真空絕熱壓力容器定期檢驗評定方法研究

姚小靜，趙路寧，韓 偉，劉 丹，張 冰

（1.山東省特種設(shè)備檢驗研究院，濟南 250101；2.山東省特種設(shè)備協(xié)會，濟南 250101）

·低溫與制冷·

真空絕熱壓力容器定期檢驗評定方法研究

姚小靜1，趙路寧2，韓 偉1，劉 丹1，張 冰1

（1.山東省特種設(shè)備檢驗研究院，濟南 250101；2.山東省特種設(shè)備協(xié)會，濟南 250101）

介紹了真空絕熱壓力容器定期檢驗和評定過程中存在的問題，首先根據(jù)檢驗經(jīng)驗，結(jié)合《壓力容器定期檢驗規(guī)則》（TSG R7001—2013）等相關(guān)規(guī)程、標準，認為引起真空絕熱壓力容器的失效原因為馬氏體組織引發(fā)的封頭直邊端開裂、夾層與氣液相接管連接的角焊縫泄漏及安全附件失效，其中夾層真空失效是引發(fā)真空絕熱壓力容器失效的主要原因；其次結(jié)合失效原因，分析了真空度測量及檢驗項目設(shè)定中存在的問題；最后探討了真空絕熱壓力容器的定期檢驗項目的設(shè)定及安全狀況等級的評定。希望通過筆者的研究工作，對真空絕熱壓力容器的檢驗評定起到一定的指導(dǎo)作用。

真空絕熱壓力容器；失效因素；真空度；定期檢驗；檢驗項目；安全狀況等級

1 前 言

真空絕熱容器是指用于存儲液氧、液氮、液氬、液化天然氣等低溫液體的壓力容器。近年來隨著工業(yè)氣體和燃氣的廣泛應(yīng)用，液體的應(yīng)用已從機械、石油、化工等行業(yè)，擴展到了能源、環(huán)保、造船、交通、生物、航天等領(lǐng)域，需求量也在逐年快速遞增。同時，隨著世界各國對能源需求的不斷增長和環(huán)境保護意識的日益增強，液氫、液化天然氣等清潔能源的推廣與應(yīng)用已日益普及，帶動了深冷真空絕熱容器的快速發(fā)展，目前深冷容器已經(jīng)發(fā)展成為壓力容器行業(yè)增速最快、發(fā)展最有前景的產(chǎn)業(yè)。

低溫絕熱壓力容器的結(jié)構(gòu)不同于普通壓力容器，其結(jié)構(gòu)采用獨特的真空夾套式結(jié)構(gòu)，即根據(jù)不同設(shè)計要求在密閉金屬內(nèi)膽與外殼體間采用不同的絕熱方式（真空粉末材料絕熱、纖維材料絕熱、多層絕熱等）使夾層達到一定的真空度［1］。雙層真空絕熱結(jié)構(gòu)具有高度的保冷效果，無法進入內(nèi)部對內(nèi)膽及其管路的損傷情況進行檢驗，故《壓力容器定期檢驗規(guī)則》（TSG R7001—2013）（以下簡稱《容檢規(guī)》）［2］中規(guī)定的無損檢測方法及其他的檢測方法并不適用于真空絕熱壓力容器的檢驗，與常規(guī)壓力容器檢驗相比存在一定的差別。文獻［3-4］介紹了歐盟及美國等國家也是將真空度作為真空絕熱壓力容器定期檢驗的主要性能指標。雖然目前尚未有真空度失效而導(dǎo)致人員的傷亡事故，但低溫液體的特點是溫度低、氣化潛熱小、氣液體積比大（1 L液氧可氣化為300 L氣氧）、蒸發(fā)后局部濃度大，因此一旦發(fā)生事故可能造成火災(zāi)、爆炸、窒息、中毒等嚴重事故，因此亟需研究真空絕熱壓力容器定期檢驗及評定方法。

