低溫液體儲槽的真空修復

趙廣彪

北京首鋼氣體有限公司，中國·北京 101304

1 引言

在現實生產中，隨著低溫液體儲槽使用年限的增長，由于絕熱材料的放氣和殼體的泄漏，低溫液體儲槽的夾層真空度呈逐年下降趨勢，一般在使用3～5年后需要對不符合要求的設備進行維護和真空修復。論文主要以公司移動式液化天然氣低溫液體儲槽即LNG低溫液體運輸半掛車為例介紹低溫液體儲槽的真空修復，并根據實際操作經驗和現場反饋詳細敘述有關的注意事項和要點。

2 低溫技術的發展及應用

20世紀初，膨脹機制冷方法的發明使氣體液化技術邁出實驗室開始走上工業規模，液化空氣的技術隨之發展為制氧工業。近代隨著社會經濟的發展以及科學技術的進步，低溫技術得到進一步的研發和應用，被廣泛應用于焊接、航空、醫療、電子、材料、化工和能源等領域[1]。低溫技術的應用實際上是低溫液體的廣泛使用，而這些低溫液體多為某些氣體的液態形式，其沸點往往都在-150℃以下，在常溫環境中這些低溫液體極易吸熱氣化，同時由于其具有較高的氣化比，急劇氣化會形成大量氣體，在封閉容器內堆積會造成壓力急劇上升而形成危險。面對當今時代各行各業對低溫液體的大量需求，為解決低溫液體因受熱蒸發而帶來的經濟損失和安全風險，能夠儲運低溫液體的低溫液體儲槽應運而生，為大量低溫液體的儲運提供了可能性。

3 低溫液體儲槽簡介

低溫液體儲槽分為固定式和移動式，固定式又分為立式和臥式，移動式主要以低溫液體運輸半掛車為代表。儲槽結構為夾套式真空容器，由兩個同心圓罐組成，內筒和外筒間有拉撐件使兩者聯系在一起，外筒一般為碳鋼材質，內筒一般為耐低溫的不銹鋼材質，盛裝低溫液體比如液氧、液氮、液氬和液化天然氣等，圖1為低溫液體儲槽結構圖。

圖1 低溫液體儲槽結構圖

無論是固定式還是移動式的低溫液體儲槽，其應用的都是低溫絕熱技術，即在夾層充填絕熱材料并進行抽真空，通過此種方式盡可能地減少外界與內容器的熱量傳遞。固定式低溫液體儲槽一般為固定在某處使用，考慮到經濟成本等原因，一般采用真空粉末絕熱，在夾套中填充珠光砂等絕熱材料進行隔熱，填滿珠光砂后進行抽真空，此種絕熱方式工藝簡單，造價較低，但因充填固體材料，造成自身重量比較重，而且所能抽到和保持的真空度比較低。移動式低溫液體儲槽（以低溫槽車為代表）承擔著低溫液體的公路、鐵路等途徑的運輸，目前采用高真空多層絕熱，即在內筒體的外表面上纏繞著由多層鋁箔和玻璃纖維紙組成的多層高性能的絕熱層，絕熱層組成防輻射屏，通過對夾層進行高真空的處理，大幅降低輻射傳熱[2]。相對于真空粉末絕熱來說，高真空多層絕熱的優勢是絕熱性能好，并且夾層的間隙小，在同等條件下，內容器容積比真空粉末運輸車的容積大；此外采用高真空多層絕熱能夠減少整車的質量，整車自重更輕，預冷損失比真空粉末小，穩定性也比真空粉末好，絕熱層不易沉降。

4 低溫液體儲槽夾層真空的重要性

不論是固定式還是移動式低溫液體儲槽，絕熱結構是罐內低溫液體儲運的關鍵，決定低溫液體儲槽的經濟性能和安全系數，而決定絕熱效果好壞的夾層真空的獲取和保持也就成了關鍵技術之一。即使是再好的絕熱夾層，也不可避免地在一定程度上存在著材料和筒體漏放氣等問題，儲槽夾層真空的保持是低溫液體儲槽絕熱性能的保證，更是儲槽正常運行的根本保證。

以液氮為例,可根據以下公式計算出1m3液氮可氣化產生標準狀況（0 ℃、101kPa）下氮氣體積：

式中：V是1m3液氮可氣化產生標準狀況下（0 ℃、101kPa）下氮氣體積；ρ是液氮的密度，為0.808g/cm3；υ是液氮體積，為1m3；M是氮氣分子量，為28g/moL；V0是標準狀況下氣體摩爾體積，為22.4L/moL。

