流体储运装备真空测量装置设计与试验验证

黄政贤，何远新，王红星，黄圣，胡海滨，刘凤伟，任元国

流体储运装备真空测量装置设计与试验验证

黄政贤1，何远新1，王红星2，黄圣1，胡海滨1，刘凤伟1，任元国3

（1.中车长江车辆有限公司，武汉 430212；2.天津科技大学，天津 300457；3.成都国光电气有限公司，成都 611800）

对新型流体储运装备真空测量装置的设计和试验进行系统研究，解决传统装置存在的量程不足、残留气体内漏等问题，验证装置漏率在环境试验中的变化，同时开展批量安装及真空测量应用。运用FEM对新型真空测量装置的受力进行分析；采用氦质谱仪泄漏检测技术对环境试验前后的新型真空测量装置以及传统样品的漏率进行对比测试。新型真空测量装置的初始漏率达到10−10Pa·m3/s；经过环境试验后新型真空测量装置的漏率未发生明显变化，传统装置的漏率在环境试验后明显上升。新型真空测量装置所采用的热电偶&热阴极复合真空规，实现了流体储运装备夹层的真空度全量程测量，并满足易燃介质储运过程中的电气防爆要求。所增加的补抽真空结构可以有效防止真空测量装置的残留气体内漏。所采用的“CF法兰+无氧铜”密封结构具有很好环境适应性和较低的真空泄漏风险，同时也首次通过试验验证了真空测量装置的漏率在环境试验过程中的变化。

流体储运装备；真空测量；真空密封；环境试验；漏率

在真空绝热流体储运装备的各项性能指标中，夹层真空度通过影响真空绝热系统的表观热导率从而影响产品的保温性能，因而需在每个储运装备上安装一套真空测量装置，用于测量夹层的真空度。真空泄漏所导致的真空失效将引发流体储运装备压力快速升高、罐体胀裂等重大安全事故[1-3]，真空测量装置是集真空密封、真空测量、电气安全等功能要求于一体的重要部件。国内外研究表明流体储运装备的真空测量不仅可以实时反映夹层的真空度[4-6]，还可应用于真空绝热材料的性能表征[7～8]，卢耀文等[9]还研制了一种宽量程真空计校准装置，可用于解决宽量程真空计的一次性校准技术难题。

1 传统真空测量装置存在的不足

如图1所示，传统真空测量装置由真空规、真空截止阀、防护套等组成。真空规与真空截止阀的连接采用“螺纹连接+胶粘合”密封结构，即真空规通过NPT管螺纹与真空截止阀连接，并在螺纹表面均匀涂覆一层环氧树脂胶粘剂，通过拧紧螺纹时胶粘剂与螺纹表面进行紧密粘合，形成密封效果。传统真空测量装置经过多年的大批量应用，技术成熟可靠，但也存在量程小、残留气体内漏等不足，在高真空多层缠绕绝热容器中的测量应用和真空规更换等方面存在不便。

图1 传统真空测量装置结构原理

2 新型真空测量装置的设计

流体储运装备真空测量装置的应用环境十分复杂，设计过程中应充分考虑运行工况、储运介质的危险特性以及应用环境[10]的影响。新型真空测量装置的设计主要包括量程、防内漏结构设计以及真空密封结构的选择等方面。

2.1 运行环境分析

影响真空测量装置应用的主要环境因素有使用温度、最大惯性载荷和腐蚀环境。在我国境内，对于固定储罐、公路罐车，以及罐箱等真空绝热流体储运产品，其最低使用温度为−40 ℃；在惯性载荷方面，固定储罐不存在惯性载荷，公路罐车以及公路罐箱的最大惯性载荷为2(为设备质量、为重力加速度，下同)，铁公海联运罐箱的最大载荷为4。随着我国LNG多式联运物流新模式的兴起[11-12]，LNG罐箱在海洋环境中运行越来越频繁，真空测量装置的耐海洋盐雾腐蚀成为必须考虑的问题。

2.2 储运介质危险特性分析

几种常见储运介质的主要危险特性见表1。从表1可以看出，一方面，真空绝热流体储运装备所装载的介质均为极低沸点的深冷液体，具有很高的膨胀比，真空夹层失效将导致装载的介质吸热后在短时间内快速膨胀，进而引起罐体胀裂，介质泄漏等安全事故和财产损失，同时还会引发冷灼伤及人员窒息等次生伤害，因此真空测量装置在长时间应用过程中的密封可靠性要求非常高；另一方面，LNG等介质还具有易燃易爆的特性，静电火花即可引燃，因此所选用的真空规还应符合标准规定的防爆要求。

