一种大型高压气体盛放装置
技术领域
本发明涉及高压容器技术领域，尤其涉及一种大型高压气体盛放装置。
背景技术
在设计压力一定的情况下，球形容器的容积与特定材质球壳的厚度相关，容积越大则厚度越厚。而球壳能达到的最大厚度与材料制造水平及制造厂的压制水平有关。现球形容器所采用的钢板大体分为两种：以07MnMoVR为代表的调质高强度钢和以Q345R为代表的中强度钢。在传统球形容器的概念下，采用该两种钢均无法完成较大容积高压球形容器的制造，原因为：
1、对调质高强度钢而言，一定压力、一定容积下，采用此钢种的球壳壁厚较薄，然而，当前钢材制造厂的制造水平，还无法达到生产出较大高压球形容器所需厚度的钢板，可用的性能均匀可靠的钢板厚度较小，高强钢钢板的最大允许使用厚度为60mm；
2、对成熟中强度钢Q345R而言，一定压力、一定容积下，采用此钢种的球壳壁厚远远大于高强度钢，此钢种最大钢板厚度可达到200mm，但200mm厚的钢板对球形容器制造厂来说，将厚钢板压制为精确的球壳板片再进行组焊难度很大，组焊质量无法保证。且由于球形容器的危险性较高，国家标准GB 150-2011中明确建议球壳的厚度不宜超过50mm厚。
制造高压容器的另一种做法是，通过薄钢板在内筒体上的多层包扎缠绕来达到承受高压的能力，但该形式仅适用于筒形容器，球形容器由于其圆球形状的特点，无法进行多层包扎缠绕。
以上因素，导致较大容积的高压球形容器在各种形式和方法上均一直无法实现。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，为此，本发明提供一种大型高压气体盛放装置。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种大型高压气体盛放装置，包括两个同心设置的内球容器和外球容器、第一通气管、第二通气管，第一通气管与内球容器导通且与外球容器之间为密封状，所述第二通气管作为外球容器的通气管。
优化的，所述外球容器的内侧壁上设置有用于固定支撑内球容器的第一支架，外球容器外侧设置有用于支撑外球容器的第二支架。
优化的，所述第一支架和第二支架对应位于内球容器和外球容器的正下方。
优化的，所述第一支架和第二支架均包括环形支撑圈梁，所述环形支撑圈梁上还包括使环形支撑圈梁与容器形成的腔体和外部气流导通的通孔。
优化的，所述通孔的最低点靠近底部，且为维修人员可穿过的竖向长条状。
优化的，所述第二支架还包括设置在环形支撑圈梁下方的环形座，第二支架中的环形支撑圈梁上还设置穿孔，与所述第二通气管连通的外接管穿过穿孔固定在第二支架上。
优化的，所述第一通气管的外侧壁为连接内球容器和外球容器的整体锻件。
优化的，所述第一支架和第二支架均包括环形阵列的支柱，相邻的所述支柱之间设置有连接支柱的拉杆。
优化的，所述第一通气管与内球容器厚度方向的面和外球容器厚度方向的面相对位置处均设置有匹配的异形面。
优化的，异形面处的截面为沙漏结构。
本发明的优点在于：
(1)在一些科研试验装置中，需要在瞬间有大量持续的高压气流吹出，这就要储存气体的容器容积不但要有足够高的压力，也需要有足够大的容器。球形容器与圆筒容器相比，在相同容积和相同压力下，球形容器的表面积最小，故所需钢材面积少；在相同直径情况下，球形容器壁内应力最小，而且均匀，其承载能力比圆筒形容器大1倍，故球形容器的板厚只需相应圆筒形容器壁板厚度的一半。在同样的压力和钢板厚度的情况下，球形容器容积可以做得更大。本发明是一个较小球形容器位于一个较大球形容器的内部，内球容器提供高压，外球容器为内球容器的高压提供必不可少的辅助。克服了材料生产水平和制造水平限制，在实现方法上另辟蹊径，在材料水平和制造水平无法达到的情况下实现较高的产品水平。
