新型宽量程真空测量装置研究及运用

何远新 黄政贤 李 泞 周伟明 甘智华 任元国 卢 海 熊珍艳 袁 蛟

(1 中车长江车辆有限公司冷运装备研究所 武汉 430212)

(2 成都国光电气有限公司 成都 611800)

(3 全国锅炉压力容器标准化技术委员会移动式压力容器分技术委员会 上海 200030)

(4 浙江大学制冷与低温研究所 杭州 310027)

1 引言

随着我国能源结构向清洁能源方向发展及结构调整,液化天然气(Liquified Natural Gas,简称LNG)应用日益增多[1],其常温下标态沸点为-162 ℃低温,其储运应采用真空绝热流体储运装备。该类装备为特种装备,产品性能指标要求越来越高。在各项性能指标中,夹层真空度是一项非常重要的指标,对产品的保温性能有着决定性影响。真空度的丧失,将导致产品保温失效,LNG 受热膨胀产生内胆破裂外泄的高风险。必须要通过真空测量装置来安全有效的检测夹层真空度的状况,同时真空测量装置的应具备低漏率,确保该环节的安全可靠性,对罐箱夹层真空寿命不产生影响。

我国特种设备相关法规、标准要求在在每个真空绝热流体储运装备上均安装有真空测量装置,并提出了相应的技术要求[2]。如NB/T47059-2017《冷冻液化气体罐式集装箱》等标准中要求“充装易燃、易爆介质的罐体,应选用不会产生火花的真空规管,并设置保护装置,真空阀门与真空接头的漏率与罐体真空夹层漏气速率相匹配”。

长期以来,我国以LNG 储运装备为代表的领域,均使用美国哈斯汀公司(Teledyne Hastings Instruments)生产的DV 系列真空测量装置,如图1 所示,主要由DV-6 热偶型真空规管和美国霍克真空截止阀以及保护罩组装而成。

图1 DV 系列真空测量装置Fig.1 DV series vacuum measuring device

该型产品在我国已经运转近20 年左右,随着我国真空低温绝热流体储运装备的技术发展,该型产品也暴露出一些问题,具体如下:

(1)真空度测量范围窄。DV 系列真空测量装置只能测量到10-1Pa,而以LNG 储运装备为代表的深冷绝热罐体工作冷态真空度一般可达10-3—10-4Pa;

(2)接口处泄漏风险大。DV 系列真空测量传感器采用NPT1/8 螺纹接口,并在连接处涂覆密封胶辅助密封,属于一种低真空密封,同时漏气速率比较大,现有DV 系列真空测量装置的本体漏气速率在10-6—10-8Pa·m3/s 左右,而标准中规定的高真空绝多层绝热流体储运装备的漏率需为5.0 ×10-9Pa·m3/s,同时密封胶难以适应复杂真空获得及运用环境,存在失效的风险,进而影响高深冷绝热装备的真空设计使用年限及寿命。

(3)封装选材及封装工艺影响仪表使用。现有DV 系列真空测量传感器内所采用的玻璃—金属材料工艺密封,其抗盐雾以及抗振性没有陶瓷-金属材料工艺密封性能好,可靠性存在隐患,特别是在海洋运输环境中可能会产生泄漏失效。

综上,我国在真空低温绝热流体储运装备领域,以LNG 储运装备为代表,急需开展相关关键技术研究及试验和运用,以全面提升我国在LNG 清洁能源等领域的技术发展水平,适应高质量发展要求。

2 总体设计

以LNG 罐箱为典型应用方向产品,结合真空绝热流体储运装备特点,总体设计应重点考虑如下几方面:

2.1 测量范围

真空测量装置的测量范围应有效反映低温绝热流体储运装备在制造、运用、检验及维修等各环节的实际夹层真空度。

我国国家标准GB/T18442-2019《固定式真空绝热深冷压力容器》,以及行业标准NB/T47059-2017《冷冻液化气体罐式集装箱》中,要求常温下真空夹层封结真空度不低于8.0 ×10-2Pa,储运深冷液体介质后夹层冷态真空度一般达到10-4—10-2Pa,同时在夹层真空获得之前夹层中为大气压力,结合上述情况,真空测量范围应为1 ×10-4—1 ×105Pa。

2.2 真空漏气速率

国家能源行业标准NB/T47059-2017《冷冻液化气体罐式集装箱》要求真空阀门与真空接头的漏率与罐体真空夹层漏气速率相匹配,而且规定其真空夹层的漏放气速率不低于1 ×10-9Pa·m3/s。

真空测量系统的漏气速率应优于所需要安装系统的指标,且高出一定的裕量,为系统其它部件的漏气速率进行预留,该指标越高代表系统的性能越优异,但指标越高,技术经济性能越差,综合上述因素,确定为优于1 ×10-11Pa·m3/s。

2.3 使用环境温度

根据NB/T47059-2017《冷冻液化气体罐式集装箱》规定,真空绝热流体储运装备使用环境温度范围为-40—50 ℃,宽量程小体积可远传真空测量装置作为真空绝热流体储运装备的关键部件,使用环境温度应与装备本体使用环境温度一致。

