真空绝热压力容器定期检验评定方法研究

姚小静，赵路宁，韩 伟，刘 丹，张 冰

（1.山东省特种设备检验研究院，济南 250101；2.山东省特种设备协会，济南 250101）

·低温与制冷·

真空绝热压力容器定期检验评定方法研究

姚小静1，赵路宁2，韩 伟1，刘 丹1，张 冰1

（1.山东省特种设备检验研究院，济南 250101；2.山东省特种设备协会，济南 250101）

介绍了真空绝热压力容器定期检验和评定过程中存在的问题，首先根据检验经验，结合《压力容器定期检验规则》（TSG R7001—2013）等相关规程、标准，认为引起真空绝热压力容器的失效原因为马氏体组织引发的封头直边端开裂、夹层与气液相接管连接的角焊缝泄漏及安全附件失效，其中夹层真空失效是引发真空绝热压力容器失效的主要原因；其次结合失效原因，分析了真空度测量及检验项目设定中存在的问题；最后探讨了真空绝热压力容器的定期检验项目的设定及安全状况等级的评定。希望通过笔者的研究工作，对真空绝热压力容器的检验评定起到一定的指导作用。

真空绝热压力容器；失效因素；真空度；定期检验；检验项目；安全状况等级

1 前 言

真空绝热容器是指用于存储液氧、液氮、液氩、液化天然气等低温液体的压力容器。近年来随着工业气体和燃气的广泛应用，液体的应用已从机械、石油、化工等行业，扩展到了能源、环保、造船、交通、生物、航天等领域，需求量也在逐年快速递增。同时，随着世界各国对能源需求的不断增长和环境保护意识的日益增强，液氢、液化天然气等清洁能源的推广与应用已日益普及，带动了深冷真空绝热容器的快速发展，目前深冷容器已经发展成为压力容器行业增速最快、发展最有前景的产业。

低温绝热压力容器的结构不同于普通压力容器，其结构采用独特的真空夹套式结构，即根据不同设计要求在密闭金属内胆与外壳体间采用不同的绝热方式（真空粉末材料绝热、纤维材料绝热、多层绝热等）使夹层达到一定的真空度［1］。双层真空绝热结构具有高度的保冷效果，无法进入内部对内胆及其管路的损伤情况进行检验，故《压力容器定期检验规则》（TSG R7001—2013）（以下简称《容检规》）［2］中规定的无损检测方法及其他的检测方法并不适用于真空绝热压力容器的检验，与常规压力容器检验相比存在一定的差别。文献［3-4］介绍了欧盟及美国等国家也是将真空度作为真空绝热压力容器定期检验的主要性能指标。虽然目前尚未有真空度失效而导致人员的伤亡事故，但低温液体的特点是温度低、气化潜热小、气液体积比大（1 L液氧可气化为300 L气氧）、蒸发后局部浓度大，因此一旦发生事故可能造成火灾、爆炸、窒息、中毒等严重事故，因此亟需研究真空绝热压力容器定期检验及评定方法。

2 真空绝热压力容器定期检验与评定存在问题

2.1 失效因素分析

《容检规》［2］规定，检验机构应根据压力容器的使用情况、损伤模式及失效模式制定检验方案，因此要进行科学的检验，避免“过度检验，检验不足”，要分清楚真空绝热压力容器的损伤模式及影响因素。

