烘房對真空管道產品質量提升的探究

宋 健， 趙 斐

（北京航天試驗技術研究所， 北京 100074）

0 引言

真空多層絕熱管一般由內管、外管、真空法蘭、纏繞層、吸附劑、抽空咀、支撐、擋環等幾個部件組成[1]，主要依靠內管與外管之間的高真空環境， 極大地減少內管介質與外部環境的換熱，從而大幅降低管內介質汽化，保證了低溫流體（如液氫、液氧、液氮、液化天然氣等）在運輸中的經濟性，具有極為重要的作用。

1 氣體熱沖洗工藝

1.1 氣體熱沖洗工藝簡介

真空管道夾層的真空度對其絕熱性能起著決定性作用，夾層的真空則靠真空系統的抽氣來完成，真空排氣工藝經歷了數十年的發展，目前已經有單純排氣工藝、抽空加熱排氣工藝、空氣預加熱排氣工藝、氣體熱沖洗排氣工藝和間斷排氣工藝幾種[2]。

氣體熱沖洗工藝的步驟是： ①把管道在空氣中預加熱到80℃；②使用機械泵對管道夾層抽真空，待夾層真空度達到10-1～20Pa；③暫時停止抽真空，使用易脫附的、具有一定溫度（100℃左右）的無害干燥氣體（一般為氦、氮、氬、二氧化碳等）充入，并保持微正壓；④重復上述第2、3步，反復進行2～4 次，在進行的過程中繼續加熱到達允許的溫度100～120℃；⑤充氣過程完成后，進行正式抽氣，直至夾層動態、靜態真空度滿足設計需求。

1.2 氣體熱沖洗工藝優越性

1.2.1 充入氣體對夾層氣體的置換、脫附作用

真空多層絕熱管的夾層在抽真空之前， 夾層氣體成分主要為空氣，夾層內的絕熱材料、吸附劑、支撐等部件會吸附部分水蒸氣。 一般的排氣工藝由于在抽空時流阻很大[3]，很難將大部分水蒸氣抽出，而氣體熱沖洗工藝的第一步，就是加熱管道，并使用機械泵預抽真空，將夾層空間內的空氣以及材料表面吸附的部分水蒸氣抽出，后續幾步反復充入干燥惰性氣體， 是在逐步使夾層空間以及材料表面的氣體成分發生變化， 進一步地使夾層原有的水蒸氣與空氣成分被抽出。

1.2.2 充入氣體具有裹挾作用

在真空多層絕熱管的夾層空間中，內管外壁上往往纏繞著20～30 層的絕熱材料，一般的排氣工藝在抽真空時需要克服很大的排氣阻力，夾層內的一些小的氣體分子和水蒸氣很難被抽出。氣體熱沖洗工藝在向夾層中充入氣體的過程中，對管道整體進一步升溫，微觀層面上，夾層內的惰性氣體分子動能升高，平均自由程變短，碰撞更加頻繁，可以將絕熱層間部分難以被抽出的氣體攜帶出來，再被機械泵排出，有利于降低管道夾層的絕對壓力。

1.2.3 充入氣體具有傳熱作用

真空多層絕熱管在組焊之前， 其夾層內的材料如：絕熱層、吸附劑、支撐、擋環等，已經在高溫烘箱內進行過烘烤， 目的是除去這些材料吸附的水蒸氣與氫氣，但是在絕熱層包覆、真空管組焊過程中，這些材料不可避免地會吸附空氣中的水蒸氣和其他成分，這些成分在常溫條件下不易脫附，往往需要在較高的溫度（100～120℃）下才可以脫附，然而由于真空管本身具有一定的絕熱性能，在真空管裝配完成后再加熱夾層，需要耗費更多的資源，加熱效率也較低。 在夾層中多次充入具有一定溫度的氣體，氣體分子與夾層內部件直接接觸，可以利用氣體分子的傳熱作用， 充分加熱夾層內的絕熱材料、 吸附劑、支撐等部件，高溫可以加速這些材料的放氣，從而降低夾層在抽真空時的流阻，再配合氣體分子的席卷作用，可以大大減少真空絕熱管道的抽空時間， 同時又能提高管道的抽空質量。

總之對于真空多層絕熱管道而言， 氣體熱沖洗排氣工藝具有作用直接、吸附劑活化效果好、抽空后夾層壓力低、漏放氣速率小以及真空壽命長等諸多優點。

2 某車間真空管道生產現狀

某真空多層絕熱管道生產車間采用了氣體置換沖洗工藝，對車間已交付的10 根不同規格的真空管的抽真空時間、封口真空度、漏放氣速率、理論真空壽命、實際真空壽命進行了數據統計，結果如下：

