郝 偉

(大連鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院有限公司，遼寧 大連 116013)

1 前 言

隨著國民經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，作為國民經(jīng)濟基礎(chǔ)要素之一的工業(yè)氣體，其作用和地位日益顯著，被喻為工業(yè)的“血液”。由于氣體具有較高的氣液體積比，將氣體液化后以液體形態(tài)進行存儲與運輸更為高效。低溫絕熱技術(shù)在工業(yè)氣體液化后的儲運中起著至關(guān)重要的作用。固定式真空絕熱壓力容器是一種常見的用于儲存深冷液化氣體的壓力容器，在液氧、液氮、液氬、液化天然氣、液化二氧化碳等一般工業(yè)液化氣體的存儲與使用環(huán)節(jié)應(yīng)用十分廣泛。固定式真空絕熱壓力容器采用雙層金屬殼、真空夾套式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式不同于常規(guī)壓力容器，定期檢驗具有一定特殊性。

2 低溫絕熱技術(shù)概述

將工業(yè)氣體液化的最大好處是可以使體積減小很多，方便存儲和運輸。使氣體液化的方法有兩種，一是降低溫度，二是壓縮體積(即加壓)。每種氣體都有一個特定的溫度，在該溫度以上，無論加壓到多高的壓力來壓縮體積，該氣體都不會液化，只有當(dāng)氣體溫度降低到這個溫度以下時才能液化，這個特定的溫度稱為該氣體的臨界溫度。在臨界溫度下，能夠使氣體液化所需要的最小壓力則稱為臨界壓力。臨界溫度和臨界壓力都是物質(zhì)的特定參數(shù)。

任何氣體均可采用降低溫度的方法進行液化，只要氣體溫度降到足夠低時都可以液化；如果氣體溫度高于其臨界溫度，則無法采用壓縮體積方法進行液化，這時無論加以多高的壓力，都無法使氣體液化。因此要想使氣體液化，首先要將溫度降低到其自身的臨界溫度以下。有些氣體的臨界溫度很低，如氧氣、氮氣、氬氣、氫氣等，臨界溫度均在-100℃以下，要使這些氣體液化，需要利用一定的低溫技術(shù)，使這些氣體可以達到它們各自的臨界溫度以下，然后再采用增大壓強、壓縮體積的方法使其液化。在實際應(yīng)用中，常常將降溫和加壓兩種方法聯(lián)合使用，來使氣體液化。

由傳熱學(xué)知識，我們知道熱量的傳遞有三種方式：熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射。低溫絕熱的目的在于設(shè)法將外界環(huán)境通過上述三種傳熱方式傳遞給低溫裝置的熱量盡量減少，以維持低溫介質(zhì)的低溫狀態(tài)。

低溫絕熱分為非真空絕熱和真空絕熱兩大類型。非真空絕熱也稱普通絕熱或堆積絕熱，是一種沿用高溫保溫方法的絕熱方式，即在低溫物體的外表面堆積或包覆一定厚度的絕熱材料以起到絕熱保冷作用。真空絕熱則是將絕熱空間(夾層空間)抽至一定真空度的絕熱形式。真空絕熱又分為高真空絕熱(單純真空絕熱)、真空粉末絕熱、高真空多層絕熱等類型。高真空絕熱即單純真空絕熱，一般將夾層空間抽真空至1.33×10-3Pa以下的絕對壓強，以消除氣體的熱對流和絕大部分的氣體熱傳導(dǎo)[1]。真空粉末絕熱是在夾層空間內(nèi)抽至一定真空并填充多孔微粒絕熱材料的絕熱方式，多孔微粒絕熱材料為粉末或纖維，常用的有膨脹珍珠巖(珠光砂)、氣凝膠，以膨脹珍珠巖(珠光砂)最為常見。真空粉末絕熱對真空度的要求不高，其絕對壓強一般為1 Pa左右[1]。高真空多層絕熱是在夾層空間內(nèi)多層交替組合設(shè)置具有高反射能力的輻射屏和具有低熱導(dǎo)率的間隔材料，并且在夾套空間內(nèi)抽至高真空所形成的絕熱方式，其真空度與高真空絕熱量級大體相當(dāng)，是效率最高的絕熱方式，有“超級絕熱”之稱[2]。各種絕熱形式的優(yōu)點和缺點如表1所示。

