宋 健， 趙 斐

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所， 北京 100074）

0 引言

真空多層絕熱管一般由內(nèi)管、外管、真空法蘭、纏繞層、吸附劑、抽空咀、支撐、擋環(huán)等幾個(gè)部件組成[1]，主要依靠?jī)?nèi)管與外管之間的高真空環(huán)境， 極大地減少內(nèi)管介質(zhì)與外部環(huán)境的換熱，從而大幅降低管內(nèi)介質(zhì)汽化，保證了低溫流體（如液氫、液氧、液氮、液化天然氣等）在運(yùn)輸中的經(jīng)濟(jì)性，具有極為重要的作用。

1 氣體熱沖洗工藝

1.1 氣體熱沖洗工藝簡(jiǎn)介

真空管道夾層的真空度對(duì)其絕熱性能起著決定性作用，夾層的真空則靠真空系統(tǒng)的抽氣來(lái)完成，真空排氣工藝經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，目前已經(jīng)有單純排氣工藝、抽空加熱排氣工藝、空氣預(yù)加熱排氣工藝、氣體熱沖洗排氣工藝和間斷排氣工藝幾種[2]。

氣體熱沖洗工藝的步驟是： ①把管道在空氣中預(yù)加熱到80℃；②使用機(jī)械泵對(duì)管道夾層抽真空，待夾層真空度達(dá)到10-1～20Pa；③暫時(shí)停止抽真空，使用易脫附的、具有一定溫度（100℃左右）的無(wú)害干燥氣體（一般為氦、氮、氬、二氧化碳等）充入，并保持微正壓；④重復(fù)上述第2、3步，反復(fù)進(jìn)行2～4 次，在進(jìn)行的過(guò)程中繼續(xù)加熱到達(dá)允許的溫度100～120℃；⑤充氣過(guò)程完成后，進(jìn)行正式抽氣，直至夾層動(dòng)態(tài)、靜態(tài)真空度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

1.2 氣體熱沖洗工藝優(yōu)越性

1.2.1 充入氣體對(duì)夾層氣體的置換、脫附作用

真空多層絕熱管的夾層在抽真空之前， 夾層氣體成分主要為空氣，夾層內(nèi)的絕熱材料、吸附劑、支撐等部件會(huì)吸附部分水蒸氣。 一般的排氣工藝由于在抽空時(shí)流阻很大[3]，很難將大部分水蒸氣抽出，而氣體熱沖洗工藝的第一步，就是加熱管道，并使用機(jī)械泵預(yù)抽真空，將夾層空間內(nèi)的空氣以及材料表面吸附的部分水蒸氣抽出，后續(xù)幾步反復(fù)充入干燥惰性氣體， 是在逐步使夾層空間以及材料表面的氣體成分發(fā)生變化， 進(jìn)一步地使夾層原有的水蒸氣與空氣成分被抽出。

1.2.2 充入氣體具有裹挾作用

在真空多層絕熱管的夾層空間中，內(nèi)管外壁上往往纏繞著20～30 層的絕熱材料，一般的排氣工藝在抽真空時(shí)需要克服很大的排氣阻力，夾層內(nèi)的一些小的氣體分子和水蒸氣很難被抽出。氣體熱沖洗工藝在向夾層中充入氣體的過(guò)程中，對(duì)管道整體進(jìn)一步升溫，微觀層面上，夾層內(nèi)的惰性氣體分子動(dòng)能升高，平均自由程變短，碰撞更加頻繁，可以將絕熱層間部分難以被抽出的氣體攜帶出來(lái)，再被機(jī)械泵排出，有利于降低管道夾層的絕對(duì)壓力。

