烘房对真空管道产品质量提升的探究

宋 健， 赵 斐

（北京航天试验技术研究所， 北京 100074）

0 引言

真空多层绝热管一般由内管、外管、真空法兰、缠绕层、吸附剂、抽空咀、支撑、挡环等几个部件组成[1]，主要依靠内管与外管之间的高真空环境， 极大地减少内管介质与外部环境的换热，从而大幅降低管内介质汽化，保证了低温流体（如液氢、液氧、液氮、液化天然气等）在运输中的经济性，具有极为重要的作用。

1 气体热冲洗工艺

1.1 气体热冲洗工艺简介

真空管道夹层的真空度对其绝热性能起着决定性作用，夹层的真空则靠真空系统的抽气来完成，真空排气工艺经历了数十年的发展，目前已经有单纯排气工艺、抽空加热排气工艺、空气预加热排气工艺、气体热冲洗排气工艺和间断排气工艺几种[2]。

气体热冲洗工艺的步骤是： ①把管道在空气中预加热到80℃；②使用机械泵对管道夹层抽真空，待夹层真空度达到10-1～20Pa；③暂时停止抽真空，使用易脱附的、具有一定温度（100℃左右）的无害干燥气体（一般为氦、氮、氩、二氧化碳等）充入，并保持微正压；④重复上述第2、3步，反复进行2～4 次，在进行的过程中继续加热到达允许的温度100～120℃；⑤充气过程完成后，进行正式抽气，直至夹层动态、静态真空度满足设计需求。

1.2 气体热冲洗工艺优越性

1.2.1 充入气体对夹层气体的置换、脱附作用

真空多层绝热管的夹层在抽真空之前， 夹层气体成分主要为空气，夹层内的绝热材料、吸附剂、支撑等部件会吸附部分水蒸气。 一般的排气工艺由于在抽空时流阻很大[3]，很难将大部分水蒸气抽出，而气体热冲洗工艺的第一步，就是加热管道，并使用机械泵预抽真空，将夹层空间内的空气以及材料表面吸附的部分水蒸气抽出，后续几步反复充入干燥惰性气体， 是在逐步使夹层空间以及材料表面的气体成分发生变化， 进一步地使夹层原有的水蒸气与空气成分被抽出。

1.2.2 充入气体具有裹挟作用

在真空多层绝热管的夹层空间中，内管外壁上往往缠绕着20～30 层的绝热材料，一般的排气工艺在抽真空时需要克服很大的排气阻力，夹层内的一些小的气体分子和水蒸气很难被抽出。气体热冲洗工艺在向夹层中充入气体的过程中，对管道整体进一步升温，微观层面上，夹层内的惰性气体分子动能升高，平均自由程变短，碰撞更加频繁，可以将绝热层间部分难以被抽出的气体携带出来，再被机械泵排出，有利于降低管道夹层的绝对压力。

1.2.3 充入气体具有传热作用

真空多层绝热管在组焊之前， 其夹层内的材料如：绝热层、吸附剂、支撑、挡环等，已经在高温烘箱内进行过烘烤， 目的是除去这些材料吸附的水蒸气与氢气，但是在绝热层包覆、真空管组焊过程中，这些材料不可避免地会吸附空气中的水蒸气和其他成分，这些成分在常温条件下不易脱附，往往需要在较高的温度（100～120℃）下才可以脱附，然而由于真空管本身具有一定的绝热性能，在真空管装配完成后再加热夹层，需要耗费更多的资源，加热效率也较低。 在夹层中多次充入具有一定温度的气体，气体分子与夹层内部件直接接触，可以利用气体分子的传热作用， 充分加热夹层内的绝热材料、 吸附剂、支撑等部件，高温可以加速这些材料的放气，从而降低夹层在抽真空时的流阻，再配合气体分子的席卷作用，可以大大减少真空绝热管道的抽空时间， 同时又能提高管道的抽空质量。

总之对于真空多层绝热管道而言， 气体热冲洗排气工艺具有作用直接、吸附剂活化效果好、抽空后夹层压力低、漏放气速率小以及真空寿命长等诸多优点。

2 某车间真空管道生产现状

某真空多层绝热管道生产车间采用了气体置换冲洗工艺，对车间已交付的10 根不同规格的真空管的抽真空时间、封口真空度、漏放气速率、理论真空寿命、实际真空寿命进行了数据统计，结果如下：

