李正清，何 丹，蔡宇宏，李小金，劉筱文，王田剛

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，甘肅 蘭州 730000)

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在用焊接絕熱氣瓶日蒸發(fā)率定檢測量

李正清，何 丹，蔡宇宏，李小金，劉筱文，王田剛

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，甘肅 蘭州 730000)

在用焊接絕熱氣瓶日蒸發(fā)率是焊接絕熱氣瓶的重要性能指標(biāo)之一，根據(jù)在用焊接絕熱氣瓶的熱穩(wěn)定性、介質(zhì)及應(yīng)用的實際特點，提出在用焊接絕熱氣瓶日蒸發(fā)率定檢測量方案，相對于國標(biāo)規(guī)定的測試方法，該方案充分利用了在用焊接絕熱氣瓶的特點，主動創(chuàng)造出進行日蒸發(fā)率測量條件，縮短測試準(zhǔn)備時間，簡化測試過程。數(shù)據(jù)處理中以焊接絕熱氣瓶的測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過計算給出日蒸發(fā)率值，以便于與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值比較。

焊接絕熱氣瓶；蒸發(fā)率；測量；方案

0 引 言

伴隨著國內(nèi)對大氣環(huán)境污染日益重視以及能源改革的快速進行，煤炭等污染較大的能源消費受到了發(fā)展限制，天然氣等清潔能源得到了國家的大力提倡及快速發(fā)展。作為汽車燃料，天然氣在汽車領(lǐng)域主要以CNG及LNG的形式進行貯存，在同等體積下LNG具有貯存量大，使用安全等特點，使其迅速得到了推廣應(yīng)用。目前國內(nèi)以LNG為燃料的公交車、客車及卡車在經(jīng)濟發(fā)達省份獲得了快速的發(fā)展，因此LNG貯存容器——焊接絕熱氣瓶也在國內(nèi)快速發(fā)展，但國內(nèi)在用焊接絕熱氣瓶性能的定檢測試相對滯后。焊接絕熱氣瓶的定檢測試包括真空性能測量和日蒸發(fā)率測量，其中日蒸發(fā)率測量是一種相對比較簡單可行的測試方法，而且測試結(jié)果反映了焊接絕熱氣瓶的整體綜合性能，可以有效確保在用焊接絕熱氣瓶的使用安全。

1 日蒸發(fā)率測試方法

目前在用焊接絕熱氣瓶日蒸發(fā)率定檢性能測量是參照國標(biāo)GB/T 18443.5—2010執(zhí)行，測試過程繁瑣，耗時長，且該項標(biāo)準(zhǔn)制定時主要是針對新研制產(chǎn)品，不適合在用產(chǎn)品進行大規(guī)模的定檢，因此對于在用焊接絕熱氣瓶日蒸發(fā)率定檢測量需要設(shè)計新的測試手段或方法，以便于市場上廣泛的在用焊接絕熱氣瓶日蒸發(fā)率的定檢測量。

1.1 國標(biāo)規(guī)定測試方法

GB/T 18443.5—2010規(guī)定了包括焊接絕熱氣瓶在內(nèi)低溫容器日蒸發(fā)率的測量方法，目前在用焊接絕熱氣瓶日蒸發(fā)率定檢性能測量參照其執(zhí)行，測量中需要將車載的焊接絕熱氣瓶拆卸下來，若焊接絕熱氣瓶中貯存的是可燃介質(zhì)需要進行置換，置換完成后，打開放氣閥門，確保焊接絕熱氣瓶內(nèi)低溫介質(zhì)氣相與大氣相通，在通風(fēng)較好的場地靜置48 h以上，然后將放氣閥門與氣體質(zhì)量流量計連接，通過氣體質(zhì)量流量計進行日蒸發(fā)率的測量，要求測量時間不小于24 h。測量結(jié)束后按要求進行日蒸發(fā)率的數(shù)據(jù)處理，給出被測焊接絕熱氣瓶日蒸發(fā)率的測試數(shù)值。

