郝 偉

(大連鍋爐壓力容器檢驗(yàn)檢測(cè)研究院有限公司，遼寧 大連 116013)

1 前 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)要素之一的工業(yè)氣體，其作用和地位日益顯著，被喻為工業(yè)的“血液”。由于氣體具有較高的氣液體積比，將氣體液化后以液體形態(tài)進(jìn)行存儲(chǔ)與運(yùn)輸更為高效。低溫絕熱技術(shù)在工業(yè)氣體液化后的儲(chǔ)運(yùn)中起著至關(guān)重要的作用。固定式真空絕熱壓力容器是一種常見(jiàn)的用于儲(chǔ)存深冷液化氣體的壓力容器，在液氧、液氮、液氬、液化天然氣、液化二氧化碳等一般工業(yè)液化氣體的存儲(chǔ)與使用環(huán)節(jié)應(yīng)用十分廣泛。固定式真空絕熱壓力容器采用雙層金屬殼、真空夾套式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式不同于常規(guī)壓力容器，定期檢驗(yàn)具有一定特殊性。

2 低溫絕熱技術(shù)概述

將工業(yè)氣體液化的最大好處是可以使體積減小很多，方便存儲(chǔ)和運(yùn)輸。使氣體液化的方法有兩種，一是降低溫度，二是壓縮體積(即加壓)。每種氣體都有一個(gè)特定的溫度，在該溫度以上，無(wú)論加壓到多高的壓力來(lái)壓縮體積，該氣體都不會(huì)液化，只有當(dāng)氣體溫度降低到這個(gè)溫度以下時(shí)才能液化，這個(gè)特定的溫度稱為該氣體的臨界溫度。在臨界溫度下，能夠使氣體液化所需要的最小壓力則稱為臨界壓力。臨界溫度和臨界壓力都是物質(zhì)的特定參數(shù)。

任何氣體均可采用降低溫度的方法進(jìn)行液化，只要?dú)怏w溫度降到足夠低時(shí)都可以液化；如果氣體溫度高于其臨界溫度，則無(wú)法采用壓縮體積方法進(jìn)行液化，這時(shí)無(wú)論加以多高的壓力，都無(wú)法使氣體液化。因此要想使氣體液化，首先要將溫度降低到其自身的臨界溫度以下。有些氣體的臨界溫度很低，如氧氣、氮?dú)?、氬氣、氫氣等，臨界溫度均在-100℃以下，要使這些氣體液化，需要利用一定的低溫技術(shù)，使這些氣體可以達(dá)到它們各自的臨界溫度以下，然后再采用增大壓強(qiáng)、壓縮體積的方法使其液化。在實(shí)際應(yīng)用中，常常將降溫和加壓兩種方法聯(lián)合使用，來(lái)使氣體液化。

由傳熱學(xué)知識(shí)，我們知道熱量的傳遞有三種方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射。低溫絕熱的目的在于設(shè)法將外界環(huán)境通過(guò)上述三種傳熱方式傳遞給低溫裝置的熱量盡量減少，以維持低溫介質(zhì)的低溫狀態(tài)。

低溫絕熱分為非真空絕熱和真空絕熱兩大類(lèi)型。非真空絕熱也稱普通絕熱或堆積絕熱，是一種沿用高溫保溫方法的絕熱方式，即在低溫物體的外表面堆積或包覆一定厚度的絕熱材料以起到絕熱保冷作用。真空絕熱則是將絕熱空間(夾層空間)抽至一定真空度的絕熱形式。真空絕熱又分為高真空絕熱(單純真空絕熱)、真空粉末絕熱、高真空多層絕熱等類(lèi)型。高真空絕熱即單純真空絕熱，一般將夾層空間抽真空至1.33×10-3Pa以下的絕對(duì)壓強(qiáng)，以消除氣體的熱對(duì)流和絕大部分的氣體熱傳導(dǎo)[1]。真空粉末絕熱是在夾層空間內(nèi)抽至一定真空并填充多孔微粒絕熱材料的絕熱方式，多孔微粒絕熱材料為粉末或纖維，常用的有膨脹珍珠巖(珠光砂)、氣凝膠，以膨脹珍珠巖(珠光砂)最為常見(jiàn)。真空粉末絕熱對(duì)真空度的要求不高，其絕對(duì)壓強(qiáng)一般為1 Pa左右[1]。高真空多層絕熱是在夾層空間內(nèi)多層交替組合設(shè)置具有高反射能力的輻射屏和具有低熱導(dǎo)率的間隔材料，并且在夾套空間內(nèi)抽至高真空所形成的絕熱方式，其真空度與高真空絕熱量級(jí)大體相當(dāng)，是效率最高的絕熱方式，有“超級(jí)絕熱”之稱[2]。各種絕熱形式的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)如表1所示。