表1 常见储运介质的危特性

Tab.1 Hazard characteristics of common storage & transportation media

2.3 真空测量装置量程设计

传统真空测量装置所采用的热偶式真空规测量上限为0.1 Pa，而真空绝热流体储运装备的夹层封结真空度一般为0.01 Pa，工作时的冷态真空度更是达到0.1 mPa，需采用电离规进行测量，冷阴极电离规由于工作时放电电压非常高[13]，在LNG等易燃易爆介质储运设备中无法使用。

为解决传统真空测量装置的量程不足，同时保障流体储运装备的应用安全，新型真空测量装置采用热电偶&热阴极复合真空规。在低真空段，根据气体分子从热电阻丝带走的热量换算成真空度，最高真空度测量值不超过0.1 Pa；在高真空段，根据热电子发射原理，通过加热灯丝释放的热电子在电场中加速撞击气体分子产生阳离子，通过收集的阳离子数换算成真空度，真空度测量上限可达1×10−5Pa。热阴极电离规工作时不存在高压放电现象，同时电子迁移所产生的电流密度非常小[14]，达到本安防爆要求，安全性比较高。

2.4 真空测量装置防内漏设计

从图1可以看出，真空规与真空截止阀组装连接后，在真空规与截止阀之间存在的残留气体无法去除，当更换真空规或打开截止阀测量真空度时，残留的气体将全部通过真空截止阀进入夹层空间，导致真空度迅速上升。以40英尺（1 英尺=0.3048 米）LNG罐箱为例，真空夹层容积约为8 m3，0.1 cm3的常压空气体进入夹层后将导致真空度由10−3Pa瞬间上升至1 Pa。

新型真空测量装置在真空规与真空截止阀（如图2所示）之间的管路上增加了一道抽真空阀，在安装真空规以及更换真空规后，通过抽真空设备将管路中的残留气体全部抽除，达到流体储运装备夹层同等真空度，防止了气体通过真空截止阀进入罐体夹层。

图2 新型真空测量装置结构原理和结构组成

2.5 真空密封设计

真空测量装置的密封结构设计直接影响装置的应用可靠性，是整个装置设计的重点内容。传统真空测量装置所采用的“螺纹连接+胶粘合”密封结构中所采用的胶粘剂为双组分环氧树脂胶，其固化后的强度、抗振性能、耐腐蚀性以及温度特性[15-18]难以完全适应装备的受力和真空密封可靠性要求，环氧树脂密封层在盐雾环境中还会产生贯穿性腐蚀[19]，可靠性较差。新型真空测量装置中采用“CF法兰+无氧铜垫圈”密封结构，即采用真空手册规定的标准CF高真空法兰连接[20]，通过无氧铜垫圈进行密封[21]，材料的耐腐蚀性非常好，放气率非常低[22]，并且可以承受高温烘烤，在抽真空烘烤过程中能保持良好密封性能。

3 结构强度及振动分析

3.1 结构强度分析

由于铁公海联运罐箱冲击惯性载荷为4，远大于公路罐车和固定储罐，结构强度分析以铁公海联运LNG罐箱为安装对象，采用FEM技术对新型真空测量装置的受力进行了分析，利用HYPERWORKS 11.0建立计算模型并进行网格划分。LNG罐箱采用壳体建模，并使用shell181单元进行网格划分；真空测量装置本体以及LNG罐箱外筒体连接焊缝采用实体建模，并使用solid185单元进行网格划分。其网格划分见图3。

图3 真空测量装置网格模型

当LNG罐箱承受铁路4冲击工况、垂直向上1工况、垂直向下2工况时，对真空测量装置、罐体外壳处连接焊缝的受力进行了分析。如图4所示，最大应力位于真空测量装置与夹层罐体的焊缝连接处，在LNG罐箱承受4冲击时，最大应力为112 MPa，小于材料的许用极限为137 MPa。

图4 真空测量装置在不同惯性载荷下的应力分布

3.2 振动特性分析

对新型真空测量装置与罐箱的焊接部位进行约束，对真空测量装置的安装结构进行模态分析。新型真空测量装置的一阶模态变形见图5，其固有频率为189 Hz，远大于地表土体的固有频率30 Hz[23]，以及罐箱本体的固有频率，不会产生共振。

