黃政賢，何遠(yuǎn)新，王紅星，黃圣，胡海濱，劉鳳偉，任元國(guó)

流體儲(chǔ)運(yùn)裝備真空測(cè)量裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證

黃政賢1，何遠(yuǎn)新1，王紅星2，黃圣1，胡海濱1，劉鳳偉1，任元國(guó)3

（1.中車(chē)長(zhǎng)江車(chē)輛有限公司，武漢 430212；2.天津科技大學(xué)，天津 300457；3.成都國(guó)光電氣有限公司，成都 611800）

對(duì)新型流體儲(chǔ)運(yùn)裝備真空測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)研究，解決傳統(tǒng)裝置存在的量程不足、殘留氣體內(nèi)漏等問(wèn)題，驗(yàn)證裝置漏率在環(huán)境試驗(yàn)中的變化，同時(shí)開(kāi)展批量安裝及真空測(cè)量應(yīng)用。運(yùn)用FEM對(duì)新型真空測(cè)量裝置的受力進(jìn)行分析；采用氦質(zhì)譜儀泄漏檢測(cè)技術(shù)對(duì)環(huán)境試驗(yàn)前后的新型真空測(cè)量裝置以及傳統(tǒng)樣品的漏率進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。新型真空測(cè)量裝置的初始漏率達(dá)到10?10Pa·m3/s；經(jīng)過(guò)環(huán)境試驗(yàn)后新型真空測(cè)量裝置的漏率未發(fā)生明顯變化，傳統(tǒng)裝置的漏率在環(huán)境試驗(yàn)后明顯上升。新型真空測(cè)量裝置所采用的熱電偶&熱陰極復(fù)合真空規(guī)，實(shí)現(xiàn)了流體儲(chǔ)運(yùn)裝備夾層的真空度全量程測(cè)量，并滿(mǎn)足易燃介質(zhì)儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中的電氣防爆要求。所增加的補(bǔ)抽真空結(jié)構(gòu)可以有效防止真空測(cè)量裝置的殘留氣體內(nèi)漏。所采用的“CF法蘭+無(wú)氧銅”密封結(jié)構(gòu)具有很好環(huán)境適應(yīng)性和較低的真空泄漏風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也首次通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了真空測(cè)量裝置的漏率在環(huán)境試驗(yàn)過(guò)程中的變化。

流體儲(chǔ)運(yùn)裝備；真空測(cè)量；真空密封；環(huán)境試驗(yàn)；漏率

在真空絕熱流體儲(chǔ)運(yùn)裝備的各項(xiàng)性能指標(biāo)中，夾層真空度通過(guò)影響真空絕熱系統(tǒng)的表觀(guān)熱導(dǎo)率從而影響產(chǎn)品的保溫性能，因而需在每個(gè)儲(chǔ)運(yùn)裝備上安裝一套真空測(cè)量裝置，用于測(cè)量夾層的真空度。真空泄漏所導(dǎo)致的真空失效將引發(fā)流體儲(chǔ)運(yùn)裝備壓力快速升高、罐體脹裂等重大安全事故[1-3]，真空測(cè)量裝置是集真空密封、真空測(cè)量、電氣安全等功能要求于一體的重要部件。國(guó)內(nèi)外研究表明流體儲(chǔ)運(yùn)裝備的真空測(cè)量不僅可以實(shí)時(shí)反映夾層的真空度[4-6]，還可應(yīng)用于真空絕熱材料的性能表征[7～8]，盧耀文等[9]還研制了一種寬量程真空計(jì)校準(zhǔn)裝置，可用于解決寬量程真空計(jì)的一次性校準(zhǔn)技術(shù)難題。

