新型寬量程真空測量裝置研究及運(yùn)用

何遠(yuǎn)新 黃政賢 李 濘 周偉明 甘智華 任元國 盧 海 熊珍艷 袁 蛟

(1 中車長江車輛有限公司冷運(yùn)裝備研究所 武漢 430212)

(2 成都國光電氣有限公司 成都 611800)

(3 全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)移動(dòng)式壓力容器分技術(shù)委員會(huì) 上海 200030)

(4 浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 杭州 310027)

1 引言

隨著我國能源結(jié)構(gòu)向清潔能源方向發(fā)展及結(jié)構(gòu)調(diào)整,液化天然氣(Liquified Natural Gas,簡稱LNG)應(yīng)用日益增多[1],其常溫下標(biāo)態(tài)沸點(diǎn)為-162 ℃低溫,其儲(chǔ)運(yùn)應(yīng)采用真空絕熱流體儲(chǔ)運(yùn)裝備。該類裝備為特種裝備,產(chǎn)品性能指標(biāo)要求越來越高。在各項(xiàng)性能指標(biāo)中,夾層真空度是一項(xiàng)非常重要的指標(biāo),對產(chǎn)品的保溫性能有著決定性影響。真空度的喪失,將導(dǎo)致產(chǎn)品保溫失效,LNG 受熱膨脹產(chǎn)生內(nèi)膽破裂外泄的高風(fēng)險(xiǎn)。必須要通過真空測量裝置來安全有效的檢測夾層真空度的狀況,同時(shí)真空測量裝置的應(yīng)具備低漏率,確保該環(huán)節(jié)的安全可靠性,對罐箱夾層真空壽命不產(chǎn)生影響。

我國特種設(shè)備相關(guān)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)要求在在每個(gè)真空絕熱流體儲(chǔ)運(yùn)裝備上均安裝有真空測量裝置,并提出了相應(yīng)的技術(shù)要求[2]。如NB/T47059-2017《冷凍液化氣體罐式集裝箱》等標(biāo)準(zhǔn)中要求“充裝易燃、易爆介質(zhì)的罐體,應(yīng)選用不會(huì)產(chǎn)生火花的真空規(guī)管,并設(shè)置保護(hù)裝置,真空閥門與真空接頭的漏率與罐體真空夾層漏氣速率相匹配”。

長期以來,我國以LNG 儲(chǔ)運(yùn)裝備為代表的領(lǐng)域,均使用美國哈斯汀公司(Teledyne Hastings Instruments)生產(chǎn)的DV 系列真空測量裝置,如圖1 所示,主要由DV-6 熱偶型真空規(guī)管和美國霍克真空截止閥以及保護(hù)罩組裝而成。

圖1 DV 系列真空測量裝置Fig.1 DV series vacuum measuring device

該型產(chǎn)品在我國已經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)近20 年左右,隨著我國真空低溫絕熱流體儲(chǔ)運(yùn)裝備的技術(shù)發(fā)展,該型產(chǎn)品也暴露出一些問題,具體如下:

(1)真空度測量范圍窄。DV 系列真空測量裝置只能測量到10-1Pa,而以LNG 儲(chǔ)運(yùn)裝備為代表的深冷絕熱罐體工作冷態(tài)真空度一般可達(dá)10-3—10-4Pa;

(2)接口處泄漏風(fēng)險(xiǎn)大。DV 系列真空測量傳感器采用NPT1/8 螺紋接口,并在連接處涂覆密封膠輔助密封,屬于一種低真空密封,同時(shí)漏氣速率比較大,現(xiàn)有DV 系列真空測量裝置的本體漏氣速率在10-6—10-8Pa·m3/s 左右,而標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的高真空絕多層絕熱流體儲(chǔ)運(yùn)裝備的漏率需為5.0 ×10-9Pa·m3/s,同時(shí)密封膠難以適應(yīng)復(fù)雜真空獲得及運(yùn)用環(huán)境,存在失效的風(fēng)險(xiǎn),進(jìn)而影響高深冷絕熱裝備的真空設(shè)計(jì)使用年限及壽命。

