真空多層絕熱管道技術(shù)現(xiàn)狀

康志遠(yuǎn)，林　潔

0　引言

高真空多層絕熱于1951年由彼得遜（Peterson）首次研制成功，它由許多具有高反射能力的輻射屏與具有低導(dǎo)熱率的間隔物的交替層所構(gòu)成；絕熱空間抽到低于1×10-3Pa的負(fù)壓下時(shí)，它是目前效率最高的一種絕熱形式，有“超級(jí)絕熱”之稱。自20世紀(jì)50年代以來，高真空多層絕熱在空間計(jì)劃和超導(dǎo)技術(shù)上開始應(yīng)用，而后廣泛用于各種低溫液體儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)鹊蜏仡I(lǐng)域中[1]。

采用高真空多層絕熱方式的真空多層絕熱管道具有體積小、重量輕、絕熱性能好、低溫液體輸送汽化損失小、品質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航天試車臺(tái)和發(fā)射場(chǎng)的低溫液體加注過程中。美國(guó)肯尼迪航天發(fā)射中心液氫/液氧加注均采用真空多層絕熱管道加注方式。我國(guó)也從70年代由杭州制氧廠系統(tǒng)地進(jìn)行了二氧化碳冷凝多層絕熱低溫輸液管基礎(chǔ)技術(shù)的研究，并在1983年制造出第一批低溫管道，使用驗(yàn)證，效果甚佳，這是我國(guó)第一家低溫液體輸送管制造廠。經(jīng)過20多年的行業(yè)發(fā)展，目前已有多家企業(yè)生產(chǎn)這類輸液管道，如中國(guó)空分設(shè)備公司、南京航天晨光股份有限公司、杭州亨達(dá)空分設(shè)備配件有限公司、四川空分設(shè)備有限責(zé)任公司、成都活力低溫設(shè)備有限公司、開封空分設(shè)備廠、河北南星氣體設(shè)備有限公司等十幾家[2]。

隨著航天、化工、機(jī)械行業(yè)的高速發(fā)展，液氫、液氧、液氮、液態(tài)二氧化碳等低溫液體的批量生產(chǎn)技術(shù)和儲(chǔ)存運(yùn)輸能力得到了顯著提高，液氫、液氧等無毒、無污染推進(jìn)劑在航天運(yùn)載火箭、現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)行業(yè)及現(xiàn)代能源領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)進(jìn)入國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。由于沸點(diǎn)低，液氫和液氧等低溫介質(zhì)在儲(chǔ)存、運(yùn)輸、輸送過程中極易汽化，需要以特殊的方式絕熱輸送，這為真空多層絕熱管道的應(yīng)用提供廣泛的市場(chǎng)。

1　真空多層絕熱管道技術(shù)結(jié)構(gòu)

真空多層絕熱管道不銹鋼內(nèi)外管之間交替安置許多層平行于冷壁的具有高反射率的輻射屏（鋁箔、雙面或單面噴鋁的滌綸薄膜）和低熱傳導(dǎo)率的間隔物（例如：玻璃纖維布、尼綸網(wǎng)、纖維紙、絲綢等），從而大幅度減小輻射而達(dá)到高效絕熱目的。由于目前真空多層絕熱管道中封口真空度一般優(yōu)于1×10-3Pa，所以殘余氣體的導(dǎo)熱和對(duì)流被很好的抑制，同時(shí)在高真空空間設(shè)置n個(gè)輻射屏后，其輻射傳熱理論上減小為原來的1/n+1倍。所以真空多層絕熱管道在所有低溫液體輸送管路中，是絕熱效果最好、輸送效率最高的輸送管道。