由表1 可以看出，某真空多層絕熱管道生產車間加工時的抽真空時間較長，封口真空度和漏放氣速率整體符合相關的標準，但是在行業內，封口真空度較高，漏放氣速率較大，相應的真空壽命也偏小。 分析原因主要有兩點。

表1 已交付產品信息統計

2.1 管道加熱能力不足

真空多層絕熱管道的加熱方式為： 在外管的外壁纏繞加熱帶，在內管放入加熱棒，設定溫度為100℃，通電加熱來實現對管道整體的加熱， 如圖1 所示。 在生產過程中，內管加熱棒的溫度很快便能達到100℃，但外管加熱帶由于是直接暴露在空氣中的，散熱嚴重，溫度始終維持在65℃左右，管道預熱的溫度不足。

圖1 先前真空管道加熱實施圖

此外，內管也會出現加熱不均勻的情況。 為了使加熱棒的熱量利用效率更高， 在加熱棒上每隔一段距離設置了翅片增加導熱，如圖2 所示，翅片與內管接觸的部分，由于持續的加熱，溫度會比其他部分高出很多， 造成內管加熱不均勻的情況， 有時甚至會出現熱變形，對真空絕熱管道生產質量是一種隱患。

圖2 加熱棒示意圖

2.2 充入氣體溫度不高

真空多層絕熱管在生產的過程中， 充入的為常溫CO2氣體， 氣體需要到達管道夾層后再被加熱， 加熱速度較慢，效果也較差，夾層內的絕熱材料與吸附劑無法被充分加熱，造成抽真空的效果較差，管道夾層的綜合漏放氣速率較高。

3 烘房對真空管品質的提升作用

3.1 烘房設備的提出

烘房是具有一定封閉性的供熱設備，多用于電機、電氣、涂料、食品加工等行業，烘房內部有熱風循環系統，保證烘房內溫度分布均勻。 如果應用于車間的真空絕熱管道加工，在管道抽真空時，可以把管道放在烘房中整體加熱，在烘房外壁上預留開孔，以供真空機組抽真空管路與抽空咀連接。 此時，在整個真空絕熱管的生產過程中，都處在較高的預設溫度下，夾層內水蒸氣、空氣等雜質氣體充分被排出，真空管道的產品質量也更好。

本次選用的烘房啟動功率為70 kW， 穩定運行功率為20 kW，烘房內溫度可以保持為30℃～150℃，烘房可同時完成30 根大小不同的真空管道同時加熱處理，外觀形狀如圖3 所示。

圖3 烘房外觀圖

3.2 烘房對真空管道生產工藝的提升

烘房對車間真空多層絕熱管道生產工藝的提升，主要為管道加熱溫度提高。 生產過程中溫度的提高，有利于促進管道夾層內放氣，降低夾層的綜合漏放氣速率。

烘房加入真空管道生產工藝后，在管道預熱階段，將烘房內溫度調至85℃，穩定后使用機械泵預抽真空，氣體置換階段，則把烘房溫度調至110℃。與此同時，對參與置換的CO2充入氣體管路進行了改造， 如圖4 所示，CO2在進入夾層之前會先經過一段位于烘房內的管路， 烘房內循環流動的高溫空氣吹向管路，對管內CO2加熱，隨后，更加高溫的CO2進入真空管道夾層，與夾層內絕熱材料、支撐環、吸附劑充分接觸換熱。 而之前的工藝，在置換過程中，需要先耗費大量的時間對夾層內的CO2加熱，隨后再混合，浪費了大量的時間。 對從夾層中抽出的氣體溫度進行了檢測，并進行對比，結果如表2 所示。

圖4 CO2 改造管路系統示意圖

表2 夾層溫度的變化

3.3 工藝改進后數據與之前的對比

烘房加入了真空絕熱管道的生產工藝后， 車間在新工藝下生產了一批真空多層絕熱管道， 抽取了其中10根，對管道的一些生產數據統計，結果如表3 所示。 管道的平均抽空時間從30 天下降為18 天， 相比之前減少了40%；平均的封口真空度由7.43×10-4Pa 降至5.69×10-4Pa，下降了23.42%；平均的漏放氣速率從6.52×10-6Pa·L/s 下降至4.87×10-6Pa·L/s，下降了25.31%；平均理論真空壽命[4]由3.61 年提升至4.89 年，增長了35.45%。

表3 烘房加入后真空管道的產品相關數據

4 結論

烘房的加入使得真空多層絕熱管道在生產過程中加熱溫度大幅提高，更加接近設定水平，且加熱溫度均勻穩定，使得管道夾層內氣體排氣充分，降低了成品管道的漏放氣速率。

烘房的加入為管道生產的氣體置換過程提供了更高溫的置換氣體，減少了置換氣體加熱的時間，同時，由于夾層在高溫環境下放氣充分， 同等條件的真空機組可以更快將夾層內的真空條件抽至設定要求， 為生產班組節約更多的能源成本與人力成本。