2 真空絕熱壓力容器定期檢驗與評定存在問題

2.1 失效因素分析

《容檢規(guī)》［2］規(guī)定，檢驗機構(gòu)應(yīng)根據(jù)壓力容器的使用情況、損傷模式及失效模式制定檢驗方案，因此要進行科學(xué)的檢驗，避免“過度檢驗，檢驗不足”，要分清楚真空絕熱壓力容器的損傷模式及影響因素。

2.1.1 封頭直邊端開裂

真空絕熱壓力容器內(nèi)膽多采用06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼，依據(jù)制造單位返修設(shè)備及常規(guī)奧氏體不銹鋼容器失效案例可知，封頭直邊端容易開裂。其一是因為封頭壓制過程是應(yīng)力重新分配的過程，在直邊段產(chǎn)生了變形殘余應(yīng)力；其二奧氏體不銹鋼供貨狀態(tài)多為固溶，而封頭壓制過程中，不管是采用冷成型還是采用熱成型，均相當于對封頭重新進行了加熱，但在冷卻過程中，冷卻速度不同，《不銹鋼冷軋鋼板鋼帶》（GB/T 3280—2007）［5］規(guī)定，06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼熱處理≥1040℃水冷或其它方式快冷（此處快冷，企業(yè)一般采用風(fēng)冷的方式），而封頭廠則大多采用自然冷卻的方式，冷卻速度過小，因此在冷卻過程中可能會產(chǎn)生馬氏體組織，此外為了提高強度，降低重量及制造成本，大部分廠家使用形變強化后的不銹鋼鋼板，則強度提高，壁厚減薄，制造成本降低，但是奧氏體形變強化后，若熱處理工藝控制不當，也會產(chǎn)生馬氏體組織，上述兩種情況均產(chǎn)生淬硬組織，進而在應(yīng)力作用下產(chǎn)生微缺陷，從而導(dǎo)致封頭開裂。

2.1.2 夾層與氣、液相接管連接的角焊縫泄漏[6]

在制造單位返修的低溫容器中，夾套與氣、液相接管連接的角焊縫泄漏的情況較多。主要原因是廠家設(shè)計低溫容器時，忽視了接管是導(dǎo)熱體。由于反復(fù)充裝，接管與殼體的連接處存在溫差變化，導(dǎo)致接管與殼體的連接部位產(chǎn)生交變應(yīng)力；對夾套為碳鋼的低溫容器，與接管連接部位的夾套低碳鋼角焊縫及母材處的溫度，有時低于脆性轉(zhuǎn)變溫度。低溫容器經(jīng)過長期運行后，夾套與接管連接的角焊縫易出現(xiàn)穿透性裂紋，造成夾層真空度喪失。低溫容器控制閥門以外的管路發(fā)生的事故（除了發(fā)生火災(zāi)事故外），可以通過關(guān)閉閥門得到控制，危險性次之。

2.1.3 真空失效

夾層真空度和日蒸發(fā)率是衡量低溫絕熱壓力容器真空絕熱性能和使用壽命的重要技術(shù)指標。按照《容檢規(guī)》的規(guī)定，真空度和日蒸發(fā)率是作為能否繼續(xù)使用的唯一依據(jù)。但是在真空度檢測過程中，由于真空規(guī)管型式多樣，內(nèi)部介質(zhì)處理不當?shù)?，往往?dǎo)致真空測不準，出現(xiàn)誤判的現(xiàn)象。

2.2 真空絕熱容器檢驗與評定存在問題

2.2.1 真空規(guī)管損壞

韓海濤［7］認為絕大多數(shù)低溫容器安裝在室外，經(jīng)受風(fēng)吹雨打，局部積累的水汽、潮氣在規(guī)管針腳上析出，造成針腳腐蝕斷裂，無法連接真空計接頭。主要原因是現(xiàn)行的國家標準對真空規(guī)管外部保護罩并無規(guī)定，有些廠家甚至連保護罩的墊片都沒有加，使得真空規(guī)管非常容易受到外部環(huán)境的腐蝕。