獨(dú)立真空多層絕熱管段如圖1，包括內(nèi)管、外管、熱橋、補(bǔ)償器（包括內(nèi)補(bǔ)償器和外補(bǔ)償器）、纏繞層、支撐、吸附劑、、抽空閥等。其中熱橋是加長(zhǎng)熱傳導(dǎo)距離，其漏熱通常占整個(gè)漏熱的70%以上，考慮目前加工工藝，通常熱橋長(zhǎng)度在300～700mm范圍之內(nèi)；內(nèi)補(bǔ)償器是為了補(bǔ)償由于受冷不銹鋼管道的收縮量，在生產(chǎn)設(shè)計(jì)中通常按每米補(bǔ)償5‰選用；外補(bǔ)償器是補(bǔ)償由于環(huán)境溫度變化量；纏繞層目前通常由玻璃纖維布和鋁箔交替間隔纏繞組成，是形成一系列的反射屏，減少熱輻射損失；吸附劑是吸附金屬放氣和漏氣，通常情況下采用活性炭和分子篩作為低溫液體的吸附劑。在國(guó)外目前廣泛采用吸氣劑（一氧化鈀PdO）來吸收夾層中的H2氣。但是目前我國(guó)并沒有廣泛應(yīng)用吸氣劑，主要原因是PdO是一種粉狀物質(zhì)，容易擴(kuò)散，不利于真空管道補(bǔ)抽真空[3]。

圖1　焊接式真空多層絕熱管道結(jié)果原理圖Fig.1 Structure diagram of welded vacuum multilayer insulated pipe

2　真空絕熱管道連接方式分析

2.1　連接方式概述[4]

目前，在我國(guó)實(shí)際應(yīng)用的真空多層絕熱管道，一般為分段式，長(zhǎng)5～8米，特殊情況下可以達(dá)到12～16米。通常該管段在工廠預(yù)抽空真空夾層至要求真空度，到使用現(xiàn)場(chǎng)組裝成為長(zhǎng)距離輸送管道。真空管道的分段連接方式主要有三種：承插法蘭式真空管道連接，如圖2所示；平面法蘭式真空管道連接，如圖3所示；現(xiàn)場(chǎng)小真空焊接式真空管道連接，如圖4所示。另外還有一種全程一體式。

圖2　承插法蘭連接方式Fig.2 Connection method of socket flange

圖3　平面法蘭連接方式Fig.3 Connetion method of flat flange

圖4　小真空焊接式連接方式Fig.4 Small vacuum welding connection

2.2　連接方式特點(diǎn)分析

承插法蘭連接方式是凸頭1插入凹頭2時(shí)，由于低溫液體汽化進(jìn)入空隙3中，形成“氣阻”改善絕熱性能，插入部分越長(zhǎng)，絕熱效果越好；空隙3越小，越有利于形成“氣阻”，但是空隙太小，加工焊接困難。它的優(yōu)點(diǎn)是密封可靠，具有相當(dāng)好的絕熱性能，但是它拆裝時(shí)要做較大軸向移動(dòng)，安裝管路時(shí)要預(yù)留200mm左右安裝空間。

平面連接方式是一種目前比較常用的連接方式，它主要靠密封件1密封，通常密封墊采用聚四氟氯乙烯、軟鋁等做成，同時(shí)由于密封材料在低溫介質(zhì)下的收縮性，少量氣體進(jìn)入法蘭接頭腔體，形成氣阻，也可起到一定密封作用。它安裝比較方便，維修相對(duì)簡(jiǎn)單，但是它的漏熱比較大，如長(zhǎng)期輸送低溫液體，浪費(fèi)比較大。而且加工比較煩瑣，對(duì)加工要求比較高。

焊接式連接方式在這三種中是連接效率最高的一種連接方式，現(xiàn)場(chǎng)連接工序和制作真空多層絕熱管道工序相同。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易、冷損小，一般性日常抽空維修簡(jiǎn)單，不需拆卸。但是現(xiàn)場(chǎng)安裝工序嚴(yán)格，遇到更換性大修較復(fù)雜。

全程一體式焊接方式是在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行真空管道制作和連接的一種方式。它是將所有內(nèi)管在現(xiàn)場(chǎng)焊接成一體，并進(jìn)行纏繞、焊接外管、抽真空。這種連接方式漏熱量非常小，適合低溫液體生產(chǎn)輸送管道。但是這種連接方式存在一個(gè)缺點(diǎn)就是維修困難、查找問題困難、生產(chǎn)效率容易受管道質(zhì)量影響。