(3)封裝選材及封裝工藝影響儀表使用。現(xiàn)有DV 系列真空測量傳感器內(nèi)所采用的玻璃—金屬材料工藝密封,其抗鹽霧以及抗振性沒有陶瓷-金屬材料工藝密封性能好,可靠性存在隱患,特別是在海洋運(yùn)輸環(huán)境中可能會(huì)產(chǎn)生泄漏失效。

綜上,我國在真空低溫絕熱流體儲(chǔ)運(yùn)裝備領(lǐng)域,以LNG 儲(chǔ)運(yùn)裝備為代表,急需開展相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究及試驗(yàn)和運(yùn)用,以全面提升我國在LNG 清潔能源等領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展水平,適應(yīng)高質(zhì)量發(fā)展要求。

2 總體設(shè)計(jì)

以LNG 罐箱為典型應(yīng)用方向產(chǎn)品,結(jié)合真空絕熱流體儲(chǔ)運(yùn)裝備特點(diǎn),總體設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮如下幾方面:

2.1 測量范圍

真空測量裝置的測量范圍應(yīng)有效反映低溫絕熱流體儲(chǔ)運(yùn)裝備在制造、運(yùn)用、檢驗(yàn)及維修等各環(huán)節(jié)的實(shí)際夾層真空度。

我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18442-2019《固定式真空絕熱深冷壓力容器》,以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T47059-2017《冷凍液化氣體罐式集裝箱》中,要求常溫下真空夾層封結(jié)真空度不低于8.0 ×10-2Pa,儲(chǔ)運(yùn)深冷液體介質(zhì)后夾層冷態(tài)真空度一般達(dá)到10-4—10-2Pa,同時(shí)在夾層真空獲得之前夾層中為大氣壓力,結(jié)合上述情況,真空測量范圍應(yīng)為1 ×10-4—1 ×105Pa。

2.2 真空漏氣速率

國家能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T47059-2017《冷凍液化氣體罐式集裝箱》要求真空閥門與真空接頭的漏率與罐體真空夾層漏氣速率相匹配,而且規(guī)定其真空夾層的漏放氣速率不低于1 ×10-9Pa·m3/s。

真空測量系統(tǒng)的漏氣速率應(yīng)優(yōu)于所需要安裝系統(tǒng)的指標(biāo),且高出一定的裕量,為系統(tǒng)其它部件的漏氣速率進(jìn)行預(yù)留,該指標(biāo)越高代表系統(tǒng)的性能越優(yōu)異,但指標(biāo)越高,技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能越差,綜合上述因素,確定為優(yōu)于1 ×10-11Pa·m3/s。

2.3 使用環(huán)境溫度

根據(jù)NB/T47059-2017《冷凍液化氣體罐式集裝箱》規(guī)定,真空絕熱流體儲(chǔ)運(yùn)裝備使用環(huán)境溫度范圍為-40—50 ℃,寬量程小體積可遠(yuǎn)傳真空測量裝置作為真空絕熱流體儲(chǔ)運(yùn)裝備的關(guān)鍵部件,使用環(huán)境溫度應(yīng)與裝備本體使用環(huán)境溫度一致。

2.4 密封要求

由于真空測量裝置真空失效將導(dǎo)致深冷液體介質(zhì)快速膨脹,進(jìn)而引起夾層或者內(nèi)容器壓力升高,罐體破裂及介質(zhì)漏等安全事故,因此要求真空測量裝置應(yīng)具備高可靠性及密封性,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上避免螺紋連接,避免膠水密封等無法獲得高真空及不可靠的連接方式。

2.5 真空測量儀表(規(guī)管)防爆等級要求

以LNG 為例,其屬于易燃易爆氣體,0.28 mJ 靜電火花即可引爆,真空測量裝置中所用的復(fù)合真空規(guī)管屬于防爆產(chǎn)品,其防爆等級應(yīng)滿足GB3836.1-2010《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第1 部分:通用要求》中的甲烷防爆等級要求。