表1 不同絕熱方式的優(yōu)缺點(diǎn)[1-2]Table 1 The advantages and disadvantages of different insulation methods

真空粉末絕熱，由于所要求的真空度不高，且絕熱效率較高，其絕熱性能比堆積絕熱高約兩個(gè)數(shù)量級(jí)、比高真空絕熱高約一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此在低溫設(shè)備中得到了普遍應(yīng)用，廣泛應(yīng)用于大中型低溫液體壓力容器中[1]。

3 固定式真空絕熱壓力容器常見(jiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

固定式真空絕熱壓力容器，是一種采用雙層真空夾套式結(jié)構(gòu)的固定式壓力容器，用于儲(chǔ)存冷凍液化氣體，主要由儲(chǔ)存內(nèi)容器和維持真空絕熱空間的外殼組成，此外還有夾層內(nèi)連接內(nèi)容器和外殼的支撐結(jié)構(gòu)、管路系統(tǒng)、以及安全附件、閥門(mén)、儀表等裝置。固定式真空絕熱壓力容器最常采用的絕熱方式為真空粉末絕熱，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 固定式真空絕熱壓力容器常見(jiàn)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The common structure diagram of stationary vacuum insulated pressure vessel

內(nèi)容器用于盛裝深冷液化氣體，一般采用奧氏體不銹鋼材質(zhì)。外殼用于維持夾套絕熱層的真空，通過(guò)防止熱量從外部侵入而防止內(nèi)容器內(nèi)壓力升高，外殼常選用低合金鋼材質(zhì)。外殼上設(shè)置的主要結(jié)構(gòu)有防爆裝置、抽真空裝置、真空測(cè)量裝置以及內(nèi)容器引出管路的固定構(gòu)件等[3]。內(nèi)容器與外殼間的夾套內(nèi)設(shè)置有支撐結(jié)構(gòu)，用來(lái)使內(nèi)容器懸掛于外殼之中，為減少內(nèi)容器與外殼通過(guò)支撐元件傳導(dǎo)的熱量，通常選用熱導(dǎo)率小的材料、增加支撐件長(zhǎng)度、減小支撐件橫截面積等方法[4]。管路系統(tǒng)一般包括：頂部噴淋充液管路、底部充液與出液管路、超壓泄放管路、放空管路、增壓管路、溢流管路、液位測(cè)量管路、壓力測(cè)量管路等，以滿足充液、出液、泄壓、放空、增壓、溢流、液位測(cè)量、壓力測(cè)量等使用要求[5]。上述管路系統(tǒng)均從內(nèi)容器引出，經(jīng)夾套空間并穿過(guò)外殼，在殼體以外連接相應(yīng)閥門(mén)、附件或儀表等。

從內(nèi)容器中將液化氣體輸送出來(lái)一般有三種方法：用氣體加壓、用液體泵或用自增壓器，絕大多數(shù)采用自增壓器的方法。這種方法是在容器底部設(shè)置一個(gè)氣化器，利用內(nèi)容器中的液體靜壓頭來(lái)強(qiáng)制液體通過(guò)氣化器后氣化，并產(chǎn)生一定的壓力再進(jìn)入內(nèi)容器，利用氣化增壓的氣體排出內(nèi)容器中的液體[6]。

4 固定式真空絕熱壓力容器定期檢驗(yàn)探討

4.1 定期檢驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)定

固定式真空絕熱壓力容器的定期檢驗(yàn)應(yīng)依據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱《固容規(guī)》)第8章的相關(guān)要求進(jìn)行，但《固容規(guī)》是通用性規(guī)范，對(duì)于真空絕熱壓力容器僅提到了夾層真空度檢驗(yàn)和日蒸發(fā)率測(cè)量這兩種補(bǔ)充檢驗(yàn)，并未明確其他的通用檢驗(yàn)項(xiàng)目是否必須執(zhí)行以及如何執(zhí)行。關(guān)于固定式真空絕熱壓力容器定期檢驗(yàn)，目前沒(méi)有專(zhuān)項(xiàng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，僅有安徽、山東、河南、重慶等少數(shù)省市出臺(tái)了推薦性的專(zhuān)項(xiàng)地方標(biāo)準(zhǔn)，更多需要檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)或檢驗(yàn)人員根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)制定具體而有針對(duì)性的檢驗(yàn)工藝或檢驗(yàn)方案。

