液氮预冷装置的主要工作方式为将常温介质通入装有足量液氮的容器,与液氮充分换热,介质温度降到77K左右,再流入后续设备。液氮预冷环节由于液氮本身便于获得,预冷装置结构简单等优势,被广泛应用在氢气液化、氦气液化、EAST低温系统等制冷流程中,提供从常温到77K范围内的冷量,从而可以取代该工况下的膨胀机,简化制冷流程,有效降低系统运行成本[1-3]。由于大型制冷流程需要的预冷装置体量更大,所用的液氮预冷装置则可视为一种低温压力容器。另一方面,该类装置的功能兼具储存与换热的功能,但其结构设计并没有严格的标准,也未有相关的研究,多根据以往经验进行设计。若设计时考虑不周,当设备降温后由于管路的冷缩效应可能在某些部位产生集中应力,严重时管路材料可能发成脆性断裂而导致装置失效。

针对发生脆断破裂的液氮预冷装置的结构进行了有限元仿真分析,计算得到危险位置及等效应力,分析了装置失效的机理并给出了解决方案,后进行了液氮冲击试验进行了验证。本研究分析结果对之后液氮预冷装置以及类似的低温容器设计有一定的参考意义。

1.设备结构与失效形式

本研究液氮预冷设备结构简图如图1所示。该设备制造时,中间的氢气容器5由焊接在外壳6上的不锈钢板支承,并通过与5、6焊接连接的氢气进出管路固定其位置,使其在竖直状态下有一定的结构强度,不会左右窜动。设备工作时从1充入液氮,蒸发出来的氮气从2排出,从3充入氢气并从4流出,氢气流动过程中通过周围的液氮逐渐冷却到液氮温度,再进入系统内的其他设备中。其中氮气压力约为常压,氢气压力在1MPa左右,该设备工作时置于真空环境以减少冷量损失。

在常温状态下,设备各焊缝处均进行了氦质谱检漏,漏率小于10-9Pa·m3/s。但在之后的系统调试过程中,发现氮气排放口检测到200×10-6以上的氢气浓度,判断为液氮预冷设备内部出现了泄漏,随后停止调试。拆解该装置进行检修后,发现其氢路底部管路上的三通有断口整齐的裂纹,直接导致了设备内氮路与氢路之间连通,致使设备失效,裂纹形状及位置如图2b所示。失效原因需要进行具体分析计算。

2.模型建立

2.1设备结构及材料

该设备由多个薄壁圆管、管件与一圆柱形容器焊接而成,其中的圆柱体容器的主要参数为直径ϕ476mm,高780mm,由多个5mm厚的不锈钢圆筒与上下封板焊接而成,总重约400kg,进出气管路壁厚为2mm,弯头、三通管件的壁厚均为3mm,管路通径均为DN32。其余结构尺寸如表1所示。

实际设备采用的管件与筒体部分均为美标AISI316L不锈钢。由于在低温下奥氏体不锈钢的抗拉强度及屈服强度都有明显提高,在计算时统一取材料特性在常温时的值。查得该材料物理属性如表2所示。

设备中的三通模型基于实际所用的压制三通进行建模,按等壁厚处理,不考虑工艺引起的局部壁厚不均匀,并在横、纵连接处设置与实际相近的过渡转角[4],根据实际结构建立该设备三维模型,如图3所示。

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