2.6 設(shè)計(jì)載荷的確定

真空測量裝置應(yīng)與深冷儲(chǔ)運(yùn)裝備一起滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的載荷要求,在所有真空絕熱流體儲(chǔ)運(yùn)裝備中,以40 英尺鐵路及其公水(海)路多式聯(lián)運(yùn)LNG 罐箱縱向沖擊加速度最大,其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)能承受滿載時(shí)在鐵路運(yùn)輸中所經(jīng)歷的典型機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的不小時(shí)4倍額定質(zhì)量乘以重力加速度的沖擊力,其它方向載荷也應(yīng)滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定:

(1)運(yùn)動(dòng)方向:4 g;

(2)與運(yùn)動(dòng)方向垂直的水平方向:1 g;

(3)垂直向上:1 g;

(4)垂直向下:2 g。

2.7 選材

真空測量裝置的材料選擇應(yīng)與運(yùn)用環(huán)境、真空密封性能要求及漏率要求及相適應(yīng)。

流體儲(chǔ)運(yùn)裝備一般在戶外使用,國內(nèi)各地歷年來月平均氣溫的最低值可達(dá)-40 ℃,因此外殼所選材料最低設(shè)計(jì)金屬溫度應(yīng)能耐-40 ℃;罐箱除在陸地使用,還參與鐵公海(水)聯(lián)合運(yùn)輸,因而經(jīng)常在海上使用,應(yīng)選擇耐海水腐蝕的材料;裝置漏氣速率優(yōu)于1 ×10-11Pa·m3/s,因此應(yīng)選擇低放氣率材料,如真空法蘭密封選用放氣速率低的無氧銅墊圈。抽真空烘烤過程中,真空監(jiān)測裝置所處的環(huán)境溫度可達(dá)150 ℃,因而其真空測量儀表(規(guī)管)內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)能在上述溫度下具有良好耐受性。真空測量裝置外殼及可海與海洋重鹽霧接觸的村料應(yīng)選擇具有良好耐海水腐蝕的材料或表面進(jìn)行防腐處理,達(dá)到相應(yīng)的耐腐蝕要求。

綜合上述方面,設(shè)計(jì)的真空測量裝置結(jié)構(gòu)布局如圖2 所示。

圖2 結(jié)構(gòu)布局Fig.2 Structural layout

3 LNG 罐箱裝用真空測量裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

研制了2 種新型真空測量裝置系統(tǒng),按照通道的數(shù)量,分為雙通道真空測量裝置和三通道真空測量裝置,三通道真空測量裝置是在雙通道真空測量裝置基礎(chǔ)上的優(yōu)化和升級,主要體現(xiàn)在真空截止閥部分多留出1 個(gè)通道,用于在更換真空規(guī)管之前,先用小型抽真空機(jī)組對真空測量系統(tǒng)與罐體夾層連接部分氣腔進(jìn)行抽真空處理,使得該部分真空度不會(huì)導(dǎo)致罐體系統(tǒng)真空壓力的升高,2 種結(jié)構(gòu)如圖3 和圖4 所示。

圖3 雙通道真空測量裝置Fig.3 Dual-channel vacuum measuring device

圖4 三通道真空測量裝置Fig.4 Three channel vacuum measuring device

3.1 雙通道真空測量組件

雙通道真空測量組件由雙通道真空截止閥、組合式真空規(guī)管、規(guī)管保護(hù)罩、無氧銅密封墊圈及連接緊固件等組成。

真空截止閥一端和LNG 罐箱罐體焊接,另外一端與組合式真空規(guī)管采用CF16 法蘭連接,高真空專用,并采用無氧銅密封墊圈進(jìn)行金屬密封。主體采用不銹鋼制造并經(jīng)酸洗鈍化及除油處理,降低放氣速率。與DV 系列真空測量裝置相比,取消了螺紋連接及密封膠封裝,全面提升了系統(tǒng)漏氣性能。

組合式真空測量規(guī)管為創(chuàng)新研制的由熱偶規(guī)與熱陰極電離規(guī)組成的組合式規(guī)管,在低真空區(qū)利用熱偶規(guī)進(jìn)行測量,測量范圍為0.1 Pa 至大氣壓力;在高真空區(qū)利用熱陰極電離規(guī)進(jìn)行測量,測量范圍為10-5至10-1Pa。