2.1.1 封头直边端开裂

真空绝热压力容器内胆多采用06Cr19Ni10奥氏体不锈钢，依据制造单位返修设备及常规奥氏体不锈钢容器失效案例可知，封头直边端容易开裂。其一是因为封头压制过程是应力重新分配的过程，在直边段产生了变形残余应力；其二奥氏体不锈钢供货状态多为固溶，而封头压制过程中，不管是采用冷成型还是采用热成型，均相当于对封头重新进行了加热，但在冷却过程中，冷却速度不同，《不锈钢冷轧钢板钢带》（GB/T 3280—2007）［5］规定，06Cr19Ni10奥氏体不锈钢热处理≥1040℃水冷或其它方式快冷（此处快冷，企业一般采用风冷的方式），而封头厂则大多采用自然冷却的方式，冷却速度过小，因此在冷却过程中可能会产生马氏体组织，此外为了提高强度，降低重量及制造成本，大部分厂家使用形变强化后的不锈钢钢板，则强度提高，壁厚减薄，制造成本降低，但是奥氏体形变强化后，若热处理工艺控制不当，也会产生马氏体组织，上述两种情况均产生淬硬组织，进而在应力作用下产生微缺陷，从而导致封头开裂。

2.1.2 夹层与气、液相接管连接的角焊缝泄漏[6]

在制造单位返修的低温容器中，夹套与气、液相接管连接的角焊缝泄漏的情况较多。主要原因是厂家设计低温容器时，忽视了接管是导热体。由于反复充装，接管与壳体的连接处存在温差变化，导致接管与壳体的连接部位产生交变应力；对夹套为碳钢的低温容器，与接管连接部位的夹套低碳钢角焊缝及母材处的温度，有时低于脆性转变温度。低温容器经过长期运行后，夹套与接管连接的角焊缝易出现穿透性裂纹，造成夹层真空度丧失。低温容器控制阀门以外的管路发生的事故（除了发生火灾事故外），可以通过关闭阀门得到控制，危险性次之。

2.1.3 真空失效

夹层真空度和日蒸发率是衡量低温绝热压力容器真空绝热性能和使用寿命的重要技术指标。按照《容检规》的规定，真空度和日蒸发率是作为能否继续使用的唯一依据。但是在真空度检测过程中，由于真空规管型式多样，内部介质处理不当等，往往导致真空测不准，出现误判的现象。

2.2 真空绝热容器检验与评定存在问题

2.2.1 真空规管损坏

韩海涛［7］认为绝大多数低温容器安装在室外，经受风吹雨打，局部积累的水汽、潮气在规管针脚上析出，造成针脚腐蚀断裂，无法连接真空计接头。主要原因是现行的国家标准对真空规管外部保护罩并无规定，有些厂家甚至连保护罩的垫片都没有加，使得真空规管非常容易受到外部环境的腐蚀。

此外，按照《容检规》的要求，压力容器至少每三年进行一次真空度检测，不规范的拆卸及检测行为，也可能会导致真空规管的损坏。

2.2.2 真空度误判

其一由于真空规管型式不一，而检验单位所使用的检测设备型号单一，因此接口不匹配；其二测量环境与容器内介质含量多少均可能影响真空度的检测结果；其三，郑连学等人［8］认为介质成分决定真空度合格标准，不能实施一刀切的判定方法，否则可能会造成真空度误判。而真正影响夹层真空度和绝热性能的影响因素有很多，蒋吉林等［9］认为在用真空容器真空度和绝热性能的影响因素为珠光砂的热导率，其中真空度下降，热导率上升、夹层气体含量增加，夹层内各种材料漏放气现象，也会导致真空度下降。因此在用设备检测过程中，针对检测结果应综合分析，真空度超标不合格的处理情况应该一分为二。首先应该仔细调阅用户的运行记录，检查运行过程中是否有异常结霜、结露现象；有无压力异常升高的情况，安全阀、爆破片有无频繁起跳、破裂的情况，若有异常现象，且经常出现安全保护装置异常释放动作，此时则应怀疑真空失效。若要得到真实的真空度，笔者认为蒋吉林［7］的判定方法更适合在用压力容器的评判要求，即定真空度判定标准的思路应如下：首先明确每台低温容器的真空度合格标准并不相同，它取决于夹层真空度降低速率。引入“真空度降低速率”的概念。主要是因为此概念综合考虑了夹层的泄漏和夹层内材料的放气现象。因此需要通过计算来确定夹层的真空度是否合格。过程如下：

