液氢液氦储罐建造技术研究

龚雪

珠海巨涛海洋石油服务有限公司        广东珠海     519000

摘要：本文首先探讨了储罐的结构设计和材料选用。在材料选用方面，考虑了性能要求，并评述了常用材料的优缺点。同时，介绍了新型材料的研究进展。接着，分析了储罐的安全性。在储罐内部压力分析中，计算了液氢液氦的压力，并提出了储罐内部压力控制的方法。在储罐外部环境影响分析中，考虑了温度、地震和火灾等因素的影响，并设计了相应的安全措施。最后，讨论了储罐的施工和检测技术，以期为相关领域的工程实践提供了重要的参考依据。

关键词：液氢；液氦；储罐建造技术；探究

前言

液氢液氦储罐作为储存和运输液态氢和液态氦的关键设备，其安全性和可靠性直接影响到氢能源的应用和发展。然而，由于液氢和液氦的低温特性和高压要求，液氢液氦储罐在设计和建造过程中面临着许多挑战。因此，对液氢液氦储罐建造技术进行深入研究，提高储罐的安全性和可靠性，具有重要的科学意义和实际应用价值。

一、液氢液氦储罐的设计与选材

1.1储罐结构设计

（一）储罐结构：液氢液氦储罐通常采用双壁结构，即内外两层罐体之间形成真空层，以减少热量传导和保持低温。内层罐体用于存放液氢液氦，外层罐体用于保护内层罐体和真空层。

（二）绝热层设计：液氢液氦储罐的绝热层用于减少热量传导，以保持低温。常见的绝热材料包括聚苯乙烯泡沫、玻璃纤维等。绝热层的厚度和材料的选择需要根据具体的使用要求和环境条件进行确定。

（三）真空层设计：液氢液氦储罐的真空层用于减少热量传导和保持低温。真空层的设计需要考虑真空度的要求和真空层的厚度。通常采用多层真空层结构，以提高绝热性能[1]。

1.2储罐材料选用

（一）材料性能要求:首先，储罐材料需要具有良好的低温性能，能够在极低温下保持良好的强度和韧性。其次，储罐材料需要具有良好的密封性能，能够有效地防止液氢和液氦的泄漏。此外，储罐材料还需要具有良好的耐腐蚀性能，能够抵抗液氢和液氦对材料的腐蚀。最后，储罐材料还需要具有良好的可焊性和可加工性，以便于制造和维修。

（二）常用材料评述: (1)不锈钢：不锈钢具有良好的低温性能和耐腐蚀性能，能够满足液氢液氦储罐的要求。常用的不锈钢材料有304不锈钢和316不锈钢等。不锈钢具有较高的强度和韧性，适合用于制造大型储罐。然而，不锈钢的导热性较差，容易产生冷焊现象，需要采取一定的措施来解决这个问题。（2）铝合金：铝合金具有良好的低温性能和导热性能，能够满足液氢液氦储罐的要求。常用的铝合金材料有5083铝合金和6061铝合金等。铝合金具有较低的密度和良好的可加工性，适合用于制造轻型储罐。然而，铝合金的耐腐蚀性较差，容易受到液氢和液氦的腐蚀，需要采取一定的措施来增强其耐腐蚀性能。（3）镍基合金：镍基合金具有良好的低温性能和耐腐蚀性能，能够满足液氢液氦储罐的要求。常用的镍基合金材料有Inconel 625和Inconel 718等。镍基合金具有较高的强度和韧性，适合用于制造高压储罐。然而，镍基合金的成本较高，制造和维修难度较大[2]。

（三）新型材料研究进展：随着科学技术的不断发展，新型材料的研究也在不断进行。目前，一些新型材料已经被提出用于液氢液氦储罐的制造。例如，碳纤维增强复合材料具有良好的低温性能和强度，可以用于制造轻型储罐。另外，超导材料也被研究用于液氦储罐的制造，以提高储罐的保温性能和液氦的储存效率。

二、液氢液氦储罐的安全性分析

2.1储罐内部压力分析

（一）液氢液氦压力计：液氢和液氦的压力可以通过理想气体状态方程来计算，即PV = nRT，其中P为压力，V为体积，n为物质的摩尔数，R为气体常数，T为温度。对于液氢和液氦，可以假设它们处于饱和状态，即液体和气体之间处于平衡[3]。根据饱和蒸汽压表，可以得到液氢和液氦在不同温度下的饱和蒸汽压。以液氢为例，假设储罐内部温度为T1，液氢的饱和蒸汽压为P1。如果液氢的体积为V1，液氢的摩尔数为n1，则根据理想气体状态方程，有P1 * V1 = n1 * R * T1。同样地，以液氦为例，假设储罐内部温度为T2，液氦的饱和蒸汽压为P2。如果液氦的体积为V2，液氦的摩尔数为n2，则有P2 * V2 = n2 * R * T2。

