流體儲運裝備真空測量裝置設計與試驗驗證

黃政賢，何遠新，王紅星，黃圣，胡海濱，劉鳳偉，任元國

流體儲運裝備真空測量裝置設計與試驗驗證

黃政賢1，何遠新1，王紅星2，黃圣1，胡海濱1，劉鳳偉1，任元國3

（1.中車長江車輛有限公司，武漢 430212；2.天津科技大學，天津 300457；3.成都國光電氣有限公司，成都 611800）

對新型流體儲運裝備真空測量裝置的設計和試驗進行系統(tǒng)研究，解決傳統(tǒng)裝置存在的量程不足、殘留氣體內漏等問題，驗證裝置漏率在環(huán)境試驗中的變化，同時開展批量安裝及真空測量應用。運用FEM對新型真空測量裝置的受力進行分析；采用氦質譜儀泄漏檢測技術對環(huán)境試驗前后的新型真空測量裝置以及傳統(tǒng)樣品的漏率進行對比測試。新型真空測量裝置的初始漏率達到10?10Pa·m3/s；經過環(huán)境試驗后新型真空測量裝置的漏率未發(fā)生明顯變化，傳統(tǒng)裝置的漏率在環(huán)境試驗后明顯上升。新型真空測量裝置所采用的熱電偶&熱陰極復合真空規(guī)，實現了流體儲運裝備夾層的真空度全量程測量，并滿足易燃介質儲運過程中的電氣防爆要求。所增加的補抽真空結構可以有效防止真空測量裝置的殘留氣體內漏。所采用的“CF法蘭+無氧銅”密封結構具有很好環(huán)境適應性和較低的真空泄漏風險，同時也首次通過試驗驗證了真空測量裝置的漏率在環(huán)境試驗過程中的變化。

流體儲運裝備；真空測量；真空密封；環(huán)境試驗；漏率

在真空絕熱流體儲運裝備的各項性能指標中，夾層真空度通過影響真空絕熱系統(tǒng)的表觀熱導率從而影響產品的保溫性能，因而需在每個儲運裝備上安裝一套真空測量裝置，用于測量夾層的真空度。真空泄漏所導致的真空失效將引發(fā)流體儲運裝備壓力快速升高、罐體脹裂等重大安全事故[1-3]，真空測量裝置是集真空密封、真空測量、電氣安全等功能要求于一體的重要部件。國內外研究表明流體儲運裝備的真空測量不僅可以實時反映夾層的真空度[4-6]，還可應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校準裝置，可用于解決寬量程真空計的一次性校準技術難題。

1 傳統(tǒng)真空測量裝置存在的不足

如圖1所示，傳統(tǒng)真空測量裝置由真空規(guī)、真空截止閥、防護套等組成。真空規(guī)與真空截止閥的連接采用“螺紋連接+膠粘合”密封結構，即真空規(guī)通過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)氧樹脂膠粘劑，通過擰緊螺紋時膠粘劑與螺紋表面進行緊密粘合，形成密封效果。傳統(tǒng)真空測量裝置經過多年的大批量應用，技術成熟可靠，但也存在量程小、殘留氣體內漏等不足，在高真空多層纏繞絕熱容器中的測量應用和真空規(guī)更換等方面存在不便。

圖1 傳統(tǒng)真空測量裝置結構原理

2 新型真空測量裝置的設計

流體儲運裝備真空測量裝置的應用環(huán)境十分復雜，設計過程中應充分考慮運行工況、儲運介質的危險特性以及應用環(huán)境[10]的影響。新型真空測量裝置的設計主要包括量程、防內漏結構設計以及真空密封結構的選擇等方面。