表1 不同絕熱方式的優(yōu)缺點[1-2]Table 1 The advantages and disadvantages of different insulation methods

真空粉末絕熱，由于所要求的真空度不高，且絕熱效率較高，其絕熱性能比堆積絕熱高約兩個數(shù)量級、比高真空絕熱高約一個數(shù)量級，因此在低溫設(shè)備中得到了普遍應(yīng)用，廣泛應(yīng)用于大中型低溫液體壓力容器中[1]。

3 固定式真空絕熱壓力容器常見結(jié)構(gòu)簡介

固定式真空絕熱壓力容器，是一種采用雙層真空夾套式結(jié)構(gòu)的固定式壓力容器，用于儲存冷凍液化氣體，主要由儲存內(nèi)容器和維持真空絕熱空間的外殼組成，此外還有夾層內(nèi)連接內(nèi)容器和外殼的支撐結(jié)構(gòu)、管路系統(tǒng)、以及安全附件、閥門、儀表等裝置。固定式真空絕熱壓力容器最常采用的絕熱方式為真空粉末絕熱，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 固定式真空絕熱壓力容器常見結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The common structure diagram of stationary vacuum insulated pressure vessel

內(nèi)容器用于盛裝深冷液化氣體，一般采用奧氏體不銹鋼材質(zhì)。外殼用于維持夾套絕熱層的真空，通過防止熱量從外部侵入而防止內(nèi)容器內(nèi)壓力升高，外殼常選用低合金鋼材質(zhì)。外殼上設(shè)置的主要結(jié)構(gòu)有防爆裝置、抽真空裝置、真空測量裝置以及內(nèi)容器引出管路的固定構(gòu)件等[3]。內(nèi)容器與外殼間的夾套內(nèi)設(shè)置有支撐結(jié)構(gòu)，用來使內(nèi)容器懸掛于外殼之中，為減少內(nèi)容器與外殼通過支撐元件傳導(dǎo)的熱量，通常選用熱導(dǎo)率小的材料、增加支撐件長度、減小支撐件橫截面積等方法[4]。管路系統(tǒng)一般包括：頂部噴淋充液管路、底部充液與出液管路、超壓泄放管路、放空管路、增壓管路、溢流管路、液位測量管路、壓力測量管路等，以滿足充液、出液、泄壓、放空、增壓、溢流、液位測量、壓力測量等使用要求[5]。上述管路系統(tǒng)均從內(nèi)容器引出，經(jīng)夾套空間并穿過外殼，在殼體以外連接相應(yīng)閥門、附件或儀表等。

從內(nèi)容器中將液化氣體輸送出來一般有三種方法：用氣體加壓、用液體泵或用自增壓器，絕大多數(shù)采用自增壓器的方法。這種方法是在容器底部設(shè)置一個氣化器，利用內(nèi)容器中的液體靜壓頭來強制液體通過氣化器后氣化，并產(chǎn)生一定的壓力再進入內(nèi)容器，利用氣化增壓的氣體排出內(nèi)容器中的液體[6]。

4 固定式真空絕熱壓力容器定期檢驗探討

4.1 定期檢驗項目的設(shè)定

固定式真空絕熱壓力容器的定期檢驗應(yīng)依據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》(以下簡稱《固容規(guī)》)第8章的相關(guān)要求進行，但《固容規(guī)》是通用性規(guī)范，對于真空絕熱壓力容器僅提到了夾層真空度檢驗和日蒸發(fā)率測量這兩種補充檢驗，并未明確其他的通用檢驗項目是否必須執(zhí)行以及如何執(zhí)行。關(guān)于固定式真空絕熱壓力容器定期檢驗，目前沒有專項的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，僅有安徽、山東、河南、重慶等少數(shù)省市出臺了推薦性的專項地方標(biāo)準(zhǔn)，更多需要檢驗機構(gòu)或檢驗人員根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點制定具體而有針對性的檢驗工藝或檢驗方案。