將數值帶入公式可得到1m3液氮可氣化產生標準狀況（0℃、101kPa）下氮氣646.4m3。同理可以得到1m3液氧可氣化產生標準狀況（0 ℃、101kPa）下氧氣800m3，1m3LNG可氣化產生標準狀況（0 ℃、101kPa）下天然氣624m3。由此可見低溫液體一般都具有很高的氣化比，少量的低溫液體氣化可能導致低溫液體儲罐壓力急劇升高，而夾層真空度是抑制低溫液體氣化的有效措施，因此決定夾層絕熱性能的夾層真空度在一定程度決定了低溫儲罐的安全使用系數。

同時低溫液體儲槽屬于特種設備八大類中的壓力容器一類，按照《中華人民共和國特種設備安全法》規定特種設備使用單位應當按照安全技術規范的要求對其進行定期檢驗和年度檢查，真空度檢測是真空絕熱類壓力容器檢驗檢測的重點事項，其中《固定式壓力容器安全監察規程 TSG 21-2016》第8.5.13條款規定固定式真空絕熱壓力容器，真空度及日蒸發率測量結果在規定范圍內（見表1），不影響定級；大于規定指標，但不超出其2倍時，可以定位3級或者4級；否則定為4級或者5級[3]。被定為4級的壓力容容器需監控使用，降低使用條件，縮短檢驗周期，累計監控使用時間不得超過3年；而被定為5級的壓力容器應當對缺陷進行處理，否則不得繼續使用。

表1 真空度及日蒸發率測量

而對于真空絕熱罐車即移動式低溫液體儲槽，需要按照《壓力容器定期檢驗規則 TSG R7001——2013》規定中表2進行檢驗或者測量，按照表中的規定進行處理[4]。可見無論是固定式還是移動式，低溫液體儲槽夾層真空度的保持是至關重要的。

表2 真空度測量（常溫下）

5 LNG低溫液體運輸半掛車真空修復項目描述

北京首鋼氣體有限公司一臺石家莊安瑞科LNG低溫液體運輸半掛車，其使用技術參數如表3所示。

表3 LNG低溫液體運輸半掛車技術參數

此LNG低溫液體運輸半掛車的真空系統由抽真空閥門和供日常檢測夾層真空度的真空規管構成，真空規管采用Teledyne Hastings熱偶規DV-6R,測量范圍：0.001～1 Torr，此類真空規管耐腐蝕，配合Teledyne Hastings HPM4/6真空計易于得到夾層真空度，在行業內被廣泛采用；抽真空閥門則是采用成都蘭石高真空閥門，型號為ZK-50-2，如圖2所示。

圖2 真空規管和高真空閥門

此臺LNG低溫液體半掛車在投入使用后第4年進行第二次全面檢驗的過程中發現真空度為0.025托（合3.3Pa），不符合檢驗檢測的要求，中國北京市特檢中心出具檢驗意見通知書，要求對低溫液體運輸半掛車進行真空修復，將低溫液體運輸半掛車的夾層真空抽至合格水平以下方可繼續使用。

6 抽真空工裝的組裝

“工欲善其事，必先利其器。”要想順利進行真空修復，必須先組裝合理并且穩定可靠的抽真空工裝，北京首鋼氣體有限公司現有愛德華E2M40+EH250組成的羅茨真空泵機組，極限真空0.01Pa,符合低溫液體半掛車的封口要求1.33Pa。計劃使用此真空泵機組對北京首鋼氣體有限公司真空度不符合要求的低溫液體運輸半掛車進行真空修復，根據工作任務，需要將真空泵機組與低溫液體運輸半掛車夾層相連接，遵循簡單實用的原則，運用CAD繪圖軟件設計了抽真空工裝示意圖（如圖3所示），根據示意圖選擇合適元器件進行組裝，形成抽真空工裝。

圖3 抽真空工裝示意圖

真空泵采用北京首鋼氣體有限公司現有愛德華E2M40+EH250羅茨真空泵機組，由于真空泵出口為KF40接口，同時考慮到真空KF系列法蘭易于拆卸，并且密封性好，所以計劃統一采用真空KF系列法蘭元器件連接。閥門5采用GB-J25B高真空手動擋板閥，閥門5出口連接真空波紋軟管，綜合考慮軟管直徑和長度對抽真空效率的影響，選擇KF40-3000真空波紋軟管，工裝真空計采用北京首鋼氣體有限公司現有PDM-520C真空計，通過KF變徑三通與工裝系統相連。但是低溫液體運輸半掛車采用的是成都蘭石高真空閥門,型號ZK-50-2，接口為特殊尺寸法蘭，與KF系列法蘭不能直接連接，這就需要設計制作一個連接轉接頭，運用PRO/E制圖軟件設計并據此加工了一個轉接頭（如圖4所示），通過轉接頭將高真空閥門和真空波紋軟管相連接，如此整個抽真空工裝便初步組裝完成。