1 傳統(tǒng)真空測(cè)量裝置存在的不足

如圖1所示，傳統(tǒng)真空測(cè)量裝置由真空規(guī)、真空截止閥、防護(hù)套等組成。真空規(guī)與真空截止閥的連接采用“螺紋連接+膠粘合”密封結(jié)構(gòu)，即真空規(guī)通過(guò)NPT管螺紋與真空截止閥連接，并在螺紋表面均勻涂覆一層環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑，通過(guò)擰緊螺紋時(shí)膠粘劑與螺紋表面進(jìn)行緊密粘合，形成密封效果。傳統(tǒng)真空測(cè)量裝置經(jīng)過(guò)多年的大批量應(yīng)用，技術(shù)成熟可靠，但也存在量程小、殘留氣體內(nèi)漏等不足，在高真空多層纏繞絕熱容器中的測(cè)量應(yīng)用和真空規(guī)更換等方面存在不便。

圖1 傳統(tǒng)真空測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)原理

2 新型真空測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)

流體儲(chǔ)運(yùn)裝備真空測(cè)量裝置的應(yīng)用環(huán)境十分復(fù)雜，設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)充分考慮運(yùn)行工況、儲(chǔ)運(yùn)介質(zhì)的危險(xiǎn)特性以及應(yīng)用環(huán)境[10]的影響。新型真空測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)主要包括量程、防內(nèi)漏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及真空密封結(jié)構(gòu)的選擇等方面。

2.1 運(yùn)行環(huán)境分析

影響真空測(cè)量裝置應(yīng)用的主要環(huán)境因素有使用溫度、最大慣性載荷和腐蝕環(huán)境。在我國(guó)境內(nèi)，對(duì)于固定儲(chǔ)罐、公路罐車(chē)，以及罐箱等真空絕熱流體儲(chǔ)運(yùn)產(chǎn)品，其最低使用溫度為?40 ℃；在慣性載荷方面，固定儲(chǔ)罐不存在慣性載荷，公路罐車(chē)以及公路罐箱的最大慣性載荷為2(為設(shè)備質(zhì)量、為重力加速度，下同)，鐵公海聯(lián)運(yùn)罐箱的最大載荷為4。隨著我國(guó)LNG多式聯(lián)運(yùn)物流新模式的興起[11-12]，LNG罐箱在海洋環(huán)境中運(yùn)行越來(lái)越頻繁，真空測(cè)量裝置的耐海洋鹽霧腐蝕成為必須考慮的問(wèn)題。

2.2 儲(chǔ)運(yùn)介質(zhì)危險(xiǎn)特性分析

幾種常見(jiàn)儲(chǔ)運(yùn)介質(zhì)的主要危險(xiǎn)特性見(jiàn)表1。從表1可以看出，一方面，真空絕熱流體儲(chǔ)運(yùn)裝備所裝載的介質(zhì)均為極低沸點(diǎn)的深冷液體，具有很高的膨脹比，真空夾層失效將導(dǎo)致裝載的介質(zhì)吸熱后在短時(shí)間內(nèi)快速膨脹，進(jìn)而引起罐體脹裂，介質(zhì)泄漏等安全事故和財(cái)產(chǎn)損失，同時(shí)還會(huì)引發(fā)冷灼傷及人員窒息等次生傷害，因此真空測(cè)量裝置在長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用過(guò)程中的密封可靠性要求非常高；另一方面，LNG等介質(zhì)還具有易燃易爆的特性，靜電火花即可引燃，因此所選用的真空規(guī)還應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的防爆要求。

表1 常見(jiàn)儲(chǔ)運(yùn)介質(zhì)的危特性

Tab.1 Hazard characteristics of common storage & transportation media

2.3 真空測(cè)量裝置量程設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)真空測(cè)量裝置所采用的熱偶式真空規(guī)測(cè)量上限為0.1 Pa，而真空絕熱流體儲(chǔ)運(yùn)裝備的夾層封結(jié)真空度一般為0.01 Pa，工作時(shí)的冷態(tài)真空度更是達(dá)到0.1 mPa，需采用電離規(guī)進(jìn)行測(cè)量，冷陰極電離規(guī)由于工作時(shí)放電電壓非常高[13]，在LNG等易燃易爆介質(zhì)儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備中無(wú)法使用。

