层结构，简单方便，但漏热较率大，一般用于温度在大约150K以上温度的普通绝热，如低沸点烯烃类液体、二氧化碳液体贮罐或贮槽等。第42页,共96页，2024年2月25日，星期天3低温材料

3.2.2纤维型绝热材料纤维型绝热材料通常有矿渣棉、玻璃棉、陶瓷纤维、超细玻璃棉等。这些材料在大气下使用时，低温容器采用单层结构，简单方便，但漏热较率大，通常在低温液体温度不太低的、贮存时间不太长的大型或超大型贮存容器中使用。也可以在抽真空的情况下使用，效果要比在大气下使用好一个数量级以上，但制造成本也比在大气下使用提高了许多。目前国内外用量不大。第43页,共96页，2024年2月25日，星期天3低温材料

3.2.3粉末型绝热材料粉末型绝热材料通常有膨胀珍珠岩、碳酸镁粉末、硅藻土、膨胀蛭石等。膨胀珍珠岩(珠光砂)是典型的、且用量最大的材料。目前国内外大量采用膨胀珍珠岩的是：a.在普通堆积绝热中；b.在一般固定式低温液体贮槽中；c.用于低温液体运输车载贮槽中。第44页,共96页，2024年2月25日，星期天3低温材料

用于低温容器绝热的膨胀珍珠岩原料选择0.355～0.2mm颗粒度的珍珠岩，膨化后呈纯白色，颗粒度1～0.15mm，强度好，并具有一定的抗压能力。膨胀珍珠岩从外观上看，以颗粒均匀、形状为球形、质轻、色白为质量好；以颗粒不均匀、粉状物、形状为片状、色泽灰暗为次品。膨胀珍珠岩的技术指标主要是导热率，其次还有颗粒度、吸水率、容重比等。第45页,共96页，2024年2月25日，星期天3低温材料

膨胀珍珠岩性能指标堆密度导热率耐火度使用温度吸水率（%）吸湿率g/cm3W/(m·K)℃℃质量体积%低温常温高温0.04～0.30.023～0.0380.04～0.050.058～0.1751280～1360≤800400300.006~0.08第46页,共96页，2024年2月25日，星期天3低温材料

3.2.4多层绝热材料高真空多层绝热(简称多层绝热)多层平行于冷壁的多层绝热材料是由髙反射的辐射屏和低热导率的间隔层组成。辐射屏用来大幅度减少辐射传热而达到高效绝热的结构。辐射屏通常选用铝箔或镀铝涤纶薄膜等，因其反射性能好，大大降低了辐射传热。同时在两层辐射屏之间放置高效隔热间隔物，防止辐射屏之间直接接触，消除或减少固体接触传热。通常使用的间隔物有玻璃丝布、尼龙网、玻璃纤维纸、植物纤维纸等。多层绝热的辐射传热与辐射屏的层数、选用的间隔材料、反射膜有关。第47页,共96页，2024年2月25日，星期天3.2.5不同绝热材料的比较绝热材料热导率(mW/m·K)真空度(Pa)海绵状薄玻璃泡沫材料，128kg/m3(190K)33105聚亚安酯泡沫材料，32kg/m3(190K)21105玻璃纤维，16kg/m321410-2100珍珠岩粉末，128kg/m3(190K)1.51610-2100微球体，无覆盖层，73kg/m30.5910-4多层绝热，镀铝薄膜，50层0.06184×10-31003低温材料

第48页,共96页，2024年2月25日，星期天3低温材料

传统被动低温容器绝热类型的原理、性能及我国水平序号类型原理性能W/（m•K）国际水平及差距1堆积绝热利用热导率小的材料包覆在被绝热体的表面上达到绝热目的。纤维类：0.035~0.05粉末类：0.0185~0.064泡沫类：0.028~0.064粉末颗粒不均匀、强度差。泡沫类导热系数比国外高、强度差；2高真空绝热绝热空间抽成高真空后消除气体对流传热和减少气体导热。残余气体导热量约为0.1~0.2W/m2（300K~77K）真空的高低和壁面材料与处理，与国际水平相当。3真空粉末（纤维）绝热利用热导率很低的粉末或纤维充填在不高的真空下，即可消除气体对流传热。10-3~10-2W/m2国内：5×10-3~10-2W/m24高真空多层绝热利用在真空下气体传热很低，采用多层反射屏减少辐射传热，达到高效绝热的目的。10-5~10-6W/m2国内：7×10-5~5×10-4W/m2第49页,共96页，2024年2月25日，星期天3低温材料