（二）储罐内部压力控制：（1）安全阀：安全阀是一种自动控制装置，当储罐内部压力超过设定值时，安全阀会自动打开，释放部分气体，以降低压力。（2）压力传感器：通过安装压力传感器，可以实时监测储罐内部压力，并将数据传输给控制系统。控制系统可以根据设定的压力范围，自动调节储罐内部压力。

2.2 储罐外部环境影响分析

（一）温度影响：液氢和液氦都是低温液体，其储存需要在极低温下进行。外部环境的温度变化会对储罐的安全性产生影响。如果外部环境温度过高，会导致储罐内液体的蒸发速度增加，增加了储罐的压力，可能引发爆炸或泄漏事故。因此，储罐应该设计有良好的保温措施，以减少外部温度对储罐内液体的影响。

（二）气候条件：气候条件如风速、降雨量等也会对储罐的安全性产生影响。强风可能会对储罐造成冲击，增加了储罐的破裂风险。降雨量过大可能会导致储罐周围积水，增加了储罐的浮力，可能引发储罐的倾覆。因此，储罐的设计应该考虑到气候条件的影响，并采取相应的防护措施。

（三）地质条件：储罐所处的地质条件也会对其安全性产生影响。如果储罐建在地质不稳定的地区，如地震活跃区域或地质滑坡区域，可能会增加储罐的破裂风险。因此，在选择储罐建设地点时，应该进行详细的地质勘察，并采取相应的地质灾害防护措施。

2.3 安全措施设计

常见的安全措施设计：（1）储罐结构设计：储罐应采用符合相关标准的结构设计，以确保其能够承受内部液体的压力和外部环境的影响。储罐应具有足够的强度和稳定性，以防止破裂或倾覆。（2）防火设计：液氢和液氦都是易燃易爆的物质，因此储罐的设计应考虑到防火措施。储罐应采用防火材料进行包裹，以减少火灾发生的可能性。此外，储罐周围应设置防火墙和灭火设备，以便在发生火灾时能够及时进行灭火。（3）泄漏控制设计：储罐应设计有泄漏控制系统，以便在发生泄漏时能够及时检测并采取相应的措施。泄漏控制系统应包括泄漏报警装置、泄漏检测装置和泄漏紧急处理设备等。（4）安全培训和操作规程：储罐的安全性还需要依赖于操作人员的安全意识和操作规程的执行。因此，应对操作人员进行安全培训，使其了解储罐的安全操作规程，并严格执行相关规定。

三、液氢液氦储罐的施工与检测技术

3.1 施工工艺与流程

液氢液氦储罐的施工工艺与流程包括以下步骤：根据储罐的设计要求，进行地基的平整和加固处理，确保地基的稳定性和承载能力；将储罐的主体部分按照设计要求进行安装，包括底部支撑结构、罐体和顶部结构的安装；采用专业的焊接工艺，对储罐的各个部分进行焊接，确保焊缝的质量和密封性；在储罐的外部表面进行绝热层的施工，以减少热量的传递和损失；将储罐与其他设备或管道进行连接，确保液氢液氦的流动和传输；对储罐及其相关系统进行调试和测试，确保其正常运行和安全性能；在施工过程中，采取相应的环境保护措施，防止液氢液氦的泄漏和污染[4]。

3.2 储罐检测技术

液氢液氦储罐的检测技术主要包括以下几个方面：通过对储罐进行压力测试，检测其耐压性能和密封性能，确保储罐在正常工作压力下的安全运行；采用超声波、射线或磁粉等方法对储罐的焊缝进行检测，确保焊缝的质量和密封性；对储罐的材料进行化学成分分析和物理性能测试，确保材料的质量符合设计要求；采用红外线热像仪等设备对储罐的绝热层进行检测，确保绝热层的完整性和热阻性能；采用气体检测仪等设备对储罐进行泄漏检测，确保储罐的密封性和安全性能；对储罐周围环境进行监测，检测液氢液氦的泄漏情况，及时采取相应的应急措施。

四、结束语

综上所述，通过对液氢液氦储罐建造技术的研究，我们深入了解了液氢液氦储罐的设计原理、施工工艺和安全管理等方面的知识。我们发现，液氢液氦储罐的建造技术在保证储罐结构强度和密封性的同时，还需要考虑液氢液氦的特殊性质和安全性要求。因此，在液氢液氦储罐建造过程中，必须严格遵守相关规范和标准，采取科学合理的施工措施，确保储罐的安全可靠运行。未来，我们还需要进一步研究和改进液氢液氦储罐建造技术，以满足不断增长的液氢液氦需求，并为液氢液氦储罐的设计和建造提供更加可靠和高效的解决方案。

参考文献：

[1]李均方;张瑞春;陈吉刚.液氦储罐发展现状及关键技术[J].低温与特气,2021:4.

[2]沈铣,滕俊华,周伟明.小型液氢储罐无损储存影响规律研究[J].低温工程,2022:7.