固定式真空絕熱壓力容器的內(nèi)容器和外殼一般均不設(shè)人孔或檢查孔，無法進入內(nèi)部檢驗內(nèi)容器及內(nèi)部管路的損傷情況?！豆倘菀?guī)》中關(guān)于金屬壓力容器定期檢驗項目中的壁厚測定、表面缺陷檢測、埋藏缺陷檢測、材料分析和強度校核，如要實施只能對外殼進行，上述檢驗項目可能發(fā)現(xiàn)的嚴(yán)重問題，完全可以通過宏觀檢查和真空度測試兩個項目反映出來，沒有必要作為必檢項目，僅在宏觀檢驗、真空度測試、或日常使用過程發(fā)現(xiàn)異常情況時有針對性的進行即可。另外，對于泄漏試驗和耐壓試驗，無論內(nèi)容器還是外殼發(fā)生泄漏或開裂，夾套的真空度都無法維持，外殼會出現(xiàn)潮濕、跑冷、結(jié)露、結(jié)霜等異?，F(xiàn)象，并且若存在微量泄漏，也可以通過真空度的測試來判斷[7]。況且泄漏試驗和耐壓試驗的成本較高，受檢企業(yè)實施起來存在一定困難，因此不建議在固定式真空絕熱壓力容器定期檢驗時進行泄漏試驗和耐壓試驗。對于夾層真空度和日蒸發(fā)率，《固容規(guī)》在第8.3.4條中明確指出“夾層上裝有真空測試裝置的，檢驗夾層的真空度；夾層上未裝真空測試裝置的，必要時進行壓力容器日蒸發(fā)率測量[8]。”日常檢驗中，遇到的絕大部分固定式真空絕熱壓力容器均裝有真空規(guī)管，可進行夾層真空度的檢測。真空度僅能反映出絕熱容器避免熱對流的能力，無法反映熱傳導(dǎo)和熱輻射的情況，且數(shù)值還受到內(nèi)容器所裝介質(zhì)情況的影響。相比而言，日蒸發(fā)率更能全面反映真空絕熱容器的絕熱性能，但日蒸發(fā)率的測量費時費力、檢驗成本較高，對于極少數(shù)未裝真空測試裝置的，筆者認(rèn)為只要在日常使用及宏觀檢驗中未發(fā)現(xiàn)異常情況，則無需進行日蒸發(fā)率測量。

綜上所述，為避免對固定式真空絕熱壓力容器缺乏針對性的過度檢驗，其定期檢驗項目應(yīng)以宏觀檢驗、安全附件檢驗、真空度檢驗為主，必要時進行日蒸發(fā)率測量、壁厚測定、表面缺陷檢測、埋藏缺陷檢測、材料分析、強度校核、泄漏試驗、耐壓試驗等項目。對于固定式真空絕熱壓力容器的定期檢驗，不能機械地設(shè)定檢驗項目，檢驗人員在審查相關(guān)出廠質(zhì)量證明文件后，還應(yīng)通過查閱運行記錄和與使用者交流的方式，對使用情況進行了解，重點了解使用過程中有無異常結(jié)霜、結(jié)露現(xiàn)象，以及安全閥是否頻繁起跳、爆破片是否經(jīng)常破裂更換的情況，有針對性地檢驗和分析。

4.2 主要定期檢驗項目的檢驗要點

4.2.1宏觀檢驗

固定式真空絕熱壓力容器的宏觀檢驗，除按《固容規(guī)》第8.3.2條對宏觀檢驗的通用要求，實施其中可以進行的檢驗內(nèi)容外，還應(yīng)重點檢驗以下內(nèi)容：