為解決傳統(tǒng)真空測(cè)量裝置的量程不足，同時(shí)保障流體儲(chǔ)運(yùn)裝備的應(yīng)用安全，新型真空測(cè)量裝置采用熱電偶&熱陰極復(fù)合真空規(guī)。在低真空段，根據(jù)氣體分子從熱電阻絲帶走的熱量換算成真空度，最高真空度測(cè)量值不超過(guò)0.1 Pa；在高真空段，根據(jù)熱電子發(fā)射原理，通過(guò)加熱燈絲釋放的熱電子在電場(chǎng)中加速撞擊氣體分子產(chǎn)生陽(yáng)離子，通過(guò)收集的陽(yáng)離子數(shù)換算成真空度，真空度測(cè)量上限可達(dá)1×10?5Pa。熱陰極電離規(guī)工作時(shí)不存在高壓放電現(xiàn)象，同時(shí)電子遷移所產(chǎn)生的電流密度非常小[14]，達(dá)到本安防爆要求，安全性比較高。

2.4 真空測(cè)量裝置防內(nèi)漏設(shè)計(jì)

從圖1可以看出，真空規(guī)與真空截止閥組裝連接后，在真空規(guī)與截止閥之間存在的殘留氣體無(wú)法去除，當(dāng)更換真空規(guī)或打開(kāi)截止閥測(cè)量真空度時(shí)，殘留的氣體將全部通過(guò)真空截止閥進(jìn)入夾層空間，導(dǎo)致真空度迅速上升。以40英尺（1 英尺=0.3048 米）LNG罐箱為例，真空夾層容積約為8 m3，0.1 cm3的常壓空氣體進(jìn)入夾層后將導(dǎo)致真空度由10?3Pa瞬間上升至1 Pa。

新型真空測(cè)量裝置在真空規(guī)與真空截止閥（如圖2所示）之間的管路上增加了一道抽真空閥，在安裝真空規(guī)以及更換真空規(guī)后，通過(guò)抽真空設(shè)備將管路中的殘留氣體全部抽除，達(dá)到流體儲(chǔ)運(yùn)裝備夾層同等真空度，防止了氣體通過(guò)真空截止閥進(jìn)入罐體夾層。

圖2 新型真空測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)原理和結(jié)構(gòu)組成

2.5 真空密封設(shè)計(jì)

真空測(cè)量裝置的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響裝置的應(yīng)用可靠性，是整個(gè)裝置設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容。傳統(tǒng)真空測(cè)量裝置所采用的“螺紋連接+膠粘合”密封結(jié)構(gòu)中所采用的膠粘劑為雙組分環(huán)氧樹(shù)脂膠，其固化后的強(qiáng)度、抗振性能、耐腐蝕性以及溫度特性[15-18]難以完全適應(yīng)裝備的受力和真空密封可靠性要求，環(huán)氧樹(shù)脂密封層在鹽霧環(huán)境中還會(huì)產(chǎn)生貫穿性腐蝕[19]，可靠性較差。新型真空測(cè)量裝置中采用“CF法蘭+無(wú)氧銅墊圈”密封結(jié)構(gòu)，即采用真空手冊(cè)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)CF高真空法蘭連接[20]，通過(guò)無(wú)氧銅墊圈進(jìn)行密封[21]，材料的耐腐蝕性非常好，放氣率非常低[22]，并且可以承受高溫烘烤，在抽真空烘烤過(guò)程中能保持良好密封性能。

3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及振動(dòng)分析

3.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

由于鐵公海聯(lián)運(yùn)罐箱沖擊慣性載荷為4，遠(yuǎn)大于公路罐車(chē)和固定儲(chǔ)罐，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析以鐵公海聯(lián)運(yùn)LNG罐箱為安裝對(duì)象，采用FEM技術(shù)對(duì)新型真空測(cè)量裝置的受力進(jìn)行了分析，利用HYPERWORKS 11.0建立計(jì)算模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。LNG罐箱采用殼體建模，并使用shell181單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分；真空測(cè)量裝置本體以及LNG罐箱外筒體連接焊縫采用實(shí)體建模，并使用solid185單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3。