2.1 運行環(huán)境分析

影響真空測量裝置應用的主要環(huán)境因素有使用溫度、最大慣性載荷和腐蝕環(huán)境。在我國境內，對于固定儲罐、公路罐車，以及罐箱等真空絕熱流體儲運產品，其最低使用溫度為?40 ℃；在慣性載荷方面，固定儲罐不存在慣性載荷，公路罐車以及公路罐箱的最大慣性載荷為2(為設備質量、為重力加速度，下同)，鐵公海聯(lián)運罐箱的最大載荷為4。隨著我國LNG多式聯(lián)運物流新模式的興起[11-12]，LNG罐箱在海洋環(huán)境中運行越來越頻繁，真空測量裝置的耐海洋鹽霧腐蝕成為必須考慮的問題。

2.2 儲運介質危險特性分析

幾種常見儲運介質的主要危險特性見表1。從表1可以看出，一方面，真空絕熱流體儲運裝備所裝載的介質均為極低沸點的深冷液體，具有很高的膨脹比，真空夾層失效將導致裝載的介質吸熱后在短時間內快速膨脹，進而引起罐體脹裂，介質泄漏等安全事故和財產損失，同時還會引發(fā)冷灼傷及人員窒息等次生傷害，因此真空測量裝置在長時間應用過程中的密封可靠性要求非常高；另一方面，LNG等介質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)還應符合標準規(guī)定的防爆要求。

表1 常見儲運介質的危特性

Tab.1 Hazard characteristics of common storage & transportation media

2.3 真空測量裝置量程設計

傳統(tǒng)真空測量裝置所采用的熱偶式真空規(guī)測量上限為0.1 Pa，而真空絕熱流體儲運裝備的夾層封結真空度一般為0.01 Pa，工作時的冷態(tài)真空度更是達到0.1 mPa，需采用電離規(guī)進行測量，冷陰極電離規(guī)由于工作時放電電壓非常高[13]，在LNG等易燃易爆介質儲運設備中無法使用。

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

2.4 真空測量裝置防內漏設計

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法去除，當更換真空規(guī)或打開截止閥測量真空度時，殘留的氣體將全部通過真空截止閥進入夾層空間，導致真空度迅速上升。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的常壓空氣體進入夾層后將導致真空度由10?3Pa瞬間上升至1 Pa。

新型真空測量裝置在真空規(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，通過抽真空設備將管路中的殘留氣體全部抽除，達到流體儲運裝備夾層同等真空度，防止了氣體通過真空截止閥進入罐體夾層。

圖2 新型真空測量裝置結構原理和結構組成

2.5 真空密封設計

真空測量裝置的密封結構設計直接影響裝置的應用可靠性，是整個裝置設計的重點內容。傳統(tǒng)真空測量裝置所采用的“螺紋連接+膠粘合”密封結構中所采用的膠粘劑為雙組分環(huán)氧樹脂膠，其固化后的強度、抗振性能、耐腐蝕性以及溫度特性[15-18]難以完全適應裝備的受力和真空密封可靠性要求，環(huán)氧樹脂密封層在鹽霧環(huán)境中還會產生貫穿性腐蝕[19]，可靠性較差。新型真空測量裝置中采用“CF法蘭+無氧銅墊圈”密封結構，即采用真空手冊規(guī)定的標準CF高真空法蘭連接[20]，通過無氧銅墊圈進行密封[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，在抽真空烘烤過程中能保持良好密封性能。

3 結構強度及振動分析

3.1 結構強度分析

由于鐵公海聯(lián)運罐箱沖擊慣性載荷為4，遠大于公路罐車和固定儲罐，結構強度分析以鐵公海聯(lián)運LNG罐箱為安裝對象，采用FEM技術對新型真空測量裝置的受力進行了分析，利用HYPERWORKS 11.0建立計算模型并進行網格劃分。LNG罐箱采用殼體建模，并使用shell181單元進行網格劃分；真空測量裝置本體以及LNG罐箱外筒體連接焊縫采用實體建模，并使用solid185單元進行網格劃分。其網格劃分見圖3。