此外，按照《容檢規(guī)》的要求，壓力容器至少每三年進行一次真空度檢測，不規(guī)范的拆卸及檢測行為，也可能會導(dǎo)致真空規(guī)管的損壞。

2.2.2 真空度誤判

其一由于真空規(guī)管型式不一，而檢驗單位所使用的檢測設(shè)備型號單一，因此接口不匹配；其二測量環(huán)境與容器內(nèi)介質(zhì)含量多少均可能影響真空度的檢測結(jié)果；其三，鄭連學(xué)等人［8］認為介質(zhì)成分決定真空度合格標準，不能實施一刀切的判定方法，否則可能會造成真空度誤判。而真正影響夾層真空度和絕熱性能的影響因素有很多，蔣吉林等［9］認為在用真空容器真空度和絕熱性能的影響因素為珠光砂的熱導(dǎo)率，其中真空度下降，熱導(dǎo)率上升、夾層氣體含量增加，夾層內(nèi)各種材料漏放氣現(xiàn)象，也會導(dǎo)致真空度下降。因此在用設(shè)備檢測過程中，針對檢測結(jié)果應(yīng)綜合分析，真空度超標不合格的處理情況應(yīng)該一分為二。首先應(yīng)該仔細調(diào)閱用戶的運行記錄，檢查運行過程中是否有異常結(jié)霜、結(jié)露現(xiàn)象；有無壓力異常升高的情況，安全閥、爆破片有無頻繁起跳、破裂的情況，若有異?，F(xiàn)象，且經(jīng)常出現(xiàn)安全保護裝置異常釋放動作，此時則應(yīng)懷疑真空失效。若要得到真實的真空度，筆者認為蔣吉林［7］的判定方法更適合在用壓力容器的評判要求，即定真空度判定標準的思路應(yīng)如下：首先明確每臺低溫容器的真空度合格標準并不相同，它取決于夾層真空度降低速率。引入“真空度降低速率”的概念。主要是因為此概念綜合考慮了夾層的泄漏和夾層內(nèi)材料的放氣現(xiàn)象。因此需要通過計算來確定夾層的真空度是否合格。過程如下：

1.計算該低溫容器夾層的真空度降低速率

式中，e為真空度降低速率，Pa·L/s；Pt為本次定檢實際測量的夾層真空度，Pa；P0為最近一次定期檢驗時實際測量的夾層真空度，Pa；V為幾何容積（設(shè)計給定或?qū)嶋H測量），L；t為檢驗周期，n。

注：計算的前提是假定真空度降低速率不隨時間而變化，但是這種假定可通過多次實際計算后進行不斷修正。

2.下一檢驗周期時可能達到的真空度

式中，Pn為下一檢驗周期時的真空度，Pa。

3.結(jié)果判定

根據(jù)式（2）計算出的Pn與產(chǎn)品使用說明書中規(guī)定的須重新抽真空的P規(guī)進行比較，若Pn＜P規(guī)，則合格，Pn≥P規(guī)時，則需要重新抽真空。

2.2.3 檢驗項目級判定依據(jù)設(shè)置不合理

對于移動式真空絕熱壓力容器而言，《容檢規(guī)》附錄A規(guī)定其檢驗項目為資料審查、罐體外觀檢驗、罐體與底盤連接檢驗、附屬設(shè)施連接檢驗、隔熱層檢驗、附件檢驗、安全附件檢驗、組裝檢驗、耐壓試驗和氣密性試驗、真空度檢測、緊急切斷閥耐壓試驗、罐體外表面油漆檢驗和強度校核。