圖3 真空測(cè)量裝置網(wǎng)格模型

當(dāng)LNG罐箱承受鐵路4沖擊工況、垂直向上1工況、垂直向下2工況時(shí)，對(duì)真空測(cè)量裝置、罐體外殼處連接焊縫的受力進(jìn)行了分析。如圖4所示，最大應(yīng)力位于真空測(cè)量裝置與夾層罐體的焊縫連接處，在LNG罐箱承受4沖擊時(shí)，最大應(yīng)力為112 MPa，小于材料的許用極限為137 MPa。

圖4 真空測(cè)量裝置在不同慣性載荷下的應(yīng)力分布

3.2 振動(dòng)特性分析

對(duì)新型真空測(cè)量裝置與罐箱的焊接部位進(jìn)行約束，對(duì)真空測(cè)量裝置的安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析。新型真空測(cè)量裝置的一階模態(tài)變形見(jiàn)圖5，其固有頻率為189 Hz，遠(yuǎn)大于地表土體的固有頻率30 Hz[23]，以及罐箱本體的固有頻率，不會(huì)產(chǎn)生共振。

圖5 真空測(cè)量裝置一階模態(tài)變形

4 真空測(cè)量裝置的試驗(yàn)

4.1 漏率檢測(cè)

采用氦質(zhì)譜儀泄漏檢測(cè)技術(shù)對(duì)新型真空測(cè)量裝置（真空截止閥與真空規(guī)連接密封后的裝置）的初始漏率和環(huán)境試驗(yàn)后的漏率分別進(jìn)行了測(cè)試，并與傳統(tǒng)樣品進(jìn)行了對(duì)比。新型真空測(cè)量裝置樣品的真空密封結(jié)構(gòu)為“CF法蘭+無(wú)氧銅墊圈”密封，傳統(tǒng)樣品1和傳統(tǒng)樣品2的真空密封結(jié)構(gòu)均為“螺紋連接+膠粘合”密封。真空測(cè)量裝置的漏率檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 真空測(cè)量裝置的漏率測(cè)量

Tab.2 Leakage rate of vacuum measuring device

4.2 環(huán)境試驗(yàn)

真空測(cè)量裝置的環(huán)境試驗(yàn)包括高/低溫試驗(yàn)、沖擊振動(dòng)試驗(yàn)和鹽霧試驗(yàn)，試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)參數(shù)及要求見(jiàn)表3，所有試驗(yàn)采用同一組樣品，并在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)測(cè)量裝置進(jìn)行抽真空處理，模擬裝置的真實(shí)應(yīng)用環(huán)境。

試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，環(huán)境試驗(yàn)后所有真空測(cè)量裝置樣品的外部形貌正常，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)銹跡等損壞，表明應(yīng)用環(huán)境對(duì)真空測(cè)量裝置的外部形貌沒(méi)有明顯影響。從表2可以看出，經(jīng)過(guò)環(huán)境試驗(yàn)后，新型真空測(cè)量裝置的漏率未發(fā)生明顯變化，傳統(tǒng)的“螺紋連接+膠粘密封”結(jié)構(gòu)真空測(cè)量裝置漏率已明顯上升，在長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用過(guò)程中的密封可靠性顯著下降，真空泄漏風(fēng)險(xiǎn)上升。

表3 真空測(cè)量裝置的環(huán)境試驗(yàn)

Tab.3 Environmental test of vacuum measuring device

4.3 抽真空過(guò)程中的真空度持續(xù)檢測(cè)