圖4 連接轉接頭

7 真空修復操作步驟

①抽真空工裝組裝完成之后，首先需要對工裝預抽真空進行工裝的泄露性試驗，開啟真空泵出口閥5，然后開啟真空泵組的前級泵E2M40，真空計顯示500Pa以下時，開啟羅茨泵，可見真空迅速抽至1Pa以下，通過工裝真空計4觀測工裝真空抽至穩定狀態，關閉真空泵出口閥5，此時工裝波紋軟管形成一個密閉空間，觀察工裝真空計4可以看到真空度開始迅速降低然后緩慢穩定于某一數值，且這一數值不應大于計劃抽到的真空數值，其曲線如圖5所示。

圖5 真空值曲線示意圖

②如果真空度持續降低或穩定值偏大，說明工裝漏氣，需要進行檢漏并處理，工裝的檢漏可以通過氦檢漏儀進行氣密性檢測。每次進行工裝組裝，都需要對工裝進行預抽真空測試，并對工裝進行泄露性試驗，如果工裝的氣密不好，低溫液體儲槽的真空是抽不到合格水平的。

③如果工裝氣密性滿足條件，打開真空泵出口閥5，并打開高真空閥3，對儲槽夾層進行抽真空作業，可以看到工裝真空計4顯示的數值急劇上升，這是因為夾層真空度低于抽真空工裝的真空度，兩者連通后，抽真空工裝真空度急劇下降，真空計4數值上升至某一數值，然后開始慢慢下降。一般12個小時就能將儲槽夾層真空抽至合格水平以下。

④夾層真空抽至合格水平以下后再抽6個小時進行穩定，關閉高真空閥門3，關閉真空泵組6，測量低溫液體儲槽的真空規管2并記錄下數值，靜置6個小時，再進行一次測量，如果無反彈可以拆除抽真空工裝并對低溫液體儲槽進行封口處理。北京首鋼氣體有限公司LNG低溫液體運輸半掛車成功將真空抽至0.02Torr并保持，封口兩年后檢測真空度仍在合格范圍內。

⑤如果靜置后夾層真空度出現反彈，需要進一步分析原因，如對內外容器進行氦檢漏，來查看低溫液體儲槽內外容器是否存在泄漏點。

8 真空修復過程中發現的問題及改進措施

在低溫液體儲槽抽真空的實際過程中，發現如下問題：

①工裝真空計的有效指示為0.1Pa,超量程后只能指示趨勢，不能準確顯示數值。

②雖然真空規管DV-6R耐腐蝕比較好，但是在實際抽真空過程中，出現過真空規管損壞的情況，不能準確顯示夾套的實際真空度。

③不同低溫液體儲槽的高真空閥法蘭尺寸不同。

針對前兩項問題，筆者根據操作經驗和現場實際情況對抽真空工裝進行了改進，在高真空閥3和波紋軟管之間增加了一段帶有DV-6R真空規管的KF三通，如圖6所示，其目的是通過將測量此真空規管得到的數值和測量低溫液體儲槽自帶的真空規管得到的數值相比較，判斷低溫液體儲槽上的真空規管是否損壞，避免因真空規管損壞導致測量數據失真而做大量的無用功。同時，可以彌補因為工裝真空計4量程不足的缺點，通過比對靜置階段低溫液體儲槽夾層真空度和密閉工裝的真空度來判斷低溫液體儲槽是否存在泄漏。

圖6 帶真空規管的KF三通

針對第三項問題，根據高真空閥門的法蘭尺寸，加工連接轉接頭法蘭側的尺寸，KF法蘭側統一加工為KF40法蘭，這樣抽不同低溫液體儲槽采用不同的轉接頭，方便工裝的組裝。

9 結語

低溫液體儲槽的夾層真空度影響低溫液體儲運的經濟效益和安全使用，因此夾層真空度是日常運行維護的重點，通過對LNG低溫液體運輸半掛車的真空修復，成功將真空度抽至合格水平以下，將此真空修復推廣到所有低溫液體儲槽，保持儲槽夾層的真空度，確保儲槽的安全使用。下一步將對造成夾層真空度下降的原因進行探究，從源頭上更好地維持低溫液體儲槽的真空度。