國標(biāo)規(guī)定的測試中耗時最長的兩個過程為焊接絕熱氣瓶靜置及流量計測試時間。焊接絕熱氣瓶的靜置是為了使整個容器及容器內(nèi)的低溫介質(zhì)處于相對的穩(wěn)定狀態(tài)，確保焊接絕熱氣瓶內(nèi)低溫介質(zhì)的蒸發(fā)是由于外部漏熱造成，該要求是針對新制焊接絕熱氣瓶。新制焊接絕熱氣瓶在初次充裝時，容器自身的溫度與環(huán)境溫度一致，在充裝過程中氣瓶的溫度降低，并在一段時間內(nèi)達到穩(wěn)定狀態(tài)的測試條件。測試時間長是新品在型式試驗過程中可能出現(xiàn)較大的流量波動，長時間的測試確保測量數(shù)據(jù)正確反映焊接絕熱氣瓶的性能。

1.2 在用焊接絕熱氣瓶特點

在用焊接絕熱氣瓶相對于新研產(chǎn)品型式試驗使用的焊接絕熱氣瓶具有以下特點：

1.熱穩(wěn)定狀態(tài)，新研產(chǎn)品型式試驗使用的焊接絕熱氣瓶為新品，在進行日蒸發(fā)率測試前沒有充裝過液氮或其他低溫介質(zhì)，測量日蒸發(fā)率時為首次充裝，因此需要充分的時間使其進入熱穩(wěn)定狀態(tài)；在用焊接絕熱氣瓶使用過程中一直在充裝低溫介質(zhì)，本身就處于熱穩(wěn)定狀態(tài)。

2.盛裝低溫介質(zhì)，新制型式試驗進行日蒸發(fā)率的測量一般使用液氮，在用焊接絕熱氣瓶使用范圍很廣，貯存的低溫介質(zhì)有LNG、液氮、液氧、液氬等。若按照型式試驗的要求執(zhí)行，需要將在用氣瓶內(nèi)的液體進行置換，而氣瓶低溫介質(zhì)置換流程是較為復(fù)雜的。

3.測試便捷，新研產(chǎn)品型式試驗使用焊接絕熱氣瓶在車間進行試驗，氣瓶為單獨放置的新品，易于進行各項測試；在用焊接絕熱氣瓶一般安裝在使用的設(shè)備上，如公交車、卡車上等，拆卸是非常不方便的。

2 在用焊接絕熱氣瓶日蒸發(fā)率定檢測量方案

根據(jù)在用焊接絕熱氣瓶的特點設(shè)計日蒸發(fā)率定檢方案，如圖1所示，方案中使用壓縮機抽取在用焊接絕熱氣瓶內(nèi)的高壓氣體，使焊接絕熱氣瓶內(nèi)的壓力降低，并與當(dāng)?shù)卮髿鈮阂恢?，利用在用焊接絕熱氣瓶本身處于熱穩(wěn)定狀態(tài)的特點，減少靜置熱穩(wěn)定過程的時間，有效縮短測量準(zhǔn)備時間；對于被測低溫介質(zhì)為可燃?xì)怏w的，設(shè)計安全系統(tǒng)，直接在使用場地進行現(xiàn)場測量，無需進行低溫介質(zhì)的置換以及從使用場地拆卸焊接絕熱氣瓶。

圖1 在用焊接絕熱氣瓶日蒸發(fā)率定檢測量簡圖

2.1 壓縮機系統(tǒng)

在用焊接絕熱氣瓶日蒸發(fā)率定檢測量中壓縮機系統(tǒng)用于將氣瓶中的高壓低溫氣體進行壓縮回收至貯氣瓶里，使得焊接絕熱氣瓶內(nèi)的壓力達到當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Γ瑸槿照舭l(fā)率的定檢測量做準(zhǔn)備。要求壓縮機正常工作壓力能覆蓋焊接絕熱氣瓶的工作壓力至當(dāng)?shù)卮髿鈮骸：附咏^熱氣瓶的最大工作壓力一般為1.6 MPa，最大容積為450 L，若測量時容器內(nèi)液態(tài)介質(zhì)按不少于60%計算，其內(nèi)部的氣體體積為180 L，為了縮短氣體壓縮時間，要求壓縮機的壓縮能力為200 L/min，使得焊接絕熱氣瓶內(nèi)部的氣體能夠在30 min內(nèi)通過壓縮機貯存在壓力為25 MPa左右的回收貯瓶里，待焊接絕熱氣瓶內(nèi)的壓力達到當(dāng)?shù)卮髿鈮簳r壓縮機停止工作。