固定式真空絕熱壓力容器的內(nèi)容器和外殼一般均不設(shè)人孔或檢查孔，無(wú)法進(jìn)入內(nèi)部檢驗(yàn)內(nèi)容器及內(nèi)部管路的損傷情況?！豆倘菀?guī)》中關(guān)于金屬壓力容器定期檢驗(yàn)項(xiàng)目中的壁厚測(cè)定、表面缺陷檢測(cè)、埋藏缺陷檢測(cè)、材料分析和強(qiáng)度校核，如要實(shí)施只能對(duì)外殼進(jìn)行，上述檢驗(yàn)項(xiàng)目可能發(fā)現(xiàn)的嚴(yán)重問(wèn)題，完全可以通過(guò)宏觀檢查和真空度測(cè)試兩個(gè)項(xiàng)目反映出來(lái)，沒(méi)有必要作為必檢項(xiàng)目，僅在宏觀檢驗(yàn)、真空度測(cè)試、或日常使用過(guò)程發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)有針對(duì)性的進(jìn)行即可。另外，對(duì)于泄漏試驗(yàn)和耐壓試驗(yàn)，無(wú)論內(nèi)容器還是外殼發(fā)生泄漏或開(kāi)裂，夾套的真空度都無(wú)法維持，外殼會(huì)出現(xiàn)潮濕、跑冷、結(jié)露、結(jié)霜等異常現(xiàn)象，并且若存在微量泄漏，也可以通過(guò)真空度的測(cè)試來(lái)判斷[7]。況且泄漏試驗(yàn)和耐壓試驗(yàn)的成本較高，受檢企業(yè)實(shí)施起來(lái)存在一定困難，因此不建議在固定式真空絕熱壓力容器定期檢驗(yàn)時(shí)進(jìn)行泄漏試驗(yàn)和耐壓試驗(yàn)。對(duì)于夾層真空度和日蒸發(fā)率，《固容規(guī)》在第8.3.4條中明確指出“夾層上裝有真空測(cè)試裝置的，檢驗(yàn)夾層的真空度；夾層上未裝真空測(cè)試裝置的，必要時(shí)進(jìn)行壓力容器日蒸發(fā)率測(cè)量[8]?！比粘z驗(yàn)中，遇到的絕大部分固定式真空絕熱壓力容器均裝有真空規(guī)管，可進(jìn)行夾層真空度的檢測(cè)。真空度僅能反映出絕熱容器避免熱對(duì)流的能力，無(wú)法反映熱傳導(dǎo)和熱輻射的情況，且數(shù)值還受到內(nèi)容器所裝介質(zhì)情況的影響。相比而言，日蒸發(fā)率更能全面反映真空絕熱容器的絕熱性能，但日蒸發(fā)率的測(cè)量費(fèi)時(shí)費(fèi)力、檢驗(yàn)成本較高，對(duì)于極少數(shù)未裝真空測(cè)試裝置的，筆者認(rèn)為只要在日常使用及宏觀檢驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)異常情況，則無(wú)需進(jìn)行日蒸發(fā)率測(cè)量。

綜上所述，為避免對(duì)固定式真空絕熱壓力容器缺乏針對(duì)性的過(guò)度檢驗(yàn)，其定期檢驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)以宏觀檢驗(yàn)、安全附件檢驗(yàn)、真空度檢驗(yàn)為主，必要時(shí)進(jìn)行日蒸發(fā)率測(cè)量、壁厚測(cè)定、表面缺陷檢測(cè)、埋藏缺陷檢測(cè)、材料分析、強(qiáng)度校核、泄漏試驗(yàn)、耐壓試驗(yàn)等項(xiàng)目。對(duì)于固定式真空絕熱壓力容器的定期檢驗(yàn)，不能機(jī)械地設(shè)定檢驗(yàn)項(xiàng)目，檢驗(yàn)人員在審查相關(guān)出廠質(zhì)量證明文件后，還應(yīng)通過(guò)查閱運(yùn)行記錄和與使用者交流的方式，對(duì)使用情況進(jìn)行了解，重點(diǎn)了解使用過(guò)程中有無(wú)異常結(jié)霜、結(jié)露現(xiàn)象，以及安全閥是否頻繁起跳、爆破片是否經(jīng)常破裂更換的情況，有針對(duì)性地檢驗(yàn)和分析。

4.2 主要定期檢驗(yàn)項(xiàng)目的檢驗(yàn)要點(diǎn)

4.2.1宏觀檢驗(yàn)

固定式真空絕熱壓力容器的宏觀檢驗(yàn)，除按《固容規(guī)》第8.3.2條對(duì)宏觀檢驗(yàn)的通用要求，實(shí)施其中可以進(jìn)行的檢驗(yàn)內(nèi)容外，還應(yīng)重點(diǎn)檢驗(yàn)以下內(nèi)容：