1.计算该低温容器夹层的真空度降低速率

式中，e为真空度降低速率，Pa·L/s；Pt为本次定检实际测量的夹层真空度，Pa；P0为最近一次定期检验时实际测量的夹层真空度，Pa；V为几何容积（设计给定或实际测量），L；t为检验周期，n。

注：计算的前提是假定真空度降低速率不随时间而变化，但是这种假定可通过多次实际计算后进行不断修正。

2.下一检验周期时可能达到的真空度

式中，Pn为下一检验周期时的真空度，Pa。

3.结果判定

根据式（2）计算出的Pn与产品使用说明书中规定的须重新抽真空的P规进行比较，若Pn＜P规，则合格，Pn≥P规时，则需要重新抽真空。

2.2.3 检验项目级判定依据设置不合理

对于移动式真空绝热压力容器而言，《容检规》附录A规定其检验项目为资料审查、罐体外观检验、罐体与底盘连接检验、附属设施连接检验、隔热层检验、附件检验、安全附件检验、组装检验、耐压试验和气密性试验、真空度检测、紧急切断阀耐压试验、罐体外表面油漆检验和强度校核。

其中强度校核必须要有实测壁厚，而又规定真空绝热压力容器不需要进行壁厚测定，因此无法进行强度校核，此外即使进行气密性试验，除了外露的管路可见，其余部位均不可见，此时若内胆或与内胆相连部位发生泄漏，也无法进行检测，而即使泄漏，真空度也会发生变化，而要通过气密来检验，则成本较高，因此气密性检测也失去了意义。

此外，固定式真空绝热压力容器依据真空度和日蒸发率来判定其安全状况等级，而移动式则给出继续使用和重新抽真空的要求，而《容检规》第四章规定的安全状况等级评定项目则是针对内胆的，而真空绝热压力容器无人孔，无法进入内部检验，因此其安全状况等级评定所需的项目无法进行，故不能参照第四章进行安全状况等级的评定。

3 真空绝热压力容器检验项目的设定与检验结论

3.1 检验项目的设定

结合上述论述及实际检验工作的需要，笔者认为真空绝热压力容器的定期检验项目，以资料审查、宏观检查、罐体与底盘连接检验、壁厚测定（外壳）、绝热性能检验、管路系统和阀门检验、安全附件检验，而没有必要强度校核，必要时进行耐压试验气密性试验（移动式应进行气密性试验）。

气密性试验主要是检验容器的各连接部位是否有泄漏现象，一是因为无论是内胆还是夹层发生泄漏，其真空度均无法保持，外壳会出现结霜、结露等异常现象；其二，即使有泄漏，因为除了外露的管路，通过气密性试验也无法查找漏点；其三，若是微量泄漏，可以通过检测真空度来判断；其四，气密性试验成本较高，其五，气密性试验只与企业对设备的组装质量相关，与前期检验结果无关，作为定检必检项目，无形中增加了检验人员的风险，因此不建议对真空绝热压力容器进行气密性试验。

当腐蚀深度超过腐蚀裕量、名义厚度不明、结构不合理（并且已经发现严重缺陷），或者检验人员对强度有怀疑时，应当进行强度校核，可见强度校核的目的是在定期检验过程中，为了判断缺陷是否会影响压力容器的安全运行而采用的一种判断方法，但是不管是采用常规强度校核计算方法还是应力分析方法，则必须进行壁厚检测，而真空绝热压力容器无法进行内胆壁厚检测，因此强度校核对于真空绝热压力容器也不适用。