由以上分析可知，可根據(jù)實(shí)際情況和用戶要求，選用一種合適的連接方式。一般來說，在某些特定情況下需采用承插法蘭式連接，如儲(chǔ)存、運(yùn)輸容器進(jìn)出口處；如需要經(jīng)常維修或者使用次數(shù)不多，可采用平面法蘭連接方式；使用等長(zhǎng)時(shí)間輸送、漏熱要求比較嚴(yán)格情況下，可采用焊接式連接；在低溫液體生產(chǎn)時(shí)，考慮生產(chǎn)成本和生產(chǎn)效率可采用全程一體式焊接真空管道。

3　CO2冷凝真空技術(shù)發(fā)展

真空多層絕熱管道隨著使用時(shí)間的增加，夾層不銹鋼材料會(huì)排出大量氣體（主要成分是氫氣）到真空夾層，從而降低夾層真空度，降低了真空管道使用性能，為此美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局低溫技術(shù)部于1960年開始著手冷凝真空技術(shù)的可行性和性能的試驗(yàn)研究，通過對(duì)可能作為冷凝真空的氣體作了分析研究，最后選定二氧化碳為冷凝氣體。CO2作為一種易得、無毒、無污染氣體被廣泛應(yīng)用于作為冷凝氣體。目前國(guó)內(nèi)有一些單位也采用CO2冷凝真空的工藝生產(chǎn)低溫液體輸送管。1983年，航天101所鄒壽泉在某液氫車加注管抽空時(shí)采用CO2正壓狀態(tài)完成試驗(yàn)，效果良好。

3.1　CO2冷凝機(jī)理

CO2冷凝是獲得和改善管道夾層真空的一個(gè)有效措施，是向真空夾層中充入高純度的CO2，在低溫工作狀下，CO2氣體凝結(jié)成霜一樣的固體依附在多層纏繞玻璃纖維層間，以致在夾層空間內(nèi)形成真空或使原有的真空度更高。

3.2　采用CO2冷凝對(duì)夾層真空的影響

當(dāng)采用CO2冷凝時(shí)，絕熱層纏繞不能太緊，從而可以使CO2在低溫下能更好的吸附在隔離層上，此時(shí)多層輻射屏的黑度增加。在達(dá)到同等真空條件下，理論上，采用充填CO2的真空多層絕熱管道比純真空多層絕熱管道的絕熱性能略差一些。

同時(shí)，在20K溫度下CO2霜可以吸附氫氣，所以采用CO2冷凝真空比純高真空夾層允許含氫量高出40～200倍，但是在CO2霜在76K時(shí)吸附氫氣能力很低，所以對(duì)于液氧、液氮管，最好設(shè)置一些吸氣劑（PdO）[2]。

3.3　CO2純度對(duì)夾層真空的影響

CO2純度在輸送不同低溫液體、不同工況下的要求是不相同的。當(dāng)采用CO2冷凝真空多層絕熱管道輸送液氧、液氮時(shí)，CO2純度要求在99.99%以上，才能保證最佳效果。但是，如果是短時(shí)間轉(zhuǎn)注、加注，可以采用99.9%純度的CO2就足夠了。此時(shí)比采用99，99%純度的CO2冷凝真空的絕熱效果略差[5]，但是真空度也達(dá)到了10-2Pa數(shù)量級(jí)，并且CO2本身純度不高，可以減少或忽略長(zhǎng)期存放后高純CO2受污染對(duì)真空層絕熱效果的影響，成本也相對(duì)較低。對(duì)于輸送液氫管路而言，由于CO2霜在20K時(shí)，可以冷凝大部分氣體，所以99.9%純度CO2完全可以適用[5]。

3.4　CO2充填壓力的研究

目前為止，對(duì)于CO2充填量還沒有一個(gè)科學(xué)的定論。理論上，當(dāng)CO2純度為100%時(shí)，充填壓力可以等于或稍高于一個(gè)大氣壓。由于目前工業(yè)條件所限，獲得7～9個(gè)高純度的CO2非常困難，因此目前CO2充填壓力從幾千帕到1個(gè)大氣壓不等。