(2)本发明提出了适用于大型高压气体装置的接管结构，该结构具有以下特点：(a)采用与内球容器和外球容器同时焊接的整体结构，该结构的优点是较大程度地利用了内腔球形容器和外腔球形容器之间的接管对球壳的补强作用，该整体结构形状规则，易于制造；(b)采用内外较大圆弧过渡的对接接管形式，该结构避免了现有压力容器中常用的插入式接管局部应力大、不利于焊接和检测的缺点，同时避免了凸缘结构开孔面积较大的弊端，降低了局部应力，便于焊接和无损检测。
(3)本发明使用第一支架为内球容器提供支撑力，保证内球容器始终与外球容器的球心重合，第二支架是防止外球容器和内球容器滚动，影响内部结构。
(4)第一支架和第二支架的位置可以防止第一支架和内球容器对外球容器牵拉造成损坏，并且这种方式也是最容易安装的方式。
(5)通孔设置成竖向长条结构不仅用于保证内球容器和外球容器内外表面压力均匀，另外通孔还用于工作人员穿过来维修。
(6)第二支架中的环形座可以增大与支撑面的接触面积，另外穿孔用于固定外接管，防止通气时的压力作用在与其连接的第二通气管上，导致第二通气管相对于外球容器晃动，降低了外球容器的气密性。
(7)整体锻件的设置保证了第一通气管的密封性，防止内球容器内的气体、内球容器与外球容器之间的气体之间发生混合。
(8)本方案中的支架是采用拉绳和支柱的配合，调节拉绳来调节拉绳上对应容器的高度，特别是内球容器在未焊接时，通过拉绳的松紧度不断调节内球容器的高度，从而更好焊接在已固定在外球容器上的第一通气管上。
(9)第一通气管与内球容器和外球容器焊接的面为异形面，这样会增加焊接面的面积，保证了焊接的紧固性和气密性。
附图说明
图1为本发明一种大型高压气体盛放装置的剖视图。
图2为支架使用支柱和拉绳的高压气体盛放装置的外部结构图。
图3为第一通气管的剖视图。
图4为第一支架为环形支撑圈梁平铺后的结构图。
图5为第二支架包括环形支撑圈梁平铺后的结构图。
图6为图1中第一通气管与内球容器和外球容器之间焊接的局部A放大图。
图中标注符号的含义如下：
1-第一通气管11-法兰盘 12-异形面
2-内球容器 3-外球容器 4-第一支架
5-第二通气管 6-第二支架 61-通孔 62-穿孔
71-支柱 72-拉杆
具体实施方式
如图1所示，一种大型高压气体盛放装置，包括两个同心设置的内球容器2和外球容器3、第一通气管1、第二通气管5，第一通气管1与内球容器2导通且与外球容器3之间为密封状，所述第二通气管5作为外球容器3的通气管。在该实施例中，第一通气管1设置内球容器2和外球容器3的正上方，第二通气管5设置在外球容器3的正下方。如图3所示，所述第一通气管1的外侧壁为连接内球容器2和外球容器3的整体锻件。第一通气管1和第二通气管5的外端面均设置有法兰盘11。
外球容器3为内球容器2提供可供抵消的外压；内球容器2的外直径小于外球容器3内直径，这样便于安装和检修，本方案中，内球容器2的外直径与外球容器3内直径差约为1300mm，该装置为工业或实验需要提供高压环境；内球容器2所提供的高压P大于外球容器3所承受压力P1，内球容器2所提供的高压P中与外球容器3所承受压力P1相等的部分由于内外压平衡而抵消，从而内球容器2实际所承受的净压力为ΔP2＝P-P1,内腔所承受总压力为P＝P1+ΔP2。
所述外球容器3的内侧壁上设置有用于固定支撑内球容器2的第一支架4，外球容器3外侧设置有用于支撑外球容器3的第二支架6。所述第一支架4和第二支架6对应位于内球容器2和外球容器3的正下方。