2.2 氣體質(zhì)量流量計

根據(jù)測試條件可選用普通氣體質(zhì)量流量計(熱式)或濕式氣體質(zhì)量流量計，濕式氣體質(zhì)量流量計測試過程中需要進行加濕，整個設(shè)備體積較大，因此目前進行日蒸發(fā)率的測量均采用普通氣體質(zhì)量流量計。根據(jù)GB 24159—2009標(biāo)準(zhǔn)要求，容積為450 L焊接絕熱氣瓶的日蒸發(fā)率不超過1.8%/d，以液氮為例，經(jīng)換算其對應(yīng)的氣體質(zhì)量流量為3.62 L/min，按照定檢規(guī)范在用焊接絕熱氣瓶的日蒸發(fā)率不大于出廠值的2倍，因此在合格的情況下，在用焊接絕熱氣瓶日蒸發(fā)率測量的上限為7.24 L/min，為了確保氣體質(zhì)量流量計能夠滿足所有合格及大部分不合格焊接絕熱氣瓶日蒸發(fā)率的要求，可以選用測量上限為10 L/min，精度優(yōu)于1%氣體質(zhì)量流量計。

2.3 氣體回收處理系統(tǒng)

氣體回收處理系統(tǒng)包括回收貯氣瓶、燃燒器及阻火器?；厥召A氣瓶在初始階段用于貯存焊接絕熱氣瓶內(nèi)被壓縮機壓縮的高壓氣體，進行氣體的回收，減少氣體的浪費；待焊接絕熱氣瓶日蒸發(fā)率測量完成后，將回收貯氣瓶中的高壓氣體通過管道充裝至焊接絕熱氣瓶內(nèi)，使得絕熱氣瓶內(nèi)的壓力上升至其正常工作壓力范圍內(nèi)，確保測試完成后，焊接絕熱氣瓶內(nèi)貯存的介質(zhì)能夠立即使用。燃燒器是將通過流量計蒸發(fā)出來的可燃?xì)怏w進行燃燒，若焊接絕熱氣瓶內(nèi)充裝的氣體為可燃介質(zhì)，如LNG，其蒸發(fā)量非常小，在外部測試場地排放達不到要求的情況下，可以使用燃燒器將其燃燒排放，為了保證測試過程中燃燒的穩(wěn)定性，可采用有焰燃燒的方法；為了保證燃燒排放的安全，燃燒器的排氣使用足夠的空氣進行冷卻，使得從燃燒器排出的氣體溫度小于低溫介質(zhì)氣體的著火點溫度。并在測試現(xiàn)場配備滅火器，應(yīng)對意外的發(fā)生。阻火器是防止火焰的逆向傳播，雖然有焰燃燒是所有燃燒方式中最為穩(wěn)定且不易回火的方式，但為了確保測試現(xiàn)場的安全，在燃燒器與氣體質(zhì)量流量計之間設(shè)置阻火器。

2.4 安全系統(tǒng)

為了確保整個測試過程的安全，防止測試中可能出現(xiàn)的危險情況，設(shè)置安全設(shè)施，確保整個測試過程的安全，安全系統(tǒng)主要有可燃?xì)怏w探測報警器、滅火器、壓力表、溫度計等組成。

可燃?xì)怏w報警器需要根據(jù)不同的可燃?xì)怏w選取對應(yīng)的報警器，設(shè)置報警上限，在可燃?xì)怏w發(fā)生泄漏的情況下，及時進行報警提醒，以便采取應(yīng)對措施。滅火器是在發(fā)生意外著火的情況下，測試人員及時使用滅火器撲滅明火，確保測試現(xiàn)場的安全。壓力表設(shè)置在高壓貯氣瓶接嘴處，設(shè)置有2個壓力表，1個用于監(jiān)測高壓氣瓶內(nèi)氣體的壓力，1個用于檢測定檢測量完成后將回收貯氣瓶內(nèi)的氣體回灌至焊接絕熱氣瓶時的壓力，確?；毓鄩毫Ψ虾附咏^熱氣瓶使用要求。溫度計用于監(jiān)測測試管道內(nèi)的氣體，確保被測氣體的溫度滿足流量計測量的要求。

