低溫液體罐車真空度的影響因素及應對措施

潘文杰 謝旭夢 呂 杰 管志超

（1.浙江省特種設備科學研究院 杭州 310020）

（2.浙江省特種設備安全檢測技術研究重點實驗室 杭州 310020）

隨著國家經(jīng)濟的不斷發(fā)展，我國對于能源和資源的開采和利用量越來越大[1-2]。為響應國家節(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，其在我國的進口量多年來持續(xù)增長。同時天然氣也是一種易燃易爆的危險化學介質(zhì)，因此對如此大量天然氣的儲運安全性要求需格外嚴格。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，正廣泛應用于天然氣的低溫儲存運輸，這類低溫容器包括低溫罐車、低溫罐箱和低溫儲罐等。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)定性是影響這些儲運設備高效應用的關鍵因素，同時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迅速增大，可能造成嚴重的經(jīng)濟財產(chǎn)損失，甚至危及工作人員的生命安全。因此對于低溫容器絕熱夾層真空度的影響因素和預防、應對措施等的研究有重要意義。

國外研究學者Miana等人[3]建立了一種CFD模型，并以此為基礎研究了不同絕熱層厚度對儲罐內(nèi)流體蒸發(fā)率以及總傳熱系數(shù)的影響。Ovidi等人[4]研究了低溫儲罐內(nèi)流體在真空完好和真空損壞條件下的動態(tài)特性，結果表明絕熱層破壞時的壓力上升速率是絕熱完好時的5倍。我國學者付啟亮等人[5]采用軟件模擬的方式，測試了儲罐內(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，結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、實驗測試等方面研究了絕熱夾層真空度好壞對于低溫容器性能的影響，但與實際生產(chǎn)情況的結合和在實際工況的應用仍鮮有研究。本文通過總結實際工作中檢測經(jīng)驗，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，有助于加強相關生產(chǎn)從業(yè)者對于真空低溫儲運設備的了解和實操，為天然氣等多種能源的低溫儲運提供借鑒。

1 真空度的概念與主要影響因素

1.1 真空度檢測方法

由于低溫液體對環(huán)境溫度的敏感性，出于對低溫液體儲運過程中經(jīng)濟性及安全性的考慮，低溫容器需要有良好的絕熱性能。對低溫容器進行絕熱的目的是設法減少通過對流、導熱、輻射等途徑漏入低溫設備的熱量[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)，對罐體真空度進行檢測能夠間接反映出低溫容器保溫性能狀況。

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

圖1 間接測量法試驗裝置原理圖

根據(jù)TSG R7001—2013第二十四條的要求對夾層的真空度進行檢驗或者測量，其規(guī)定標準見表1。

表1 真空度檢測（常溫下）

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

通過間接法檢測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測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 真空度檢測示意圖

影響夾層真空度的因素很多，在平時的檢驗工作中時常能夠碰到真空值超過標準值幾十倍甚至超出量程的情況，如圖3所示的真空計顯示其數(shù)值為68.73 Pa，超出了標準值近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 真空計檢測值

1.2 影響真空度的因素

影響真空度的因素很多，有罐體設計工藝的影響，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熔入H2，這些金屬材料中夾雜的H2會在真空環(huán)境下從金屬表面緩慢釋放。多層絕熱材料也會釋放氣體，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)外大量研究實驗證明，這些罐體金屬材料在常壓下高于沸點（100 ℃）溫度環(huán)境中，真空中放氣一段時間之后，氣體成分含量檢測結果顯示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。分子篩對極性分子的吸附力很強（如H2O），對惰性氣體相對較弱，低溫罐體的制造廠家應該選擇符合國家標準的分子篩，針對不同的設計工藝和使用的低溫介質(zhì)采用不同種類的分子篩是至關重要的。選擇的分子篩不符合國家標準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重影響罐體真空度。

4）焊縫裂紋。罐體在裝配過程中，會存在一些焊接工藝，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以及母材本體，出現(xiàn)裂紋的焊接點主要在以下幾個部位[8]：（1）內(nèi)容器封頭焊縫裂紋，主要原因是儲存介質(zhì)是低溫冷凍液體，罐體在長時間未啟用也未預冷的情況下直接注入低溫液體，造成內(nèi)容器急劇降溫，造成較大的溫差應力，導致內(nèi)容器封頭開裂；（2）防波板與筒體連接處裂紋，防波板在液體運輸過程中的慣性作用，會對其產(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，由于罐車在運輸過程中慣性較大，產(chǎn)生附加應力，容易引起支座前端墊板與外殼連接應力集中產(chǎn)生微裂紋，隨著力的不斷作用，微裂紋不斷擴展，導致外殼出現(xiàn)裂紋泄漏；（4）罐車后操作箱內(nèi)封頭上液位計與壓力表接管較細，與內(nèi)容器管接頭焊接處受力復雜，在溫差應力和運輸中的顛簸振動易導致裂紋產(chǎn)生；（5）罐體加強筋置于外殼，這種設計導致加強筋與外筒體是角焊縫間斷焊接，導致外筒體與加強筋的密封性較差，造成雨水進入加強筋內(nèi)，水分的熱脹冷縮造成加強筋變形從而引起加強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 真空度問題的應對措施

保持真空度在合格范圍內(nèi)是尤為重要的，這關系到低溫液體在儲運過程中的人民的生命和財產(chǎn)安全。針對以上主要因素產(chǎn)生的問題，總結出以下經(jīng)驗方法：

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重要，有的吸附劑對極性分子極其敏感（如H2O），而對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候，針對這種情況，一般會采用在外筒體上加裝1個常溫吸附室，這種方法能夠有效解決吸附劑飽和真空超標的問題。

2）廠家在裝配過程中注意相關部件的清潔[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。同時對內(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，可對絕熱材料進行加熱干燥后再填充，或用槽車運輸至現(xiàn)場直接進行填充。

3）針對上述焊縫出現(xiàn)裂紋引起真空泄漏的情形提出不同的應對措施：（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格按照罐體使用手冊正規(guī)操作使用，在首次啟用或停用一段時間再啟用時必須進行內(nèi)容器的預冷；（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筋板，降低此處應力集中；（3）設計單位和生產(chǎn)廠家應當在設計時注意計算此處的受力情況，應力值控制在材料的許用應力范圍內(nèi)；（4）對于細接管，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，最大程度降低振動顛簸帶來的影響，最后是考慮細接管的柔性，避免低溫液體造成接管受到較大溫差應力；（5）針對以前液化天然氣罐車特有的將加強筋外置的情況，設計時將加強筋置于外筒體內(nèi)部，避免因外部機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，對于發(fā)現(xiàn)焊縫開裂的問題要及時返廠維修，真空不合格要聯(lián)系生產(chǎn)廠家或者及時抽真空。

3 結束語

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實際工作中檢測真空產(chǎn)生的問題及處理方法，為低溫罐車制造廠家、使用單位以及檢驗機構提供一定的借鑒。