2.4 密封要求

由于真空测量装置真空失效将导致深冷液体介质快速膨胀,进而引起夹层或者内容器压力升高,罐体破裂及介质漏等安全事故,因此要求真空测量装置应具备高可靠性及密封性,在结构设计上避免螺纹连接,避免胶水密封等无法获得高真空及不可靠的连接方式。

2.5 真空测量仪表(规管)防爆等级要求

以LNG 为例,其属于易燃易爆气体,0.28 mJ 静电火花即可引爆,真空测量装置中所用的复合真空规管属于防爆产品,其防爆等级应满足GB3836.1-2010《爆炸性气体环境用电气设备第1 部分:通用要求》中的甲烷防爆等级要求。

2.6 设计载荷的确定

真空测量装置应与深冷储运装备一起满足标准规定的载荷要求,在所有真空绝热流体储运装备中,以40 英尺铁路及其公水(海)路多式联运LNG 罐箱纵向冲击加速度最大,其结构强度应能承受满载时在铁路运输中所经历的典型机械振动产生的不小时4倍额定质量乘以重力加速度的冲击力,其它方向载荷也应满足相应标准的规定:

(1)运动方向:4 g;

(2)与运动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 选材

真空测量装置的材料选择应与运用环境、真空密封性能要求及漏率要求及相适应。

流体储运装备一般在户外使用,国内各地历年来月平均气温的最低值可达-40 ℃,因此外壳所选材料最低设计金属温度应能耐-40 ℃;罐箱除在陆地使用,还参与铁公海(水)联合运输,因而经常在海上使用,应选择耐海水腐蚀的材料;装置漏气速率优于1 ×10-11Pa·m3/s,因此应选择低放气率材料,如真空法兰密封选用放气速率低的无氧铜垫圈。抽真空烘烤过程中,真空监测装置所处的环境温度可达150 ℃,因而其真空测量仪表(规管)内部结构应能在上述温度下具有良好耐受性。真空测量装置外壳及可海与海洋重盐雾接触的村料应选择具有良好耐海水腐蚀的材料或表面进行防腐处理,达到相应的耐腐蚀要求。

综合上述方面,设计的真空测量装置结构布局如图2 所示。

图2 结构布局Fig.2 Structural layout

3 LNG 罐箱装用真空测量装置结构设计

研制了2 种新型真空测量装置系统,按照通道的数量,分为双通道真空测量装置和三通道真空测量装置,三通道真空测量装置是在双通道真空测量装置基础上的优化和升级,主要体现在真空截止阀部分多留出1 个通道,用于在更换真空规管之前,先用小型抽真空机组对真空测量系统与罐体夹层连接部分气腔进行抽真空处理,使得该部分真空度不会导致罐体系统真空压力的升高,2 种结构如图3 和图4 所示。

图3 双通道真空测量装置Fig.3 Dual-channel vacuum measuring device

图4 三通道真空测量装置Fig.4 Three channel vacuum measuring device

3.1 双通道真空测量组件

双通道真空测量组件由双通道真空截止阀、组合式真空规管、规管保护罩、无氧铜密封垫圈及连接紧固件等组成。

真空截止阀一端和LNG 罐箱罐体焊接,另外一端与组合式真空规管采用CF16 法兰连接,高真空专用,并采用无氧铜密封垫圈进行金属密封。主体采用不锈钢制造并经酸洗钝化及除油处理,降低放气速率。与DV 系列真空测量装置相比,取消了螺纹连接及密封胶封装,全面提升了系统漏气性能。

组合式真空测量规管为创新研制的由热偶规与热阴极电离规组成的组合式规管,在低真空区利用热偶规进行测量,测量范围为0.1 Pa 至大气压力;在高真空区利用热阴极电离规进行测量,测量范围为10-5至10-1Pa。

3.2 三通道真空测量组件

三通道真空测量组件由三通道真空截止阀、组合式真空测量规管、规管保护罩、无氧铜密封垫圈及连接紧固件等组成。

三通道真空截止阀一端和LNG 罐箱罐体焊接,另一端与组合式真空规管采用CF16 法兰连接及无氧铜密封垫圈进行金属密封,另增加的第三个通道为KF 法兰式抽真空接口,用以检修及更换规管等作业。

3.3 真空测量装置保护罩

真空装置保护罩由非金属保护罩、安装筋板、筋板安装定距管、螺栓紧固件和铅封组成,安装筋板为不锈钢材质,通过定距管确定安装间距后以焊接方式固定在真空绝热流体储运装备外壳上,非金属保护罩通过螺栓与安装筋板连接。