由表1 可以看出，某真空多层绝热管道生产车间加工时的抽真空时间较长，封口真空度和漏放气速率整体符合相关的标准，但是在行业内，封口真空度较高，漏放气速率较大，相应的真空寿命也偏小。 分析原因主要有两点。

表1 已交付产品信息统计

2.1 管道加热能力不足

真空多层绝热管道的加热方式为： 在外管的外壁缠绕加热带，在内管放入加热棒，设定温度为100℃，通电加热来实现对管道整体的加热， 如图1 所示。 在生产过程中，内管加热棒的温度很快便能达到100℃，但外管加热带由于是直接暴露在空气中的，散热严重，温度始终维持在65℃左右，管道预热的温度不足。

图1 先前真空管道加热实施图

此外，内管也会出现加热不均匀的情况。 为了使加热棒的热量利用效率更高， 在加热棒上每隔一段距离设置了翅片增加导热，如图2 所示，翅片与内管接触的部分，由于持续的加热，温度会比其他部分高出很多， 造成内管加热不均匀的情况， 有时甚至会出现热变形，对真空绝热管道生产质量是一种隐患。

图2 加热棒示意图

2.2 充入气体温度不高

真空多层绝热管在生产的过程中， 充入的为常温CO2气体， 气体需要到达管道夹层后再被加热， 加热速度较慢，效果也较差，夹层内的绝热材料与吸附剂无法被充分加热，造成抽真空的效果较差，管道夹层的综合漏放气速率较高。

3 烘房对真空管品质的提升作用

3.1 烘房设备的提出

烘房是具有一定封闭性的供热设备，多用于电机、电气、涂料、食品加工等行业，烘房内部有热风循环系统，保证烘房内温度分布均匀。 如果应用于车间的真空绝热管道加工，在管道抽真空时，可以把管道放在烘房中整体加热，在烘房外壁上预留开孔，以供真空机组抽真空管路与抽空咀连接。 此时，在整个真空绝热管的生产过程中，都处在较高的预设温度下，夹层内水蒸气、空气等杂质气体充分被排出，真空管道的产品质量也更好。

本次选用的烘房启动功率为70 kW， 稳定运行功率为20 kW，烘房内温度可以保持为30℃～150℃，烘房可同时完成30 根大小不同的真空管道同时加热处理，外观形状如图3 所示。

图3 烘房外观图

3.2 烘房对真空管道生产工艺的提升

烘房对车间真空多层绝热管道生产工艺的提升，主要为管道加热温度提高。 生产过程中温度的提高，有利于促进管道夹层内放气，降低夹层的综合漏放气速率。

烘房加入真空管道生产工艺后，在管道预热阶段，将烘房内温度调至85℃，稳定后使用机械泵预抽真空，气体置换阶段，则把烘房温度调至110℃。与此同时，对参与置换的CO2充入气体管路进行了改造， 如图4 所示，CO2在进入夹层之前会先经过一段位于烘房内的管路， 烘房内循环流动的高温空气吹向管路，对管内CO2加热，随后，更加高温的CO2进入真空管道夹层，与夹层内绝热材料、支撑环、吸附剂充分接触换热。 而之前的工艺，在置换过程中，需要先耗费大量的时间对夹层内的CO2加热，随后再混合，浪费了大量的时间。 对从夹层中抽出的气体温度进行了检测，并进行对比，结果如表2 所示。

图4 CO2 改造管路系统示意图

表2 夹层温度的变化

3.3 工艺改进后数据与之前的对比

烘房加入了真空绝热管道的生产工艺后， 车间在新工艺下生产了一批真空多层绝热管道， 抽取了其中10根，对管道的一些生产数据统计，结果如表3 所示。 管道的平均抽空时间从30 天下降为18 天， 相比之前减少了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%；平均的漏放气速率从6.52×10-6Pa·L/s 下降至4.87×10-6Pa·L/s，下降了25.31%；平均理论真空寿命[4]由3.61 年提升至4.89 年，增长了35.45%。

表3 烘房加入后真空管道的产品相关数据

4 结论

烘房的加入使得真空多层绝热管道在生产过程中加热温度大幅提高，更加接近设定水平，且加热温度均匀稳定，使得管道夹层内气体排气充分，降低了成品管道的漏放气速率。

烘房的加入为管道生产的气体置换过程提供了更高温的置换气体，减少了置换气体加热的时间，同时，由于夹层在高温环境下放气充分， 同等条件的真空机组可以更快将夹层内的真空条件抽至设定要求， 为生产班组节约更多的能源成本与人力成本。