潘文杰 謝旭夢(mèng) 呂 杰 管志超

（1.浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院 杭州 310020）

（2.浙江省特種設(shè)備安全檢測(cè)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310020）

隨著國家經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國對(duì)于能源和資源的開采和利用量越來越大[1-2]。為響應(yīng)國家節(jié)能減排及“雙碳”等政策，天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)、高效、清潔的低碳能源，其在我國的進(jìn)口量多年來持續(xù)增長。同時(shí)天然氣也是一種易燃易爆的危險(xiǎn)化學(xué)介質(zhì)，因此對(duì)如此大量天然氣的儲(chǔ)運(yùn)安全性要求需格外嚴(yán)格。真空多層絕熱低溫容器依靠其優(yōu)異的密閉性、絕熱性等性能，正廣泛應(yīng)用于天然氣的低溫儲(chǔ)存運(yùn)輸，這類低溫容器包括低溫罐車、低溫罐箱和低溫儲(chǔ)罐等。真空多層絕熱罐體主要由內(nèi)容器、外殼、高真空多層絕熱夾層和管路等部分組成，其中絕熱夾層真空度的完整性和穩(wěn)定性是影響這些儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備高效應(yīng)用的關(guān)鍵因素，同時(shí)絕熱夾層真空性的破壞也是造成安全隱患的重要原因。若低溫容器絕熱夾層真空度受到破壞引起突發(fā)真空失效，內(nèi)容器中的液化天然氣壓力會(huì)迅速增大，可能造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失，甚至危及工作人員的生命安全。因此對(duì)于低溫容器絕熱夾層真空度的影響因素和預(yù)防、應(yīng)對(duì)措施等的研究有重要意義。

國外研究學(xué)者M(jìn)iana等人[3]建立了一種CFD模型，并以此為基礎(chǔ)研究了不同絕熱層厚度對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)流體蒸發(fā)率以及總傳熱系數(shù)的影響。Ovidi等人[4]研究了低溫儲(chǔ)罐內(nèi)流體在真空完好和真空損壞條件下的動(dòng)態(tài)特性，結(jié)果表明絕熱層破壞時(shí)的壓力上升速率是絕熱完好時(shí)的5倍。我國學(xué)者付啟亮等人[5]采用軟件模擬的方式，測(cè)試了儲(chǔ)罐內(nèi)壓力和溫度隨夾層真空度的變化情況，研究發(fā)現(xiàn)液氮罐內(nèi)的升壓速率隨夾層真空度降低而明顯增加。Ren J等人[6]研究了大漏熱條件下低溫容器的溫度和壓力響應(yīng)，結(jié)果表明氣相形成由上至下的溫度過熱，液相迅速形成熱分層，后熱分層逐漸消失，并伴隨升壓速率下降。

上述研究從理論、模型、實(shí)驗(yàn)測(cè)試等方面研究了絕熱夾層真空度好壞對(duì)于低溫容器性能的影響，但與實(shí)際生產(chǎn)情況的結(jié)合和在實(shí)際工況的應(yīng)用仍鮮有研究。本文通過總結(jié)實(shí)際工作中檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，探討分析了影響低溫液體罐車真空度的多種因素，并從多種角度分析了保障絕熱夾層真空度的措施，有助于加強(qiáng)相關(guān)生產(chǎn)從業(yè)者對(duì)于真空低溫儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的了解和實(shí)操，為天然氣等多種能源的低溫儲(chǔ)運(yùn)提供借鑒。

1 真空度的概念與主要影響因素

1.1 真空度檢測(cè)方法

由于低溫液體對(duì)環(huán)境溫度的敏感性，出于對(duì)低溫液體儲(chǔ)運(yùn)過程中經(jīng)濟(jì)性及安全性的考慮，低溫容器需要有良好的絕熱性能。對(duì)低溫容器進(jìn)行絕熱的目的是設(shè)法減少通過對(duì)流、導(dǎo)熱、輻射等途徑漏入低溫設(shè)備的熱量[7]。低溫罐體的保溫能力是低溫容器真空度質(zhì)量的重要體現(xiàn)，對(duì)罐體真空度進(jìn)行檢測(cè)能夠間接反映出低溫容器保溫性能狀況。

根據(jù)TSG R7001—2013《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》、TSG R0005—2011《移動(dòng)式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》及GB／T 18443.2—2010《真空絕熱深冷設(shè)備性能試驗(yàn)方法 第2部分：真空度測(cè)量》的要求和方法，對(duì)真空多層絕熱低溫罐體進(jìn)行真空度性能檢測(cè)，測(cè)量低溫容器的內(nèi)筒器和外殼的封閉夾層空間的真空度，夾層真空度的測(cè)量一般采用直接測(cè)量法和間接測(cè)量法，靜態(tài)蒸發(fā)率的測(cè)試也是測(cè)量真空度狀況的方法，但是比較復(fù)雜煩瑣，所以通常采用間接測(cè)量法來檢測(cè)低溫容器夾層真空度。直接測(cè)量法是指利用安裝在被檢工件上的真空規(guī)管直接測(cè)量夾層的真空度，間接測(cè)量法是指在被檢件上外接真空維持系統(tǒng)后測(cè)量夾層真空度。間接測(cè)量法試驗(yàn)裝置原理圖如圖1所示。