圖3 真空測量裝置網格模型

當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，對真空測量裝置、罐體外殼處連接焊縫的受力進行了分析。如圖4所示，最大應力位于真空測量裝置與夾層罐體的焊縫連接處，在LNG罐箱承受4沖擊時，最大應力為112 MPa，小于材料的許用極限為137 MPa。

圖4 真空測量裝置在不同慣性載荷下的應力分布

3.2 振動特性分析

對新型真空測量裝置與罐箱的焊接部位進行約束，對真空測量裝置的安裝結構進行模態(tài)分析。新型真空測量裝置的一階模態(tài)變形見圖5，其固有頻率為189 Hz，遠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，不會產生共振。

圖5 真空測量裝置一階模態(tài)變形

4 真空測量裝置的試驗

4.1 漏率檢測

采用氦質譜儀泄漏檢測技術對新型真空測量裝置（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)境試驗后的漏率分別進行了測試，并與傳統(tǒng)樣品進行了對比。新型真空測量裝置樣品的真空密封結構為“CF法蘭+無氧銅墊圈”密封，傳統(tǒng)樣品1和傳統(tǒng)樣品2的真空密封結構均為“螺紋連接+膠粘合”密封。真空測量裝置的漏率檢測結果見表2。

表2 真空測量裝置的漏率測量

Tab.2 Leakage rate of vacuum measuring device

4.2 環(huán)境試驗

真空測量裝置的環(huán)境試驗包括高/低溫試驗、沖擊振動試驗和鹽霧試驗，試驗參考標準、試驗參數及要求見表3，所有試驗采用同一組樣品，并在試驗過程中對測量裝置進行抽真空處理，模擬裝置的真實應用環(huán)境。

試驗結果發(fā)現，環(huán)境試驗后所有真空測量裝置樣品的外部形貌正常，沒有發(fā)現銹跡等損壞，表明應用環(huán)境對真空測量裝置的外部形貌沒有明顯影響。從表2可以看出，經過環(huán)境試驗后，新型真空測量裝置的漏率未發(fā)生明顯變化，傳統(tǒng)的“螺紋連接+膠粘密封”結構真空測量裝置漏率已明顯上升，在長時間的應用過程中的密封可靠性顯著下降，真空泄漏風險上升。

表3 真空測量裝置的環(huán)境試驗

Tab.3 Environmental test of vacuum measuring device

4.3 抽真空過程中的真空度持續(xù)檢測

在LNG罐箱批量生產過程中，新型真空測量裝置通過焊接方式安裝與罐體夾層連接，在產品抽真空過程中完成了夾層真空度的實時測量，通過新型真空測量裝置測量的LNG罐箱夾層真空度數據曲線見圖6。通過批量應用表明，新型真空測量裝置能夠一次性完成低真空和高真空度的測量，不需要同時安裝置低真空和高真空2套測量裝置，真空泄漏的概率明顯下降。

圖6 新型真空測量裝置的真空測量過程記錄

5 結語

真空測量裝置作為流體儲運裝備上的重要的儀表部件，一方面可以及時了解夾層的真空狀態(tài)，另一方面真空測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。通過流體儲運裝備用新型真空測量裝置的設計以及試驗驗證系統(tǒng)研究，解決了傳統(tǒng)真空測量裝置的量程不足、氣體內漏等問題，分析了真空測量裝置的結構受力特性。通過試驗揭示了影響真空測量裝置密封性能的關鍵環(huán)境因素，驗證了“CF法蘭+無氧銅墊圈”密封結構的環(huán)境耐受性，同時驗證了“螺紋連接+膠粘合”密封結構在沖擊振動、海洋濕氣等惡劣環(huán)境中的可靠性，對真空絕熱流體儲運裝備真空測量裝置的設計、可靠性提升、性能檢測等方面具有重要的指導意義。

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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

國家重點研發(fā)計劃（2018YFB2003705）

黃政賢（1984—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向為壓力容器關鍵技術。

何遠新（1983—），男，碩士，教授級高級工程師，主要研究方向為深冷裝備技術。