3.2 检验结论（检验周期与安全状况等级评定）

《容检规》第四章，安全状况等级评定主要是考虑材质不明及使用过程中产生的材质劣化、不合理结构、裂纹、机械损伤、原始焊接缺陷、腐蚀、母材分层等缺陷，由评定项目可知，其评定是对象是主要受压元件，而真空绝热压力容器可能产生的缺陷是内胆封头脆化，真空度失效。但使用过程中，内胆封头脆化无法进行检测，因此对于固定式真空绝热压力容器，《容检规》第四十七条规定确定其安全状况等级评定方法，而移动式真空绝热压力容器定期检验结果建议应以年度检验结果为主，直接根据真空度降低速率确定检验周期，不应进行安全状况等级评定。

4 结束语

由于真空绝热压力容器产品结构的特殊性，无法像常规容器那样进行宏观检验、壁厚测定、埋藏缺陷检测、材料分析、强度校核、耐压试验及气密性试验，因此对于真空绝热压力容器检验应做好以下工作：

1.明确真空绝热压力容器的失效模式，合理地确定检验项目，科学施检，避免过度检验；

2.夹层真空度是保证产品安全运行的重要指标，应通过计算真空度降低速率的方法确定检验周期；

3.检验项目应主要以资料审查、宏观检验、真空度检测、管路及安全附件检验为主，必要时进行耐压试验和气密性试验（移动式应进行气密性试验），由于无法进行内胆检验，因此建议只确定下次检验周期，不进行安全状况等级评定。

［1］夏立荣，陈克，赵勇.低温绝热压力容器定期检验技术的分析与研究［C］//第八届全国低温工程大会暨中国航天低温专业信息网2007年度学术交流会.北京：2007.

［2］TSG R7001—2013压力容器定期检验规则［S］.

［3］薛小龙，罗晓明，顾福明.国内外低温容器定期检验标准的比对分析［J］.压力容器，2008，25（1）：49-53.

［4］周伟明，陈朝晖，魏蔚.深冷真空绝热容器标准技术发展与展望［J］.压力容器，2013（2）：1-14.

［5］王勇.低温绝热容器定期检验关键问题的探讨［J］.石油化工设备技术，2008（4）：16-18.

［6］GB/T 3280—2007不锈钢冷轧钢板钢带［S］.

［7］韩海涛.低温绝热容器定期检验中真空度检测常见问题［J］.中国特种设备安全，2012，28（2）：23-24.

［8］郑连学，张立红，聂远威.对《容器定检规》低温液体容器夹层真空度规定的讨论［J］.特种设备安全技术，2013（2）：34-35.

［9］蒋吉林，陈海鹏.关于在用低温液体贮运容器夹层真空度的探讨［J］.深冷技术，2002（1）：10-12.

To Analysis the Inspection&Evaluation of Vacuum Insulation Pressure Vessels Periodical

YAO XiaoJing1，ZHAO Luning2，HANWei1，LIU Dan1，ZHANG Bing1
（1.Shandong Special Equipment Inspection Institute，Jinan 250101，China；2.Shandong Special Association of Special Equipment，Jinan 250101，China）

To analysis the question of vacuum insulated pressure vessels about inspection and evaluation during periodical inspection.First，according to the experience of inspection，and the″Pressure Vessels Periodical Inspection Regulation″（TSG R7001－2013）and other related rules and standards，that thought the vacuum insulated failure factor were the head straight edge cracking ofmartensite and the leakage of interspace between gas and liquid and safety accessories，and then themain failure factor is the vacuum failure；second，combined with the failure reason，to analyzed the question about how to inspect the vacuum and how to set test item，finally，to study the test item and the evaluation of safety grade.To hope can plan play a guiding role to the vacuum insulation pressure vessels for inspection and evaluation of vacuum insulation pressure vessels.

vacuum insulation pressure vessel；the failure factor；vacuum；periodical inspection；test item；the safety state grade

X933.4

A

1007-7804（2014）03-0010-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2014.03.003

姚小静（1980），女，高级工程师，山东省特种设备检验研究院，主要从事压力容器及压力管道检验研究工作。

2014-02-14；

2014-06-03

国家质检总局科技计划项目《低温绝热压力容器定期检验方法的研究》（2012QK240）。