非金属保护罩由高分子非金属复合材料浇注成形,具有机械强度高,轻量化的特点,能够很好的保护真空测量装置。

4 相关计算分析及试验

4.1 相关计算分析

4.1.1 焊缝强度计算及仿真分析

按照NB/T47059-2017《冷冻液化气体罐式集装箱》中铁路运输工况中最大加速度4 g 进行理论焊缝强度校核,建立的有限元计算模型如图5,计算了焊缝位置的拉伸、剪切及弯曲应力。最大应力为真空截至阀与罐体连接焊缝位置的弯曲应力,装用三通道真空测量装置时应力水平最高,为0.397 MPa,小于焊缝许用应力95.9 MPa。

图5 有限元应力分析建模Fig.5 Finite element stress analysis modeling

采用ANSYS 有限元分析软件,按照NB/T47059-2017《冷冻液化气体罐式集装箱》 中载荷工况及JB4732-1995《钢制压力容器-分析设计标准》(2005年确认)标准规定的方法,进行焊缝强度仿真分析。有限元计算结果表明,纵向4 g 冲击工况下应力最大,位于装置与筒体连接的焊缝处,为局部应力,具体计算结果见表1。

表1 铁路4 g 冲击试验测真空装置结构强度应力评定Table 1 Structural strength and stress evaluation of vacuum device for railway 4 g impact test

4.1.2 模态分析

采用ANSYS 有限元分析技术,对真空测量装置进行模态分析,得出装置的1 阶固有频率。

对双通道真空规管和三通道真空规管分别建模,对其进行模态分析。图6 分别为双通道和三通道的一阶模态变形图,双通道真空规管341 Hz,三通道真空规管189 Hz。

图6 一阶固有频率模态变形Fig.6 First order natural frequency modal deformation

4.2 试验研究

真空测量装置作为低温绝热流体储运装备上的重要仪表及安全附件,与装备一起在户外使用,面临高温、低温、振动、海上盐雾腐蚀等复杂恶劣环境,结合运用工况开展了试验研究,具体如下:

(1)低温试验

按照GB/T2423.1-2008《电工电子产品环境试验第2 部分试验方法试验A:低温》完成了低温试验并符合标准要求。

(2)高温试验

按照GB/T2423.2-2008《电工电子产品环境试验第2 部分试验方法试验B:高温》完成了高温试验并符合标准要求。

(3)振动试验

按GB/T21563-2018《全轨道交通机车车辆设备冲击和振动试验》完成了冲击和振动试验并符合标准要求。

(4)盐雾试验

按GB/T2423.18-2012《环境试验第2 部分:试验方法试验Kb:盐雾,交变(氯化钠溶液)》的严酷等级(2)(经常暴露于海洋环境、但通常会受封闭物保护的产品)完成了盐雾试验,并符合标准要求。

(5)漏率检测

按GB/T18443.3-2010《真空绝热深冷设备性能试验方法第3 部分:漏率测量》完成了真空漏气速率检测,并符合标准要求。

5 运用情况

5.1 安装及运用情况

宽量程小体积可远传真空测量装置采用氩弧焊焊接方法与LNG 罐箱等深冷储运装备的真空夹层连接并固定,其现场安装及运用情况如图7 所示。

图7 安装及运用Fig.7 Installation and application

2021 年1 月1 日,“鸿达鑫18 号”运输船装运了39 台40 英尺LNG 多式联运罐式集装箱,单台LNG罐箱载重17.5t。1 月6 日顺利抵达山东日照港,经公路运输至终端加气站等目的地,用于当地冬季LNG 清洁能源保障工程,圆满完成了大规模LNG 罐箱“南气北运”项目。经过运用,可以有效满足实际使用要求。

5.2 真空测量

配套研制了手持式真空测量仪,将其与真空规管插接,打开真空规管阀,使真空规定与真空待测设备之间形成通路,即可进行LNG 罐箱等真空深冷绝热装备的真空度测量,如图8 所示,所测试的“南气北运”项目中的一台LNG 罐箱(DLHU1800124)装液后的真空度为0.004 7 Pa。

图8 真空测量Fig.8 Vacuum measurement

在低温深冷装备现场测量时采用手持式真空测量仪,可有效避免采用大型扩散泵等高真空机组连接才能进行夹层高真空测量的既有真空测量方式,具有显示精度高、响应速度快、数据可存储、可远传、轻便快捷、测量方便等显著优势。

6 总结

结合技术规范及实际运用需求,系统分析了我国低温深冷绝热装备用真空测量装置存在的主要问题,如真空度测量范围窄、接口处泄漏风险大、封装选材及封装工艺影响仪表使用等方面。结合LNG 多式联运罐式集装箱用真空测量装置性能提升的要求,系统进行了真空测量范围、漏放气速率、密封及选材、结构设计等总体设计,提出了具体技术指标。开展了焊缝强度计算,以及有限元应力及模态仿真,进行了高低温、漏率等试验。装用在LNG 多式联运液化天然气罐箱上,在我国海洋及公路运输LNG“南气北运”项目进行了运用考验。通过上述工作,有效提升了真空测量装置的系统安全可靠性,保障了LNG 等低温深冷储运装备的真空性能,应用于我国LNG 清洁能源的储运工程实践,推进了我国低温深冷储运装备用新型真空测量装置领域的技术进步和发展。