3.2 三通道真空測量組件

三通道真空測量組件由三通道真空截止閥、組合式真空測量規(guī)管、規(guī)管保護(hù)罩、無氧銅密封墊圈及連接緊固件等組成。

三通道真空截止閥一端和LNG 罐箱罐體焊接,另一端與組合式真空規(guī)管采用CF16 法蘭連接及無氧銅密封墊圈進(jìn)行金屬密封,另增加的第三個(gè)通道為KF 法蘭式抽真空接口,用以檢修及更換規(guī)管等作業(yè)。

3.3 真空測量裝置保護(hù)罩

真空裝置保護(hù)罩由非金屬保護(hù)罩、安裝筋板、筋板安裝定距管、螺栓緊固件和鉛封組成,安裝筋板為不銹鋼材質(zhì),通過定距管確定安裝間距后以焊接方式固定在真空絕熱流體儲(chǔ)運(yùn)裝備外殼上,非金屬保護(hù)罩通過螺栓與安裝筋板連接。

非金屬保護(hù)罩由高分子非金屬復(fù)合材料澆注成形,具有機(jī)械強(qiáng)度高,輕量化的特點(diǎn),能夠很好的保護(hù)真空測量裝置。

4 相關(guān)計(jì)算分析及試驗(yàn)

4.1 相關(guān)計(jì)算分析

4.1.1 焊縫強(qiáng)度計(jì)算及仿真分析

按照NB/T47059-2017《冷凍液化氣體罐式集裝箱》中鐵路運(yùn)輸工況中最大加速度4 g 進(jìn)行理論焊縫強(qiáng)度校核,建立的有限元計(jì)算模型如圖5,計(jì)算了焊縫位置的拉伸、剪切及彎曲應(yīng)力。最大應(yīng)力為真空截至閥與罐體連接焊縫位置的彎曲應(yīng)力,裝用三通道真空測量裝置時(shí)應(yīng)力水平最高,為0.397 MPa,小于焊縫許用應(yīng)力95.9 MPa。

圖5 有限元應(yīng)力分析建模Fig.5 Finite element stress analysis modeling

采用ANSYS 有限元分析軟件,按照NB/T47059-2017《冷凍液化氣體罐式集裝箱》 中載荷工況及JB4732-1995《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(2005年確認(rèn))標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法,進(jìn)行焊縫強(qiáng)度仿真分析。有限元計(jì)算結(jié)果表明,縱向4 g 沖擊工況下應(yīng)力最大,位于裝置與筒體連接的焊縫處,為局部應(yīng)力,具體計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 鐵路4 g 沖擊試驗(yàn)測真空裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)力評定Table 1 Structural strength and stress evaluation of vacuum device for railway 4 g impact test

4.1.2 模態(tài)分析

采用ANSYS 有限元分析技術(shù),對真空測量裝置進(jìn)行模態(tài)分析,得出裝置的1 階固有頻率。

對雙通道真空規(guī)管和三通道真空規(guī)管分別建模,對其進(jìn)行模態(tài)分析。圖6 分別為雙通道和三通道的一階模態(tài)變形圖,雙通道真空規(guī)管341 Hz,三通道真空規(guī)管189 Hz。

圖6 一階固有頻率模態(tài)變形Fig.6 First order natural frequency modal deformation

4.2 試驗(yàn)研究

真空測量裝置作為低溫絕熱流體儲(chǔ)運(yùn)裝備上的重要儀表及安全附件,與裝備一起在戶外使用,面臨高溫、低溫、振動(dòng)、海上鹽霧腐蝕等復(fù)雜惡劣環(huán)境,結(jié)合運(yùn)用工況開展了試驗(yàn)研究,具體如下:

(1)低溫試驗(yàn)

按照GB/T2423.1-2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)第2 部分試驗(yàn)方法試驗(yàn)A:低溫》完成了低溫試驗(yàn)并符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)高溫試驗(yàn)

按照GB/T2423.2-2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)第2 部分試驗(yàn)方法試驗(yàn)B:高溫》完成了高溫試驗(yàn)并符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3)振動(dòng)試驗(yàn)

按GB/T21563-2018《全軌道交通機(jī)車車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》完成了沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)并符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

(4)鹽霧試驗(yàn)

