低溫氣瓶制造技術研究

摘要：LNG車載低溫氣瓶是一種高真空多層絕熱產品，高真空多層絕熱系統有效地降低了傳入低溫液體的熱量，使得低溫液體的貯存周期得以延長，從而滿足行車供氣的要求。然而整個真空系統的絕熱性能與真空系統的真空度和絕熱材料的絕熱性能密切相關，要獲得較好的絕熱性能，那么在真空系統的獲得過程中，必須要注意制造的關鍵點。

關鍵詞：LNG車載低溫氣瓶；高真空多層絕熱系統；吸附劑活化；抽真空；真空度

1 引言

LNG車載低溫氣瓶是作為一種用以替代汽車油箱盛裝、貯存、供給燃料（液化天然氣），并且可以多次重復充裝的低溫絕熱壓力容器。

其主要結構是雙層容器。內膽能夠承受一定的壓力用來貯存和供給低溫液態(tài)的液化天然氣。在內膽外壁纏繞由玻璃纖維紙和光潔的鋁箔組成的多層絕熱材料，多層材料在高真空條件下具有熱導率低、隔熱性能高、重量輕的特點。

外殼主要用來與內膽形成夾層空間（兩層容器之間的空間）和把內膽支撐起來的作用。

夾層空間被抽成高真空與多層絕熱材料共同形成良好的絕熱系統，用以延長液化天然氣的貯存時間。

外殼和內膽之間設置支撐系統將內膽外殼合理固定。支撐系統的設計能夠承受車輛在行駛時所產生的加速、減速，運行時的振動。

氣瓶所有的外部管路、閥件都設置在氣瓶的一端，并用保護環(huán)或保護罩進行防護。閥門系統的設置能夠滿足液化天然氣的充裝和供給。

LNG車載低溫氣瓶的真空多層絕熱系統是一項新的絕熱技術，對改善車載低溫氣瓶的絕熱性能，提高真空壽命，降低蒸發(fā)率具有重要意義。這項技術工藝要求高，施工難度大。應用這一新技術制造車載低溫氣瓶時要控制好以下幾點：

（1）控制施工過程的清潔度與濕度

多層絕熱施工應在有空調器的干燥、潔凈的廠房內進行，溫濕度應分別控制在25℃和40%以內。操作人員應著潔凈的淺色工作服并戴帽子和口罩，雙手佩戴白色手套。低溫氣瓶夾層內、外壁在組裝前要徹底去油、清潔并作干燥處理。絕熱材料要事先進行脫脂、烘干處理。操作過程中要切實防止油、水和其它污染物進入低溫氣瓶夾層。這是因為污染物特別是油污、水分子進入低溫氣瓶夾層都會導致延長抽真空時間，甚至真空度抽不到規(guī)定值的嚴重后果。

（2）控制絕熱材料的包扎型式及質量

包扎型式主要是指絕熱材料層的纏繞型式，一般有兩種方法。一是“螺旋”式纏繞法，其二是“筒體竹節(jié)”式纏繞法。在此僅述“筒體竹節(jié)”式纏繞法。在內容器外壁先纏繞兩層玻璃纖維紙，從第三層開始，纏繞復合好的絕熱層。當纏繞達到4層時，剪斷絕熱層，用鋁箔帶固定好，在剪斷處搭接100毫米復合層后繼續(xù)纏繞，如此重復，直到達到纏繞要求的層數為止。而包扎質量主要是指包扎的松緊度和貼合度。外筒體連接部位包扎的貼合度，同時也要注意包扎過程的連續(xù)性（包扎過程不宜中斷）。包扎的松緊度以用手拉緊絕熱材料并使其與被包扎的部位貼合為宜。過松過緊都不好。過松影響包扎的均勻性，對外容器的套裝造成影響；過緊則不利十空氣流動，不利于氣體的排放，會影響抽真空的效果和時間。包扎過程之所以要連續(xù)，同樣是為了提高包扎質量，防止因包扎過程中斷而引起松緊度不均勻。

（3）控制絕熱材料的厚度

絕熱材料包括以雙零鋁箔紙為輻射屏（有透氣孔）的金屬材料和以玻璃纖維紙為間隔物的非金屬阻燃材料。絕熱材料的厚度由輻射屏和間隔物的層數和每層的厚度決定。對于多層絕熱材料。單位厚度內多層絕熱輻射屏的數目稱為層密度，符號為N，單位為屏/cm。在單位厚度絕熱層中，當層數增加時，輻射傳熱將減小，而接觸熱阻減小。固體導熱將增加，它們的關系如圖2所示，故存在一個最佳層密度[1]。 圖1是以鋁箔和玻璃纖維紙所組成的多層絕熱體的熱導率和層密度的關系。從圖中可以看出其最佳層密度約為20～40層/cm。在制造過程中，可以根據實際協調具體層數。