在LNG罐箱批量生產(chǎn)過(guò)程中，新型真空測(cè)量裝置通過(guò)焊接方式安裝與罐體夾層連接，在產(chǎn)品抽真空過(guò)程中完成了夾層真空度的實(shí)時(shí)測(cè)量，通過(guò)新型真空測(cè)量裝置測(cè)量的LNG罐箱夾層真空度數(shù)據(jù)曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。通過(guò)批量應(yīng)用表明，新型真空測(cè)量裝置能夠一次性完成低真空和高真空度的測(cè)量，不需要同時(shí)安裝置低真空和高真空2套測(cè)量裝置，真空泄漏的概率明顯下降。

圖6 新型真空測(cè)量裝置的真空測(cè)量過(guò)程記錄

5 結(jié)語(yǔ)

真空測(cè)量裝置作為流體儲(chǔ)運(yùn)裝備上的重要的儀表部件，一方面可以及時(shí)了解夾層的真空狀態(tài)，另一方面真空測(cè)量裝置本身的密封性和可靠性又直接影響夾層的真空壽命。通過(guò)流體儲(chǔ)運(yùn)裝備用新型真空測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)以及試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)研究，解決了傳統(tǒng)真空測(cè)量裝置的量程不足、氣體內(nèi)漏等問(wèn)題，分析了真空測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)受力特性。通過(guò)試驗(yàn)揭示了影響真空測(cè)量裝置密封性能的關(guān)鍵環(huán)境因素，驗(yàn)證了“CF法蘭+無(wú)氧銅墊圈”密封結(jié)構(gòu)的環(huán)境耐受性，同時(shí)驗(yàn)證了“螺紋連接+膠粘合”密封結(jié)構(gòu)在沖擊振動(dòng)、海洋濕氣等惡劣環(huán)境中的可靠性，對(duì)真空絕熱流體儲(chǔ)運(yùn)裝備真空測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)、可靠性提升、性能檢測(cè)等方面具有重要的指導(dǎo)意義。

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Design and Test Verification of Vacuum Measuring Device for Fluid Storage & Transportation Equipment

HUANG Zheng-xian1, HE Yuan-xin1, WANG Hong-xing2, HUANG Sheng1, HU Hai-bin1, LIU Feng-wei1, REN Yuan-guo3

(1.Yangtze Corporation of China Railway Rolling Stock Corporation, Wuhan 430212, China; 2.Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China; 3.Chengdu Guoguang Electric Co., Ltd., Chengdu 611800, China)

The work aims to systematically study the design and experiment of a new vacuum measuring device for fluid storage & transportation equipment, to solve the problems existing in the traditional devices, such as insufficient range and residual gas leakage, verify the change of the leakage rate of the device in the environmental test, and carry out batch installation and vacuum measurement application. The FEM was used to analyze the force of the new vacuum measuring device; the leakage rate of the new vacuum measuring device and the traditional sample before and after environmental test was compared by helium mass spectrometry. The results indicated that initial leakage rate of the new vacuum measuring device reached 10-10Pa·m3/s. After environmental test, the leakage rate of the new vacuum measuring device did not change obviously, while the leakage rate of traditional device increased obviously after the environmental test. Thermocouple & thermocathode composite vacuum gauge used in the new vacuum measuring device can realize the full range of interlayer vacuum measurement of fluid storage & transportation equipment, and satisfy the electrical explosion-proof requirements of flammable medium storage & transportation. The supplementary vacuum pumping structure can solve the problem of residual gas leakage in vacuum measuring device. The "CF flange + oxygen-free copper" sealing structure demonstrates superior environmental adaptability and low vacuum leakage risk. At the same time, the change of leakage rate of vacuum measuring devices in the process of environmental test is also verified for the first time.

fluid storage & transportation equipment; vacuum measurement; vacuum seal; environmental test; leakage rate

TB771

A

1001-3563(2022)05-0173-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.05.024

2021-12-31

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFB2003705）

黃政賢（1984—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閴毫θ萜麝P(guān)鍵技術(shù)。

何遠(yuǎn)新（1983—），男，碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樯罾溲b備技術(shù)。