當(dāng)CO2充填量比較小時(shí)，冷凝效果不明顯，沒有顯出CO2冷凝效果；如果充填CO2壓力過高，CO2冷凝霜完全不能依附在絕熱層上，從而形成以CO2為傳導(dǎo)介質(zhì)的熱傳導(dǎo)，降低絕熱效果，所以CO2充填壓力應(yīng)該在某一個(gè)范圍，可以使得CO2冷凝效果最佳，同時(shí)又不至于降低絕熱效果。

4　真空多層絕熱管道發(fā)展方向

真空多層絕熱管道目前多應(yīng)用于各國(guó)試車臺(tái)和發(fā)射場(chǎng)液氫、液氧輸送。美國(guó)肯尼迪航天中心39A、39B發(fā)射場(chǎng)[6]和我國(guó)各大試車臺(tái)、發(fā)射場(chǎng)也采用真空多層絕熱管道。

從目前情況來看真空多層絕熱管道的發(fā)展主要集中在以下幾個(gè)方面：

長(zhǎng)距離輸送管道：液氫、液氧安全問題在發(fā)射場(chǎng)顯得尤為突出，所以其安全距離也有嚴(yán)格的規(guī)定，從而對(duì)真空多層絕熱管道的長(zhǎng)距離安全輸送提出了要求。

漏熱損失問題：隨著火箭搭載能力的不斷增加，DN200以上大口徑真空絕熱管道的漏熱問題也將成為研究的熱點(diǎn)問題；低溫液體生產(chǎn)過程小口徑輸送管道的漏熱問題也將是研究熱點(diǎn)之一。

生產(chǎn)工藝改進(jìn)：目前真空管道的生產(chǎn)效率比較低，容易受氣候影響，這也是制約其向LNG行業(yè)發(fā)展的一個(gè)障礙，生產(chǎn)工藝的改進(jìn)主要集中于抽空技術(shù)、夾層置換加熱技術(shù)，纏繞新材料和纏繞技術(shù)等幾個(gè)方面。

CO2冷凝真空研究。采用CO2冷凝真空可以提高絕熱性能和使用壽命，但是目前來說對(duì)于CO2冷凝真空還處于一個(gè)起步階段，有許多問題還沒有解決，例如CO2最佳充填壓力、溫度等。

真空管道沿程真空度在線實(shí)施監(jiān)測(cè)技術(shù)。在航天發(fā)射和低溫液體生產(chǎn)過程中，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)真空管道的真空度以保證發(fā)射安全和生產(chǎn)效率，促使真空度的在線檢測(cè)技術(shù)成又一熱點(diǎn)。

5　結(jié)論

真空多層絕熱管道比其他低溫輸送管具有體積小、重量輕、絕熱效果好等優(yōu)點(diǎn)，是低溫液體輸送的最佳選擇。因此，還需要加強(qiáng)對(duì)真空多層絕熱管道的研究，從而使其在我國(guó)工業(yè)發(fā)展中充分發(fā)揮作用。

真空多層絕熱管道在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可，但是由于其造價(jià)昂貴等原因，目前還沒有在LNG行業(yè)廣泛應(yīng)用，如何降低真空多層絕熱生產(chǎn)成本，和解決隨著生產(chǎn)的發(fā)展提出來的各種問題，還需要我們進(jìn)一步深入的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]周志雄，魏蔚，汪榮順.阻燃型高真空多層絕熱采料性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].低溫與超導(dǎo)，2006，6.

[2]沈維楞.采用二氧化碳冷凝真空多層絕熱低溫液體輸送管的設(shè)計(jì)制造[J].深冷技術(shù)，2002，3.

[3]符錫理.真空多層絕熱夾層真空度研究[J].低溫工程，1991，6.

[4]符錫理.真空絕熱管路接頭的密封和絕熱特性 [J].低溫工程，1995，4.

[5]張亮，林文勝，魯雪生，等.低溫輸送系統(tǒng)的CO2冷凝真空絕熱方案研究[J].低溫與超導(dǎo)，2003，11.

[6]符錫理.美國(guó)肯尼迪航天中心39A_39B發(fā)射場(chǎng)的液氫液氧加注管道[J].中國(guó)航天，1983.