3.3其它材料3.3.1吸附材料a.低温吸附材料活性碳活性碳吸附范围广，种类较多，按制造来源可分为植物型（椰子壳型、核桃型、杏核型、竹碳型、朩碳型）、矿物型（煤粉型、石墨型）。都可用于低温容器。分子筛常用的分子筛有3A、4A、5A、13X分子筛，低温容器常用5A和13X分子筛。第50页,共96页，2024年2月25日，星期天3低温材料

吸附材料再生活化处理高温加热法，将分子筛和活性碳在填装前在烘箱内加热至200℃～300℃数小时，取出后迅速封装在低温容器夹层中。加热抽空法，将分子筛和活性碳在填装前在烘箱内加热至200℃～300℃的同时，对其抽真空，取出后迅速封装在低温容器夹层中。加热冷浸法，将分子筛和活性碳在填装前在烘箱内加热至200℃～300℃的同时，对其抽真空，用专用工装取出后放置于液氮中，并通入高纯氮气，使吸附剂充分吸附后。再封装在低温容器夹层中。第51页,共96页，2024年2月25日，星期天3低温材料

b.常温吸附材料氧化钯氧化钯是吸附氢的材料，一般真空状态下氢的含量比较高，如果有效的吸附或除去氢，真空度会有所提高。但氧化钯价格昂贵，使用成本高，一般低温容器采用的不多。第52页,共96页，2024年2月25日，星期天3低温材料

3.3.2密封材料3.3.2.1低温密封材料a.低温静密封材料：1）用软垫圈（如铝、铅、无氧铜、金、铟以及非金属的氟塑料和硅-氟橡胶等）的刀口断面密封；2）不锈钢“O”形环密封；在环境大气压力要求下，可用于低温装置密封的最好金属密封材料是铟。第53页,共96页，2024年2月25日，星期天3低温材料

b.低温动密封材料：低温密封面常用的材料有：铅黄铜、铸造铝合金、纯铜、纯铝等。低温轴常用的密封填料材料有：聚四氟乙烯、柔性石墨、石棉、浸聚四氟乙烯石棉绳等。由于聚四氟乙烯的温度膨胀系数大，目前较少采用。石棉容易产生渗漏，所以也不多用，目前最多使用的是柔性石墨材料。第54页,共96页，2024年2月25日，星期天3低温材料

3.3.2.2常温密封材料a.常温静密封材料：1）橡胶密封

a）.天然橡胶

b）.丁基橡胶

c）.丁晴橡胶

d）.聚氨酯橡胶

e）.氟橡胶

f）.硅橡胶第55页,共96页，2024年2月25日，星期天3低温材料

2）氟塑料密封聚四氟乙烯膨胀聚四氟乙烯3）金属密封铝丝O形圈、铝垫片铜丝O形圈、刀口垫片金丝O形圈b.常温动密封常温动密封一般采用：金属波纹管密封、磁力传动密封、液态金属密封、磁流体密封等。低温容器产品、生产及检测中不常用。第56页,共96页，2024年2月25日，星期天4低温容器结构4低温容器结构4.1常压容器4.1.1杜瓦瓶a.简易型玻璃杜瓦瓶

第57页,共96页，2024年2月25日，星期天4低温容器结构b.玻璃纤维型杜瓦瓶

第58页,共96页，2024年2月25日，星期天4低温容器结构c.不锈钢杜瓦瓶1-不锈钢外壳；2-软焊接头；3-旋制的铜外球；4-旋制的黄铜加固件；5-黄铜的防尘盖；6-旋制的铜内球；7-高真空；8-吸收的试剂；9-旋制的铜质试剂贮存器

第59页,共96页，2024年2月25日，星期天4低温容器结构c.不锈钢杜瓦瓶

第60页,共96页，2024年2月25日，星期天4低温容器结构d.铝合金杜瓦

第61页,共96页，2024年2月25日，星期天4低温容器结构4.1.2液氮生物容器a.产品主要特点：b.容器的使用c.液氮的安全防护d.容器的维护e.液氮生物容器的种类（1）贮存型液氮生物容器第62页,共96页，2024年2月25日，星期天4低温容器结构（2）运输型液液氮生物容器第63页,共96页，2024年2月25日，星期天4低温容器结构（3）大口径液氮容器