按GB/T2423.18-2012《環(huán)境試驗(yàn)第2 部分:試驗(yàn)方法試驗(yàn)Kb:鹽霧,交變(氯化鈉溶液)》的嚴(yán)酷等級(2)(經(jīng)常暴露于海洋環(huán)境、但通常會(huì)受封閉物保護(hù)的產(chǎn)品)完成了鹽霧試驗(yàn),并符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

(5)漏率檢測

按GB/T18443.3-2010《真空絕熱深冷設(shè)備性能試驗(yàn)方法第3 部分:漏率測量》完成了真空漏氣速率檢測,并符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 運(yùn)用情況

5.1 安裝及運(yùn)用情況

寬量程小體積可遠(yuǎn)傳真空測量裝置采用氬弧焊焊接方法與LNG 罐箱等深冷儲(chǔ)運(yùn)裝備的真空夾層連接并固定,其現(xiàn)場安裝及運(yùn)用情況如圖7 所示。

圖7 安裝及運(yùn)用Fig.7 Installation and application

2021 年1 月1 日,“鴻達(dá)鑫18 號(hào)”運(yùn)輸船裝運(yùn)了39 臺(tái)40 英尺LNG 多式聯(lián)運(yùn)罐式集裝箱,單臺(tái)LNG罐箱載重17.5t。1 月6 日順利抵達(dá)山東日照港,經(jīng)公路運(yùn)輸至終端加氣站等目的地,用于當(dāng)?shù)囟綥NG 清潔能源保障工程,圓滿完成了大規(guī)模LNG 罐箱“南氣北運(yùn)”項(xiàng)目。經(jīng)過運(yùn)用,可以有效滿足實(shí)際使用要求。

5.2 真空測量

配套研制了手持式真空測量儀,將其與真空規(guī)管插接,打開真空規(guī)管閥,使真空規(guī)定與真空待測設(shè)備之間形成通路,即可進(jìn)行LNG 罐箱等真空深冷絕熱裝備的真空度測量,如圖8 所示,所測試的“南氣北運(yùn)”項(xiàng)目中的一臺(tái)LNG 罐箱(DLHU1800124)裝液后的真空度為0.004 7 Pa。

圖8 真空測量Fig.8 Vacuum measurement

在低溫深冷裝備現(xiàn)場測量時(shí)采用手持式真空測量儀,可有效避免采用大型擴(kuò)散泵等高真空機(jī)組連接才能進(jìn)行夾層高真空測量的既有真空測量方式,具有顯示精度高、響應(yīng)速度快、數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)、可遠(yuǎn)傳、輕便快捷、測量方便等顯著優(yōu)勢。

6 總結(jié)

結(jié)合技術(shù)規(guī)范及實(shí)際運(yùn)用需求,系統(tǒng)分析了我國低溫深冷絕熱裝備用真空測量裝置存在的主要問題,如真空度測量范圍窄、接口處泄漏風(fēng)險(xiǎn)大、封裝選材及封裝工藝影響儀表使用等方面。結(jié)合LNG 多式聯(lián)運(yùn)罐式集裝箱用真空測量裝置性能提升的要求,系統(tǒng)進(jìn)行了真空測量范圍、漏放氣速率、密封及選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等總體設(shè)計(jì),提出了具體技術(shù)指標(biāo)。開展了焊縫強(qiáng)度計(jì)算,以及有限元應(yīng)力及模態(tài)仿真,進(jìn)行了高低溫、漏率等試驗(yàn)。裝用在LNG 多式聯(lián)運(yùn)液化天然氣罐箱上,在我國海洋及公路運(yùn)輸LNG“南氣北運(yùn)”項(xiàng)目進(jìn)行了運(yùn)用考驗(yàn)。通過上述工作,有效提升了真空測量裝置的系統(tǒng)安全可靠性,保障了LNG 等低溫深冷儲(chǔ)運(yùn)裝備的真空性能,應(yīng)用于我國LNG 清潔能源的儲(chǔ)運(yùn)工程實(shí)踐,推進(jìn)了我國低溫深冷儲(chǔ)運(yùn)裝備用新型真空測量裝置領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展。