其中強度校核必須要有實測壁厚，而又規(guī)定真空絕熱壓力容器不需要進行壁厚測定，因此無法進行強度校核，此外即使進行氣密性試驗，除了外露的管路可見，其余部位均不可見，此時若內(nèi)膽或與內(nèi)膽相連部位發(fā)生泄漏，也無法進行檢測，而即使泄漏，真空度也會發(fā)生變化，而要通過氣密來檢驗，則成本較高，因此氣密性檢測也失去了意義。

此外，固定式真空絕熱壓力容器依據(jù)真空度和日蒸發(fā)率來判定其安全狀況等級，而移動式則給出繼續(xù)使用和重新抽真空的要求，而《容檢規(guī)》第四章規(guī)定的安全狀況等級評定項目則是針對內(nèi)膽的，而真空絕熱壓力容器無人孔，無法進入內(nèi)部檢驗，因此其安全狀況等級評定所需的項目無法進行，故不能參照第四章進行安全狀況等級的評定。

3 真空絕熱壓力容器檢驗項目的設(shè)定與檢驗結(jié)論

3.1 檢驗項目的設(shè)定

結(jié)合上述論述及實際檢驗工作的需要，筆者認為真空絕熱壓力容器的定期檢驗項目，以資料審查、宏觀檢查、罐體與底盤連接檢驗、壁厚測定（外殼）、絕熱性能檢驗、管路系統(tǒng)和閥門檢驗、安全附件檢驗，而沒有必要強度校核，必要時進行耐壓試驗氣密性試驗（移動式應(yīng)進行氣密性試驗）。

氣密性試驗主要是檢驗容器的各連接部位是否有泄漏現(xiàn)象，一是因為無論是內(nèi)膽還是夾層發(fā)生泄漏，其真空度均無法保持，外殼會出現(xiàn)結(jié)霜、結(jié)露等異?，F(xiàn)象；其二，即使有泄漏，因為除了外露的管路，通過氣密性試驗也無法查找漏點；其三，若是微量泄漏，可以通過檢測真空度來判斷；其四，氣密性試驗成本較高，其五，氣密性試驗只與企業(yè)對設(shè)備的組裝質(zhì)量相關(guān)，與前期檢驗結(jié)果無關(guān)，作為定檢必檢項目，無形中增加了檢驗人員的風(fēng)險，因此不建議對真空絕熱壓力容器進行氣密性試驗。

當腐蝕深度超過腐蝕裕量、名義厚度不明、結(jié)構(gòu)不合理（并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)嚴重缺陷），或者檢驗人員對強度有懷疑時，應(yīng)當進行強度校核，可見強度校核的目的是在定期檢驗過程中，為了判斷缺陷是否會影響壓力容器的安全運行而采用的一種判斷方法，但是不管是采用常規(guī)強度校核計算方法還是應(yīng)力分析方法，則必須進行壁厚檢測，而真空絕熱壓力容器無法進行內(nèi)膽壁厚檢測，因此強度校核對于真空絕熱壓力容器也不適用。

3.2 檢驗結(jié)論（檢驗周期與安全狀況等級評定）

《容檢規(guī)》第四章，安全狀況等級評定主要是考慮材質(zhì)不明及使用過程中產(chǎn)生的材質(zhì)劣化、不合理結(jié)構(gòu)、裂紋、機械損傷、原始焊接缺陷、腐蝕、母材分層等缺陷，由評定項目可知，其評定是對象是主要受壓元件，而真空絕熱壓力容器可能產(chǎn)生的缺陷是內(nèi)膽封頭脆化，真空度失效。但使用過程中，內(nèi)膽封頭脆化無法進行檢測，因此對于固定式真空絕熱壓力容器，《容檢規(guī)》第四十七條規(guī)定確定其安全狀況等級評定方法，而移動式真空絕熱壓力容器定期檢驗結(jié)果建議應(yīng)以年度檢驗結(jié)果為主，直接根據(jù)真空度降低速率確定檢驗周期，不應(yīng)進行安全狀況等級評定。