第64页,共96页，2024年2月25日，星期天4低温容器结构（3）大口径液氮容器

第65页,共96页，2024年2月25日，星期天4低温容器结构4.2.1自增压液氮容器

第66页,共96页，2024年2月25日，星期天4低温容器结构4.2.1自增压液氮容器第67页,共96页，2024年2月25日，星期天4低温容器结构4.2.1自增压液氮容器第68页,共96页，2024年2月25日，星期天4低温容器结构4.2.2低温绝热气瓶第69页,共96页，2024年2月25日，星期天4低温容器结构4.2.3车载液化天然气气瓶1、放气管；2、充放液管；3、外壳；4、缓冲板；5、气体吸附剂；6、真空夹层；7、内胆；内胆支撑；9、液位计。第70页,共96页，2024年2月25日，星期天4低温容器结构4.3低温液体贮槽4.3.1大型常压粉末绝热液体贮槽a.结构简介1、外槽体；2、底部梯；3、基础；4、底部绝热5、内槽；6、珠光砂；7、旋梯；8、顶部平台9、呼吸阀第71页,共96页，2024年2月25日，星期天4低温容器结构b.设计、制造、安装、检验的主要标准和规程美国石油学会APl620《大型焊接低压储罐设计和施工》JB／T4735《钢制焊接常压容器》JB4730《压力容器无损检测》JB／W077《粉末普通绝热贮槽》杭氧标准HTCT2《大型常压低温液体贮槽安装技术要求》杭氧标准HTCT3《大型常压低温液体贮槽总体试验规程》杭氧标准HTCT4《大型常压低温液体贮槽清洗验收规程》杭氧标准HTCT5《大型常压低温液体贮槽预冷规程》PRAXAIR标准GS-33《低温液体贮槽》第72页,共96页，2024年2月25日，星期天4低温容器结构c.普通绝热贮槽检验大钢不锈钢母材的拉伸、低温冲击试验焊工考试预制件预制零部件脱脂现场组装方案土建交接绝热材料试验(泡沫玻璃板材及珠光砂)泡沫玻璃板材的现场组装均压板的制作内筒组装管道去油井组装、仪表安装内筒无损探伤检测内筒试压夹层气密性试验内筒脱脂珠光砂填装外筒油漆预冷试验第73页,共96页，2024年2月25日，星期天4低温容器结构4.3.2球形容器1-内上极带2-绝热体3-内上温带4-内赤道带5-支柱6-外下温带7-外下极带8-管路系统9-内下极带动10-内下温带11-外赤道带12-外上温带13-外上极带第74页,共96页，2024年2月25日，星期天4低温容器结构第75页,共96页，2024年2月25日，星期天4低温容器结构第76页,共96页，2024年2月25日，星期天4低温容器结构4.3.3真空粉末绝热低温液体贮槽第77页,共96页，2024年2月25日，星期天4低温容器结构4.3.4高真空多层绝热低温液体贮槽固定式高真空多层绝热低温液体贮槽在我国制造和使用较少，但用于运输的贮槽大多是高真空多层绝热。其结构原理与真空粉末绝热低温液体贮槽结构类似，主要区别是真空粉末绝热低温液体贮槽采用的是珠光砂粉末绝热，这种绝热结构厚度一般200mm至300mm左右。而高真空多层绝热采用的是由高反射率的薄膜（镀铝涤纶薄膜或铝箔）低导热率的隔热物（玻璃纤维布、植物纤维纸等）交替叠放组合而成，一般在30层至60层不等。这种绝热结构的厚度在20mm至100mm，这就大大减轻了低温液体贮槽的自身重量，增加了有效容积。第78页,共96页，2024年2月25日，星期天4低温容器结构4.4运输槽车1—外壳体2—内容器3—吊杆4—排液阀5—排液管第79页,共96页，2024年2月25日，星期天4低温容器结构第80页,共96页，2024年2月25日，星期天4低温容器结构4.5液化天然气运输槽车和罐式集装箱1.5.1LNG运输槽车第81页,共96页，2024年2月25日，星期天4低温容器结构4.5.2液化天然气罐式集装箱