3 測試數(shù)據(jù)

在用焊接絕熱氣瓶的日蒸發(fā)率定檢測量過程中，采集的數(shù)據(jù)主要有焊接絕熱氣瓶壓力pw(Pa)、大氣壓力pa(Pa)、環(huán)境溫度ta(℃)、氣體質(zhì)量流量計累計流量Vc(m3)、測試時長t(min)。在用焊接絕熱氣瓶的測試日蒸發(fā)率α0(%/d)由公式(1)[6]計算：

(1)

式中，ρl為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下飽和液體的密度；V為被測焊接絕熱氣瓶有效容器；ψ為氣體質(zhì)量流量計校準(zhǔn)系數(shù)，標(biāo)定時給定值；qm為蒸發(fā)氣體質(zhì)量流量日平均值，由公式(2)計算。

(2)

式中，ρg為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下氣體的密度。

根據(jù)國標(biāo)要求，測試日蒸發(fā)率值需要進行溫度及壓力修正，修正后的測試日蒸發(fā)率值為焊接絕熱氣瓶日蒸發(fā)率最終值α20，由公式(3)[6]計算：

(3)

4 結(jié) 語

在用焊接絕熱氣瓶日蒸發(fā)率定檢測量是定檢規(guī)范規(guī)定的必測項目之一，相對于目前正在執(zhí)行的國標(biāo)測試流程，在用焊接絕熱氣瓶日蒸發(fā)率的定檢測量方案充分利用了在用焊接絕熱氣瓶熱穩(wěn)定性的特點，考慮了測試中氣瓶內(nèi)貯存介質(zhì)性質(zhì)，使用壓縮機等設(shè)備快速達到可以進行日蒸發(fā)率測量的條件。對于可能存在危險的測試低溫介質(zhì)，配備安全系統(tǒng)，當(dāng)測試存在危險時，能夠及時報警并處理，在完成日蒸發(fā)率測試的同時確保測試人員及設(shè)備的安全。

[1] 黃永華，陳國邦.低溫流體熱物理性質(zhì)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2014.

[2] 陳國邦，包銳，黃永華.低溫工程技術(shù)[M].數(shù)據(jù)卷.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[3] 華自強，張忠進.工程熱力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[4] 陳叔平，任永平，等.撬裝式LNG汽車加氣站的應(yīng)用[J]. 燃?xì)馀c熱力，2010，30(10)：B11-B14.

[5] 朱保國，李曉明，宋啟祥，等.液化天然氣儲罐安全技術(shù)分析[J].石油化工設(shè)備，2010，39(1)：86-89.

[6] GB/T 18443.5—2010真空絕熱深冷設(shè)備性能試驗方法.第5部分：靜態(tài)蒸發(fā)率測量[S].

[7] GB/T 18443.5—2001 低溫絕熱壓力容器試驗方法 靜態(tài)蒸發(fā)率測量[S].

[8] GB 24159—2009 焊接絕熱氣瓶[S].

Using Welded Insulated Cylinders Static Evaporation Rate Measure Periodic

LI Zhengqing，HE Dan，CAI YUhong，LI Xiaojin，LIU Xiaowen，WANG Tiangang

(Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China)

It is an important performance that static evaporation rate measure periodic of using welded insulated cylinders. According to characters of heat stabilization/cryogenic liquid and installment of using welded insulated cylinders, the paper put forward the project of static evaporation rate measure periodic. Comparing to the method of national standard, it made full use of characters of using welded insulated cylinders, created the condition to measure, cut the time to prepare and process to measure. In the data processing, it gave the result base on measuring data, which was convenience to contrast national standard.

welded insulated cylinders；evaporation rate；measurement；project

2016-07-26

TQ051.3

B

1007-7804(2016)05-0038-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2016.05.011

李正清(1984)，男，工程師，碩士研究生，研究方向：真空低溫技術(shù)。