1.外殼的表面油漆是否完好，有無腐蝕、破損、變形、機械損傷；

2.外殼(特別是頂部和底部)有無潮濕、跑冷、結(jié)霜、結(jié)露等異常情況；

3.外殼焊縫、外殼與內(nèi)容器引出管連接的角焊縫、氣液相管與蒸發(fā)器連接的角焊縫等連接處是否存在滲漏；

4.可見的管路系統(tǒng)有無泄漏、腐蝕、變形等異常情況；

5.各閥門有無泄漏、破損。

4.2.2安全附件檢驗

固定式真空絕熱壓力容器的安全附件檢驗，除按《固容規(guī)》第8.3.12條要求檢驗安全閥是否在校驗有效期內(nèi)、爆破片裝置是否按期更換外，還應(yīng)檢查爆破片的安裝方向是否正確，并對爆破片進行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)有劃傷、變形損壞的應(yīng)立即更換。

關(guān)于爆破片的更換周期，GB 567.2—2012《爆破片安全裝置 第2部分：應(yīng)用、選擇與安裝》規(guī)定可由爆破片的制造單位確定更換周期，或可由使用單位根據(jù)經(jīng)驗自行確定爆破片的更換周期，同時規(guī)定以下三種情況應(yīng)更換爆破片[9]：

1.超過最小爆破壓力而未爆破的爆破片應(yīng)立即更換；

2.設(shè)備檢修且拆卸的爆破片應(yīng)更換；

3.苛刻條件或重要場合下使用的爆破片應(yīng)每年定期更換。

4.2.3真空度檢驗

目前，大多數(shù)固定式真空絕熱壓力容器均在夾套外殼上裝有真空規(guī)管，一種測量真空度的傳感器，真空規(guī)管與夾套之間裝設(shè)有真空隔離閥。真空絕熱容器上常見的真空規(guī)管為熱偶型真空規(guī)管，測量時，利用外接的熱偶真空計通電給真空規(guī)管內(nèi)的加熱絲，加載一個穩(wěn)定不變的加熱電源，根據(jù)氣體分子傳導(dǎo)熱量的能力越小則真空度越高的原理，間接把真空度測量出來。

常用的熱偶型真空規(guī)管有4種型號，其中進口的兩種：DV-4和DV-6，國產(chǎn)的2種：ZJ-51和ZJ-54。這兩種進口真空規(guī)管具有自適應(yīng)功能，測量時無需在熱偶真空計中設(shè)置加熱電流數(shù)值，連接上即可測量；而這兩種國產(chǎn)真空規(guī)管，測量時需要按規(guī)管標(biāo)簽中給定的加熱電流在真空計中設(shè)置相應(yīng)加熱電流值[10]。早期的真空絕熱容器一般裝設(shè)的是國產(chǎn)型號的真空規(guī)管，最近10 a內(nèi)制造的真空絕熱容器一般裝設(shè)的是進口型號的真空規(guī)管。

測量低溫絕熱容器夾套內(nèi)的真空度時，注意在測量前打開夾套與真空規(guī)管之間的隔離閥，否則測量出來的僅僅是真空規(guī)管與隔離閥之間的真空度；測量結(jié)束后再將隔離閥關(guān)閉擰緊。

5 結(jié)束語

固定式真空絕熱壓力容器對真空夾套的絕熱性能有特殊要求，具有內(nèi)容器結(jié)構(gòu)不可見的特點，無法對內(nèi)容器實施直接檢驗，與常規(guī)容器相比，有一些定期檢驗項目并不適用，因此，其定期檢驗存在一定難度[11]。了解低溫絕熱技術(shù)的基礎(chǔ)知識、掌握真空絕熱容器的結(jié)構(gòu)形式，有助于檢驗人員科學(xué)實施固定式真空絕熱壓力容器的定期檢驗工作，避免過度檢驗。

關(guān)于固定式真空絕熱壓力容器的定期檢驗，期待能在安全技術(shù)規(guī)范中以附錄形式進行專項規(guī)定，或能頒布專項的國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，同時也期待例如紅外熱成像[12]這樣新的檢驗檢測技術(shù)盡早被法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)采納，予以應(yīng)用。