1.外殼的表面油漆是否完好，有無(wú)腐蝕、破損、變形、機(jī)械損傷；

2.外殼(特別是頂部和底部)有無(wú)潮濕、跑冷、結(jié)霜、結(jié)露等異常情況；

3.外殼焊縫、外殼與內(nèi)容器引出管連接的角焊縫、氣液相管與蒸發(fā)器連接的角焊縫等連接處是否存在滲漏；

4.可見(jiàn)的管路系統(tǒng)有無(wú)泄漏、腐蝕、變形等異常情況；

5.各閥門(mén)有無(wú)泄漏、破損。

4.2.2安全附件檢驗(yàn)

固定式真空絕熱壓力容器的安全附件檢驗(yàn)，除按《固容規(guī)》第8.3.12條要求檢驗(yàn)安全閥是否在校驗(yàn)有效期內(nèi)、爆破片裝置是否按期更換外，還應(yīng)檢查爆破片的安裝方向是否正確，并對(duì)爆破片進(jìn)行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)有劃傷、變形損壞的應(yīng)立即更換。

關(guān)于爆破片的更換周期，GB 567.2—2012《爆破片安全裝置 第2部分：應(yīng)用、選擇與安裝》規(guī)定可由爆破片的制造單位確定更換周期，或可由使用單位根據(jù)經(jīng)驗(yàn)自行確定爆破片的更換周期，同時(shí)規(guī)定以下三種情況應(yīng)更換爆破片[9]：

1.超過(guò)最小爆破壓力而未爆破的爆破片應(yīng)立即更換；

2.設(shè)備檢修且拆卸的爆破片應(yīng)更換；

3.苛刻條件或重要場(chǎng)合下使用的爆破片應(yīng)每年定期更換。

4.2.3真空度檢驗(yàn)

目前，大多數(shù)固定式真空絕熱壓力容器均在夾套外殼上裝有真空規(guī)管，一種測(cè)量真空度的傳感器，真空規(guī)管與夾套之間裝設(shè)有真空隔離閥。真空絕熱容器上常見(jiàn)的真空規(guī)管為熱偶型真空規(guī)管，測(cè)量時(shí)，利用外接的熱偶真空計(jì)通電給真空規(guī)管內(nèi)的加熱絲，加載一個(gè)穩(wěn)定不變的加熱電源，根據(jù)氣體分子傳導(dǎo)熱量的能力越小則真空度越高的原理，間接把真空度測(cè)量出來(lái)。

常用的熱偶型真空規(guī)管有4種型號(hào)，其中進(jìn)口的兩種：DV-4和DV-6，國(guó)產(chǎn)的2種：ZJ-51和ZJ-54。這兩種進(jìn)口真空規(guī)管具有自適應(yīng)功能，測(cè)量時(shí)無(wú)需在熱偶真空計(jì)中設(shè)置加熱電流數(shù)值，連接上即可測(cè)量；而這兩種國(guó)產(chǎn)真空規(guī)管，測(cè)量時(shí)需要按規(guī)管標(biāo)簽中給定的加熱電流在真空計(jì)中設(shè)置相應(yīng)加熱電流值[10]。早期的真空絕熱容器一般裝設(shè)的是國(guó)產(chǎn)型號(hào)的真空規(guī)管，最近10 a內(nèi)制造的真空絕熱容器一般裝設(shè)的是進(jìn)口型號(hào)的真空規(guī)管。

測(cè)量低溫絕熱容器夾套內(nèi)的真空度時(shí)，注意在測(cè)量前打開(kāi)夾套與真空規(guī)管之間的隔離閥，否則測(cè)量出來(lái)的僅僅是真空規(guī)管與隔離閥之間的真空度；測(cè)量結(jié)束后再將隔離閥關(guān)閉擰緊。

5 結(jié)束語(yǔ)

固定式真空絕熱壓力容器對(duì)真空夾套的絕熱性能有特殊要求，具有內(nèi)容器結(jié)構(gòu)不可見(jiàn)的特點(diǎn)，無(wú)法對(duì)內(nèi)容器實(shí)施直接檢驗(yàn)，與常規(guī)容器相比，有一些定期檢驗(yàn)項(xiàng)目并不適用，因此，其定期檢驗(yàn)存在一定難度[11]。了解低溫絕熱技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)、掌握真空絕熱容器的結(jié)構(gòu)形式，有助于檢驗(yàn)人員科學(xué)實(shí)施固定式真空絕熱壓力容器的定期檢驗(yàn)工作，避免過(guò)度檢驗(yàn)。

關(guān)于固定式真空絕熱壓力容器的定期檢驗(yàn)，期待能在安全技術(shù)規(guī)范中以附錄形式進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)規(guī)定，或能頒布專(zhuān)項(xiàng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也期待例如紅外熱成像[12]這樣新的檢驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)盡早被法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)采納，予以應(yīng)用。