圖1 間接測(cè)量法試驗(yàn)裝置原理圖

根據(jù)TSG R7001—2013第二十四條的要求對(duì)夾層的真空度進(jìn)行檢驗(yàn)或者測(cè)量，其規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 真空度檢測(cè)（常溫下）

由表1可知，對(duì)于真空多層低溫罐車，其真空度只有達(dá)到1.33 Pa及以下時(shí)，才可以繼續(xù)使用，否則需要重抽真空。

通過間接法檢測(cè)低溫罐車的夾層真空度的示意圖見圖2，利用智能通用熱偶真空計(jì)測(cè)量真空度具有很高的靈敏度和分辨率，這種方法能夠快速判斷低溫容器的真空度狀況。

圖2 真空度檢測(cè)示意圖

影響夾層真空度的因素很多，在平時(shí)的檢驗(yàn)工作中時(shí)常能夠碰到真空值超過標(biāo)準(zhǔn)值幾十倍甚至超出量程的情況，如圖3所示的真空計(jì)顯示其數(shù)值為68.73 Pa，超出了標(biāo)準(zhǔn)值近52倍，按照規(guī)定，該罐體不能繼續(xù)使用，需要重抽真空。

圖3 真空計(jì)檢測(cè)值

1.2 影響真空度的因素

影響真空度的因素很多，有罐體設(shè)計(jì)工藝的影響，有罐體本身材料的影響，有夾層吸附劑的影響，也有外界環(huán)境的影響等等，下面將簡單介紹目前研究人員所發(fā)現(xiàn)的幾個(gè)主要影響因素[4-6]：

1）罐體材料。罐體是金屬材料經(jīng)工藝處理焊接而成，而金屬材料在冶煉過程中會(huì)熔入H2，這些金屬材料中夾雜的H2會(huì)在真空環(huán)境下從金屬表面緩慢釋放。多層絕熱材料也會(huì)釋放氣體，主要成分為H2。罐體支撐材料環(huán)氧玻璃鋼也是在真空中釋放氣體的材料之一（主要為高分子氣體）。國內(nèi)外大量研究實(shí)驗(yàn)證明，這些罐體金屬材料在常壓下高于沸點(diǎn)（100 ℃）溫度環(huán)境中，真空中放氣一段時(shí)間之后，氣體成分含量檢測(cè)結(jié)果顯示70%以上為H2，故H2是造成低溫容器夾層真空度下降的原因之一。

2）真空夾層分子篩。分子篩分布在真空多層低溫罐體的夾層中，其作用是吸收夾層中釋放出來的氣體和其他雜質(zhì)，對(duì)保持罐體真空環(huán)境穩(wěn)定具有十分重要的作用。分子篩對(duì)極性分子的吸附力很強(qiáng)（如H2O），對(duì)惰性氣體相對(duì)較弱，低溫罐體的制造廠家應(yīng)該選擇符合國家標(biāo)準(zhǔn)的分子篩，針對(duì)不同的設(shè)計(jì)工藝和使用的低溫介質(zhì)采用不同種類的分子篩是至關(guān)重要的。選擇的分子篩不符合國家標(biāo)準(zhǔn)或分子篩選擇不匹配，也是造成罐體真空度下降的原因。

3）夾層空間的潔凈度。罐體在制造安裝的過程中，會(huì)存在很多的雜質(zhì)，比如油脂、氧化物、銹跡、木屑、鐵屑等等，這些東西存留在夾層空間中嚴(yán)重影響罐體真空度。

4）焊縫裂紋。罐體在裝配過程中，會(huì)存在一些焊接工藝，如圖4所示，罐體由外殼與內(nèi)筒體組成，這兩部分之間存在焊接點(diǎn)以及母材本體，出現(xiàn)裂紋的焊接點(diǎn)主要在以下幾個(gè)部位[8]：（1）內(nèi)容器封頭焊縫裂紋，主要原因是儲(chǔ)存介質(zhì)是低溫冷凍液體，罐體在長時(shí)間未啟用也未預(yù)冷的情況下直接注入低溫液體，造成內(nèi)容器急劇降溫，造成較大的溫差應(yīng)力，導(dǎo)致內(nèi)容器封頭開裂；（2）防波板與筒體連接處裂紋，防波板在液體運(yùn)輸過程中的慣性作用，會(huì)對(duì)其產(chǎn)生較大的縱向沖擊力，連接處焊縫受到交變沖擊載荷的影響，固定防波板的托板與內(nèi)容器罐體連接處焊縫容易引起裂紋；（3）支座前端墊板出現(xiàn)裂紋，由于罐車在運(yùn)輸過程中慣性較大，產(chǎn)生附加應(yīng)力，容易引起支座前端墊板與外殼連接應(yīng)力集中產(chǎn)生微裂紋，隨著力的不斷作用，微裂紋不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致外殼出現(xiàn)裂紋泄漏；（4）罐車后操作箱內(nèi)封頭上液位計(jì)與壓力表接管較細(xì)，與內(nèi)容器管接頭焊接處受力復(fù)雜，在溫差應(yīng)力和運(yùn)輸中的顛簸振動(dòng)易導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生；（5）罐體加強(qiáng)筋置于外殼，這種設(shè)計(jì)導(dǎo)致加強(qiáng)筋與外筒體是角焊縫間斷焊接，導(dǎo)致外筒體與加強(qiáng)筋的密封性較差，造成雨水進(jìn)入加強(qiáng)筋內(nèi)，水分的熱脹冷縮造成加強(qiáng)筋變形從而引起加強(qiáng)筋與外筒體角焊縫處開裂，引起外筒體漏氣。