其中第一支架4和第二支架6包括两种方案：
第一种方案是如图1、图4和图5所示，所述第一支架4和第二支架6均包括环形支撑圈梁，所述环形支撑圈梁上还包括使环形支撑圈梁与容器形成的腔体和外部气流导通的通孔61。所述通孔61的最低点靠近底部，且为维修人员可穿过的竖向长条状。
所述第二支架6还包括设置在环形支撑圈梁下方的环形座，第二支架6中的环形支撑圈梁上还设置穿孔62，与所述第二通气管5连通的外接管穿过穿孔62固定在第二支架6上。
第二种方案为：所述第一支架4和第二支架6均包括环形阵列的支柱71，相邻的所述支柱71之间设置有连接支柱71的拉绳72。其中第二支架6中支柱71的下方设置有支撑块，第一支架4中支柱71的下方焊接在外球容器3内侧壁上，并且支柱71的中部还通过连杆(图中未示出)焊接固定在外球容器3内表面，防止支柱71受到拉绳72的压力向内弯曲，从而破坏外球容器3。其中可以使拉绳72与对应容器外表面接触，也可以如图2所示，通过拉绳72改变支柱71上端围成的区间直径，从而使相应容器的位置上下调节。
所述第一通气管1与内球容器2厚度方向的面和外球容器3厚度方向的面相对位置处均设置有匹配的异形面12。这样可以增大焊接面的面积，保证了焊接的紧固性和气密性。具体来说，如图6所示，本方案中的异形面12处的截面为沙漏结构。
该方案中具体实施中，在升压时：
第一步，通过第一通气管1和第二通气管5将内球容器2和外球容器3同时升压至外球容器3的工作压力P1，此时，由于内球容器2的内部和外部的压力相等，内球容器2承载的压力为0。
第二步，通过第一通气管1将内球容器2的压力继续升高ΔP2，至最终工作压力P。
以一个容积为50m3的球形容器为例，球壳材质采用07MnMoVR，材料的厚度限制为60mm。
若按已有结构单层球形容器计算，50m3的球形容器内径为4600mm，计算得出球形容器可承受总受压力为13MPa。
若采用本发明，50m3的内球容器2内径为4600mm，外球容器3内径为5900mm，材料的厚度限制为60mm，计算得出外球容器3的承受压力P1为10MPa，内腔球形容器的承受净压ΔP2为13MPa，则内球容器2的总压力为P＝P1+ΔP2＝23MPa。在本实施例中，本发明的可承受总压为已有结构的1.77倍。
再以一个压力为25MPa的球形容器为例，球壳材质采用07MnMoVR，材料的厚度限制为60mm。
若按已有结构单层球形容器计算，压力为25MPa，厚度为60mm的球形容器内径为2300mm，球形容器容积为6.4m3。
若采用本发明，计算得出外球容器3的承受压力P1为11MPa，内球容器2的承受净压ΔP2为14MPa，则内球容器2的内直径为4200mm，内球容器2的容积为40m3。在本实施例中，本发明的可实现容积为已有结构的6.25倍。
以下两个初步的公式，用来确定内外球容器3厚度、设计压力和直径的关系。在具体设计中，根据初步的确定的尺寸，还需要详细的有限元计算分析校核。
δ外＝P外*D外/(2[σ]-P外)
δ内＝(P内-P外)*D内/(2[σ]-(P内-P外))
δ外为外球容器3的厚度，单位mm，P外为外球容器3的设计压力，D外为外球容器3的直径，[σ]为内球容器2和外球容器3的材料的应力强度；δ内为内球容器2的厚度，单位mm，P内为外球容器3的设计压力，D内为外球容器3的直径。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