溢流阀抽空阀液位计平衡阀液位计液相阀液位计气相阀液位计压力表PL真空阀真空规紧急切断阀3紧急切断阀1底部进液阀

顶部进液阀

止回阀紧急切断阀2泄放阀安全阀3

安全阀4

残液排放阀

增压器液相阀增压器液相接口液相接口气相接口超压排放阀

组合安全系统阀安全阀2安全阀1残液排放阀

残液排放阀

气体排放阀阻火器气源阀Q气源处理器换向阀图14.液化天然气集装箱流程示意图防爆盖第82页,共96页，2024年2月25日，星期天4低温容器结构4.5.2液化天然气罐式集装箱第83页,共96页，2024年2月25日，星期天4低温容器结构4.6低温容器主要附件4.6.1压力计（表）4.6.2安全阀4.6.3液面计4.6.4紧急切断装置4.6.5温度计4.6.6真空绝热管4.6.7低温阀门4.6.8其它附件其它附件包括装卸阀门、管道、装卸软管、消除静电装置、消防器件和防毒用具等。上述这些附件选取应与介质相容，强度相符、使用方便、工作可靠等。低温储槽的安全措施（装置）有：低温储槽内筒一般采用低温下力学性能较好的奥氏体不锈钢或铝合金、铜合金，内筒配有安全阀、防爆膜装置和泄压阀，外筒一般有防爆装置。第84页,共96页，2024年2月25日，星期天4低温容器结构4.7使用操作规范a.自增压液氮容器b.低温绝热气瓶c.车载液化天然气气瓶d.固定式低温液体贮槽e.低温液体槽车f.液化天然气槽车g.液化天然气罐式集装箱第85页,共96页，2024年2月25日，星期天5低温容器性能指标及操作5.1低温容器的主要性能和参数低温容器的主要性能参数有以下几项：所盛低温介质的种类；容器的最大工作压力；容器的容积、贮量；真空夹层的压力；真空夹层的漏气速率；真空夹层的漏放气速率；静态日蒸发率；无损贮运时间。第86页,共96页，2024年2月25日，星期天5低温容器性能指标及操作5.2低温容器的法律法规及标准GB150-1998《钢制压力容器》GB14174-1993《大口径液氮容器》GB16774-1997《自增压式液氮容器》GB18442-2001《低温绝热压力容器》GB24510-2009《低温压力容器用9％Ni钢板》GB/T10478-2006《液化气体铁道罐车》GB/T16775-1997《低温容器漏气速率测定方法》GB/T16876-1997《液氮容器夹层真空度检验方法》GB/T18443.1-2001《低温绝热压力容器试验方法容积测量》GB/T18443.2-2001《低温绝热压力容器试验方法真空度测量》GB/T18443.3-2001《低温绝热压力容器试验方法漏率测量》GB/T18443.4-2001《低温绝热压力容器试验方法漏放气速率测量》GB/T18443.5-2001《低温绝热压力容器试验方法静态蒸发率测量》GB/T18984-2003《低温管道用无缝钢管》第87页,共96页，2024年2月25日，星期天5低温容器性能指标及操作GB/T19204-2003《液化天然气的一般特性》GB/T20368-2006《液化天然气（LNG)生产、储存和装运》GB/T20603-2006《冷冻轻烃流体液化天然气的取样连续法》GB/T20734-2006《液化天然气汽车专用装置安装要求》GB/T21068-2007《液化天然气密度计算模型规范》GB/T22724-2008《液化天然气设备与安装陆上装置设计》GB/T5458-1997《液氮生物容器》GB/T10878-1999《气瓶锥螺纹丝锥》GB/T12137-2002《气瓶气密性试验方法》GB/T18443.3-2002《低温绝热压力容器试验方法漏放气速率测量》GB/T18443.4-2002《低温绝热压力容器试验方法漏率测量》GB/T8336-1998《气瓶专用螺纹量规》GB13075-1999《钢制焊接气瓶定期检验与评定》GB19204-2003《液化天然气的一般特性》JB4727-2000《低温压力容器用碳素钢和低合金钢锻件》第88页,共96页，2024年2月25日，星期天5低温容器性能指标及操作JB/T3356.1-1999《低温液体容器性能试验方法》JB/T4780-2002《液化天然气罐式集装箱》JB/T4783-2007《低温液体汽车罐车》JB/T4784-2007《低温液体罐式集装箱》JB/T5905-2000《真空多层绝热低温液体容器》JB/T6898-1997《低温液体贮运设备使用安全规则》JB/T7749-191995(2009)《低温阀门技术条件》JB/T9081-1999《空气分离设备用低温截止阀和节流阀技术条件》JB×××××-××××《低温绝热气瓶》TSGD0001-2009《压力管道安全技术监察规程-工业管道(管规)》TSGR0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》TSGR0005-2010《移动式压力容器安全技术监察规程》TSGR7001-2004《压力容器定期检验规则》TSGZF001-2006《安全阀安全技术监察规程》气瓶安全监察规程2000版第89页,共96页，2024年2月25日，星期天5低温容器性能指标及操作5.3低温容器的安全操作5.3.1低温容器的安全使用操作人员必须熟读使用说明书，要熟悉每个阀门及仪表的功能，并能熟练运用，防止误操作发生。在低温容器使用中，最