（T300-70K）[1]

（4）夾層空間真空度的控制

在影響多層絕熱性能的諸多因素中，真空度起到十分關鍵的作用。研究表明，當真空度較低即P>10Pa時，真空度變化對熱導率的影響不大；當真空度為10-10-2Pa區(qū)間，隨著真空度的提高，熱導率急速下降；當真空度優(yōu)于10-3Pa時，熱導率趨近恒定值[1]。因此，一般夾層的表觀真空度要優(yōu)于10-2Pa，多層絕熱才能充分發(fā)揮效果，達到良好的絕熱目的，如圖2所示。

（5）吸附劑的活化

抽真空封口后，夾層中材料仍繼續(xù)放氣，主要氣源有[2]：（a）夾層內外金屬壁材料的放氣。（b）多層絕熱用鋁箔的放氣。（c）玻璃纖維紙的放氣。氣體的放出，導致真空度下降，氣瓶的絕熱性能也隨之下降。而吸附劑可以吸收夾層空間的氣體，因此，在夾層中放入吸附劑是維持真空度的要求。由于吸附劑在放入真空夾層之前吸收了氣體，導致其吸附能力下降，所以，吸附劑在放入真空夾層之前必須進行活化處理，使其吸附的氣體充分排出來，以便在裝入真空夾層后最大限度地吸收夾層空間的殘余氣體，從而維持夾層的真空度。所以選擇合適的吸附劑活化工藝很關鍵，LNG車載氣瓶的吸附劑選的5A分子篩，經過反復實驗研究，5A分子篩在200度的烘烤箱里保溫8小時后吸附能力較佳。

（6）控制抽真空的工藝

與普通絕熱相比，多層絕熱抽真空的難度要大得多。這是因為：第一，多層絕熱氣瓶真空度要求高。多層絕熱氣瓶真空度要求由普通絕熱的1Pa提高到0.01Pa，提高2個數量級；第二，抽真空的時間長。這是由絕熱層的巨大抽氣阻力以及要不斷抽取夾層材料和吸附劑在抽空過程中放出來的氣體所造成的。為加快抽氣，要選擇合適的抽真空土藝。首先，在抽真空過程中，可以間斷地用干燥的高純氮和高純度的二氧化碳氣置換沖洗夾層，以有效置換出夾層中的難抽氣體；其次，在抽真空過程中加熱。因為升高材料的溫度是加速材料表面出氣、縮短抽真空時間的最有效方法。最好的加熱方法是在抽真空開始前進行內外同時加熱，待所有部件都達到給定溫度之后，再開始抽真空。但真空絕熱容器的加熱不能過高，因為絕熱材料、容器中的一些釬焊件以及一些密封元件等不能經受高的溫度。通常，LNG車載氣瓶真空夾層的加熱溫度不能高+200C，因此，加熱溫度一般控制在200℃以內。采用電爐加溫時，可通過選擇加溫電爐的功率和調節(jié)電爐與氣瓶筒體的距離來實現；再次，還要借助先進的抽真空設備。羅茨泵只能用十抽真空的前期，后期必須用分子泵，才能抽到所需的真空度。

（7）管路的制作

管件必須經過脫脂處理，制作的管件必須去掉毛刺吹掃干凈后再焊接，在管件上有密封墊的元件應該注意密封墊是否會受焊接熱量的影響。焊接組裝完成后，應當用干燥氮氣或者潔凈空氣對管道系統進行吹掃，以免雜質對密封元件造成損害。

2、結束語

本文通過對LNG氣瓶制作要點所涉及到的要點進行控制，因為工藝參數、絕熱材料的包扎和操作水平、操作環(huán)境的不同，每臺LNG車載氣瓶實際絕熱效果都有差別。但在制造過程中，對影響絕熱性能的要點加強控制，嚴格按照制定的工藝施工，均可以保證LNG車載氣瓶的絕熱質量，保障LNG車載氣瓶的優(yōu)質性能。

參考文獻：

[1]徐烈.低溫與儲運技術[M].北京，機械工業(yè)出版社，1999.

[2]徐成海，張世偉，謝元華等.真空低溫技術與設備[M].北京，冶金工業(yè)出版社，2007.9.

作者簡介：胡健，男，1983年4月出生，東北大學機械工程與自動化學院，本科畢業(yè)生。