4 結(jié)束語

由于真空絕熱壓力容器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的特殊性，無法像常規(guī)容器那樣進行宏觀檢驗、壁厚測定、埋藏缺陷檢測、材料分析、強度校核、耐壓試驗及氣密性試驗，因此對于真空絕熱壓力容器檢驗應(yīng)做好以下工作：

1.明確真空絕熱壓力容器的失效模式，合理地確定檢驗項目，科學(xué)施檢，避免過度檢驗；

2.夾層真空度是保證產(chǎn)品安全運行的重要指標，應(yīng)通過計算真空度降低速率的方法確定檢驗周期；

3.檢驗項目應(yīng)主要以資料審查、宏觀檢驗、真空度檢測、管路及安全附件檢驗為主，必要時進行耐壓試驗和氣密性試驗（移動式應(yīng)進行氣密性試驗），由于無法進行內(nèi)膽檢驗，因此建議只確定下次檢驗周期，不進行安全狀況等級評定。

［1］夏立榮，陳克，趙勇.低溫絕熱壓力容器定期檢驗技術(shù)的分析與研究［C］//第八屆全國低溫工程大會暨中國航天低溫專業(yè)信息網(wǎng)2007年度學(xué)術(shù)交流會.北京：2007.

［2］TSG R7001—2013壓力容器定期檢驗規(guī)則［S］.

［3］薛小龍，羅曉明，顧福明.國內(nèi)外低溫容器定期檢驗標準的比對分析［J］.壓力容器，2008，25（1）：49-53.

［4］周偉明，陳朝暉，魏蔚.深冷真空絕熱容器標準技術(shù)發(fā)展與展望［J］.壓力容器，2013（2）：1-14.

［5］王勇.低溫絕熱容器定期檢驗關(guān)鍵問題的探討［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，2008（4）：16-18.

［6］GB/T 3280—2007不銹鋼冷軋鋼板鋼帶［S］.

［7］韓海濤.低溫絕熱容器定期檢驗中真空度檢測常見問題［J］.中國特種設(shè)備安全，2012，28（2）：23-24.

［8］鄭連學(xué)，張立紅，聶遠威.對《容器定檢規(guī)》低溫液體容器夾層真空度規(guī)定的討論［J］.特種設(shè)備安全技術(shù)，2013（2）：34-35.

［9］蔣吉林，陳海鵬.關(guān)于在用低溫液體貯運容器夾層真空度的探討［J］.深冷技術(shù)，2002（1）：10-12.

To Analysis the Inspection&Evaluation of Vacuum Insulation Pressure Vessels Periodical

YAO XiaoJing1，ZHAO Luning2，HANWei1，LIU Dan1，ZHANG Bing1
（1.Shandong Special Equipment Inspection Institute，Jinan 250101，China；2.Shandong Special Association of Special Equipment，Jinan 250101，China）

To analysis the question of vacuum insulated pressure vessels about inspection and evaluation during periodical inspection.First，according to the experience of inspection，and the″Pressure Vessels Periodical Inspection Regulation″（TSG R7001－2013）and other related rules and standards，that thought the vacuum insulated failure factor were the head straight edge cracking ofmartensite and the leakage of interspace between gas and liquid and safety accessories，and then themain failure factor is the vacuum failure；second，combined with the failure reason，to analyzed the question about how to inspect the vacuum and how to set test item，finally，to study the test item and the evaluation of safety grade.To hope can plan play a guiding role to the vacuum insulation pressure vessels for inspection and evaluation of vacuum insulation pressure vessels.

vacuum insulation pressure vessel；the failure factor；vacuum；periodical inspection；test item；the safety state grade

X933.4

A

1007-7804（2014）03-0010-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2014.03.003

姚小靜（1980），女，高級工程師，山東省特種設(shè)備檢驗研究院，主要從事壓力容器及壓力管道檢驗研究工作。

2014-02-14；

2014-06-03

國家質(zhì)檢總局科技計劃項目《低溫絕熱壓力容器定期檢驗方法的研究》（2012QK240）。