1.2.3 充入氣體具有傳熱作用

真空多層絕熱管在組焊之前， 其夾層內(nèi)的材料如：絕熱層、吸附劑、支撐、擋環(huán)等，已經(jīng)在高溫烘箱內(nèi)進(jìn)行過(guò)烘烤， 目的是除去這些材料吸附的水蒸氣與氫氣，但是在絕熱層包覆、真空管組焊過(guò)程中，這些材料不可避免地會(huì)吸附空氣中的水蒸氣和其他成分，這些成分在常溫條件下不易脫附，往往需要在較高的溫度（100～120℃）下才可以脫附，然而由于真空管本身具有一定的絕熱性能，在真空管裝配完成后再加熱夾層，需要耗費(fèi)更多的資源，加熱效率也較低。 在夾層中多次充入具有一定溫度的氣體，氣體分子與夾層內(nèi)部件直接接觸，可以利用氣體分子的傳熱作用， 充分加熱夾層內(nèi)的絕熱材料、 吸附劑、支撐等部件，高溫可以加速這些材料的放氣，從而降低夾層在抽真空時(shí)的流阻，再配合氣體分子的席卷作用，可以大大減少真空絕熱管道的抽空時(shí)間， 同時(shí)又能提高管道的抽空質(zhì)量。

總之對(duì)于真空多層絕熱管道而言， 氣體熱沖洗排氣工藝具有作用直接、吸附劑活化效果好、抽空后夾層壓力低、漏放氣速率小以及真空壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。

2 某車(chē)間真空管道生產(chǎn)現(xiàn)狀

某真空多層絕熱管道生產(chǎn)車(chē)間采用了氣體置換沖洗工藝，對(duì)車(chē)間已交付的10 根不同規(guī)格的真空管的抽真空時(shí)間、封口真空度、漏放氣速率、理論真空壽命、實(shí)際真空壽命進(jìn)行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如下：

由表1 可以看出，某真空多層絕熱管道生產(chǎn)車(chē)間加工時(shí)的抽真空時(shí)間較長(zhǎng)，封口真空度和漏放氣速率整體符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，但是在行業(yè)內(nèi)，封口真空度較高，漏放氣速率較大，相應(yīng)的真空壽命也偏小。 分析原因主要有兩點(diǎn)。

表1 已交付產(chǎn)品信息統(tǒng)計(jì)

2.1 管道加熱能力不足

真空多層絕熱管道的加熱方式為： 在外管的外壁纏繞加熱帶，在內(nèi)管放入加熱棒，設(shè)定溫度為100℃，通電加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)管道整體的加熱， 如圖1 所示。 在生產(chǎn)過(guò)程中，內(nèi)管加熱棒的溫度很快便能達(dá)到100℃，但外管加熱帶由于是直接暴露在空氣中的，散熱嚴(yán)重，溫度始終維持在65℃左右，管道預(yù)熱的溫度不足。

圖1 先前真空管道加熱實(shí)施圖

此外，內(nèi)管也會(huì)出現(xiàn)加熱不均勻的情況。 為了使加熱棒的熱量利用效率更高， 在加熱棒上每隔一段距離設(shè)置了翅片增加導(dǎo)熱，如圖2 所示，翅片與內(nèi)管接觸的部分，由于持續(xù)的加熱，溫度會(huì)比其他部分高出很多， 造成內(nèi)管加熱不均勻的情況， 有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)熱變形，對(duì)真空絕熱管道生產(chǎn)質(zhì)量是一種隱患。

圖2 加熱棒示意圖

2.2 充入氣體溫度不高

真空多層絕熱管在生產(chǎn)的過(guò)程中， 充入的為常溫CO2氣體， 氣體需要到達(dá)管道夾層后再被加熱， 加熱速度較慢，效果也較差，夾層內(nèi)的絕熱材料與吸附劑無(wú)法被充分加熱，造成抽真空的效果較差，管道夾層的綜合漏放氣速率較高。