圖4 罐體示意圖

2 真空度問題的應(yīng)對(duì)措施

保持真空度在合格范圍內(nèi)是尤為重要的，這關(guān)系到低溫液體在儲(chǔ)運(yùn)過程中的人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。針對(duì)以上主要因素產(chǎn)生的問題，總結(jié)出以下經(jīng)驗(yàn)方法：

1）夾層材料釋放氣體是影響夾層真空度的主要因素[9]，且釋放的氣體中70%為H2，針對(duì)這種情況，目前采用在真空夾層間加裝吸附劑，使用合適的吸附劑至關(guān)重要，有的吸附劑對(duì)極性分子極其敏感（如H2O），而對(duì)H2不敏感，這就造成無法有效吸附夾層釋放的氣體，所以目前多采用聯(lián)合多種吸附劑的方案（如氧化鈀＋分子篩），氧化鈀具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性，它具有高效的吸氫能力。但是吸附劑也有吸附飽和的時(shí)候，針對(duì)這種情況，一般會(huì)采用在外筒體上加裝1個(gè)常溫吸附室，這種方法能夠有效解決吸附劑飽和真空超標(biāo)的問題。

2）廠家在裝配過程中注意相關(guān)部件的清潔[10]，如內(nèi)筒體外壁、外殼內(nèi)壁及絕熱材料與內(nèi)外容器的連接部件。內(nèi)筒體外壁需要將表面油污處理干凈再進(jìn)行酸洗鈍化脫脂處理。外殼內(nèi)壁噴砂處理，除掉表面油污、焊渣和氧化物，保證內(nèi)表面清潔。同時(shí)對(duì)內(nèi)外容器相連接部件（吊臂、抱帶、內(nèi)容器支座、周向支撐、絕熱墊板等）要采用同樣的處理方法。另外，制造廠在罐體裝配過程中要確保夾層中絕熱材料的純凈度和干燥度，可對(duì)絕熱材料進(jìn)行加熱干燥后再填充，或用槽車運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)直接進(jìn)行填充。

3）針對(duì)上述焊縫出現(xiàn)裂紋引起真空泄漏的情形提出不同的應(yīng)對(duì)措施：（1）為防止內(nèi)容器封頭出現(xiàn)裂紋，首先要保證材料的成分合格，根據(jù)實(shí)際情況和封頭制造工藝建議廠家將材料鐵素體含量控制在15%以下，其次是使用單位要嚴(yán)格按照罐體使用手冊(cè)正規(guī)操作使用，在首次啟用或停用一段時(shí)間再啟用時(shí)必須進(jìn)行內(nèi)容器的預(yù)冷；（2）在托板與罐體之間增加與罐體材質(zhì)一樣的墊板，防止裂紋擴(kuò)展至罐體母材，且增加兩者之間的焊縫面積，減少焊縫受力，也可以在焊縫處增加加強(qiáng)筋板，降低此處應(yīng)力集中；（3）設(shè)計(jì)單位和生產(chǎn)廠家應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)時(shí)注意計(jì)算此處的受力情況，應(yīng)力值控制在材料的許用應(yīng)力范圍內(nèi)；（4）對(duì)于細(xì)接管，首先要考慮采用性能優(yōu)良的退火光亮管，其次是增加接管在后封頭的固定程度，最大程度降低振動(dòng)顛簸帶來的影響，最后是考慮細(xì)接管的柔性，避免低溫液體造成接管受到較大溫差應(yīng)力；（5）針對(duì)以前液化天然氣罐車特有的將加強(qiáng)筋外置的情況，設(shè)計(jì)時(shí)將加強(qiáng)筋置于外筒體內(nèi)部，避免因外部機(jī)械損傷引起的焊縫開裂[11]。

4）使用單位要注意定期檢修維護(hù)，對(duì)于發(fā)現(xiàn)焊縫開裂的問題要及時(shí)返廠維修，真空不合格要聯(lián)系生產(chǎn)廠家或者及時(shí)抽真空。

3 結(jié)束語

低溫罐車性能受到諸多因素的影響，夾層真空度是罐車安全性能和低溫性能的一種直觀體現(xiàn)，本文通過分析研究總結(jié)實(shí)際工作中檢測(cè)真空產(chǎn)生的問題及處理方法，為低溫罐車制造廠家、使用單位以及檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)提供一定的借鑒。