3 烘房對(duì)真空管品質(zhì)的提升作用

3.1 烘房設(shè)備的提出

烘房是具有一定封閉性的供熱設(shè)備，多用于電機(jī)、電氣、涂料、食品加工等行業(yè)，烘房?jī)?nèi)部有熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，保證烘房?jī)?nèi)溫度分布均勻。 如果應(yīng)用于車(chē)間的真空絕熱管道加工，在管道抽真空時(shí)，可以把管道放在烘房中整體加熱，在烘房外壁上預(yù)留開(kāi)孔，以供真空機(jī)組抽真空管路與抽空咀連接。 此時(shí)，在整個(gè)真空絕熱管的生產(chǎn)過(guò)程中，都處在較高的預(yù)設(shè)溫度下，夾層內(nèi)水蒸氣、空氣等雜質(zhì)氣體充分被排出，真空管道的產(chǎn)品質(zhì)量也更好。

本次選用的烘房啟動(dòng)功率為70 kW， 穩(wěn)定運(yùn)行功率為20 kW，烘房?jī)?nèi)溫度可以保持為30℃～150℃，烘房可同時(shí)完成30 根大小不同的真空管道同時(shí)加熱處理，外觀形狀如圖3 所示。

圖3 烘房外觀圖

3.2 烘房對(duì)真空管道生產(chǎn)工藝的提升

烘房對(duì)車(chē)間真空多層絕熱管道生產(chǎn)工藝的提升，主要為管道加熱溫度提高。 生產(chǎn)過(guò)程中溫度的提高，有利于促進(jìn)管道夾層內(nèi)放氣，降低夾層的綜合漏放氣速率。

烘房加入真空管道生產(chǎn)工藝后，在管道預(yù)熱階段，將烘房?jī)?nèi)溫度調(diào)至85℃，穩(wěn)定后使用機(jī)械泵預(yù)抽真空，氣體置換階段，則把烘房溫度調(diào)至110℃。與此同時(shí)，對(duì)參與置換的CO2充入氣體管路進(jìn)行了改造， 如圖4 所示，CO2在進(jìn)入夾層之前會(huì)先經(jīng)過(guò)一段位于烘房?jī)?nèi)的管路， 烘房?jī)?nèi)循環(huán)流動(dòng)的高溫空氣吹向管路，對(duì)管內(nèi)CO2加熱，隨后，更加高溫的CO2進(jìn)入真空管道夾層，與夾層內(nèi)絕熱材料、支撐環(huán)、吸附劑充分接觸換熱。 而之前的工藝，在置換過(guò)程中，需要先耗費(fèi)大量的時(shí)間對(duì)夾層內(nèi)的CO2加熱，隨后再混合，浪費(fèi)了大量的時(shí)間。 對(duì)從夾層中抽出的氣體溫度進(jìn)行了檢測(cè)，并進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2 所示。

圖4 CO2 改造管路系統(tǒng)示意圖

表2 夾層溫度的變化

3.3 工藝改進(jìn)后數(shù)據(jù)與之前的對(duì)比

烘房加入了真空絕熱管道的生產(chǎn)工藝后， 車(chē)間在新工藝下生產(chǎn)了一批真空多層絕熱管道， 抽取了其中10根，對(duì)管道的一些生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表3 所示。 管道的平均抽空時(shí)間從30 天下降為18 天， 相比之前減少了40%；平均的封口真空度由7.43×10-4Pa 降至5.69×10-4Pa，下降了23.42%；平均的漏放氣速率從6.52×10-6Pa·L/s 下降至4.87×10-6Pa·L/s，下降了25.31%；平均理論真空壽命[4]由3.61 年提升至4.89 年，增長(zhǎng)了35.45%。

表3 烘房加入后真空管道的產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

烘房的加入使得真空多層絕熱管道在生產(chǎn)過(guò)程中加熱溫度大幅提高，更加接近設(shè)定水平，且加熱溫度均勻穩(wěn)定，使得管道夾層內(nèi)氣體排氣充分，降低了成品管道的漏放氣速率。

烘房的加入為管道生產(chǎn)的氣體置換過(guò)程提供了更高溫的置換氣體，減少了置換氣體加熱的時(shí)間，同時(shí)，由于夾層在高溫環(huán)境下放氣充分， 同等條件的真空機(jī)組可以更快將夾層內(nèi)的真空條件抽至設(shè)定要求， 為生產(chǎn)班組節(jié)約更多的能源成本與人力成本。