图5 真空测量装置一阶模态变形

4 真空测量装置的试验

4.1 漏率检测

采用氦质谱仪泄漏检测技术对新型真空测量装置（真空截止阀与真空规连接密封后的装置）的初始漏率和环境试验后的漏率分别进行了测试，并与传统样品进行了对比。新型真空测量装置样品的真空密封结构为“CF法兰+无氧铜垫圈”密封，传统样品1和传统样品2的真空密封结构均为“螺纹连接+胶粘合”密封。真空测量装置的漏率检测结果见表2。

表2 真空测量装置的漏率测量

Tab.2 Leakage rate of vacuum measuring device

4.2 环境试验

真空测量装置的环境试验包括高/低温试验、冲击振动试验和盐雾试验，试验参考标准、试验参数及要求见表3，所有试验采用同一组样品，并在试验过程中对测量装置进行抽真空处理，模拟装置的真实应用环境。

试验结果发现，环境试验后所有真空测量装置样品的外部形貌正常，没有发现锈迹等损坏，表明应用环境对真空测量装置的外部形貌没有明显影响。从表2可以看出，经过环境试验后，新型真空测量装置的漏率未发生明显变化，传统的“螺纹连接+胶粘密封”结构真空测量装置漏率已明显上升，在长时间的应用过程中的密封可靠性显著下降，真空泄漏风险上升。

表3 真空测量装置的环境试验

Tab.3 Environmental test of vacuum measuring device

4.3 抽真空过程中的真空度持续检测

在LNG罐箱批量生产过程中，新型真空测量装置通过焊接方式安装与罐体夹层连接，在产品抽真空过程中完成了夹层真空度的实时测量，通过新型真空测量装置测量的LNG罐箱夹层真空度数据曲线见图6。通过批量应用表明，新型真空测量装置能够一次性完成低真空和高真空度的测量，不需要同时安装置低真空和高真空2套测量装置，真空泄漏的概率明显下降。

图6 新型真空测量装置的真空测量过程记录

5 结语

真空测量装置作为流体储运装备上的重要的仪表部件，一方面可以及时了解夹层的真空状态，另一方面真空测量装置本身的密封性和可靠性又直接影响夹层的真空寿命。通过流体储运装备用新型真空测量装置的设计以及试验验证系统研究，解决了传统真空测量装置的量程不足、气体内漏等问题，分析了真空测量装置的结构受力特性。通过试验揭示了影响真空测量装置密封性能的关键环境因素，验证了“CF法兰+无氧铜垫圈”密封结构的环境耐受性，同时验证了“螺纹连接+胶粘合”密封结构在冲击振动、海洋湿气等恶劣环境中的可靠性，对真空绝热流体储运装备真空测量装置的设计、可靠性提升、性能检测等方面具有重要的指导意义。

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Design and Test Verification of Vacuum Measuring Device for Fluid Storage & Transportation Equipment

HUANG Zheng-xian1, HE Yuan-xin1, WANG Hong-xing2, HUANG Sheng1, HU Hai-bin1, LIU Feng-wei1, REN Yuan-guo3

(1.Yangtze Corporation of China Railway Rolling Stock Corporation, Wuhan 430212, China; 2.Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China; 3.Chengdu Guoguang Electric Co., Ltd., Chengdu 611800, China)

The work aims to systematically study the design and experiment of a new vacuum measuring device for fluid storage & transportation equipment, to solve the problems existing in the traditional devices, such as insufficient range and residual gas leakage, verify the change of the leakage rate of the device in the environmental test, and carry out batch installation and vacuum measurement application. The FEM was used to analyze the force of the new vacuum measuring device; the leakage rate of the new vacuum measuring device and the traditional sample before and after environmental test was compared by helium mass spectrometry. The results indicated that initial leakage rate of the new vacuum measuring device reached 10-10Pa·m3/s. After environmental test, the leakage rate of the new vacuum measuring device did not change obviously, while the leakage rate of traditional device increased obviously after the environmental test. Thermocouple & thermocathode composite vacuum gauge used in the new vacuum measuring device can realize the full range of interlayer vacuum measurement of fluid storage & transportation equipment, and satisfy the electrical explosion-proof requirements of flammable medium storage & transportation. The supplementary vacuum pumping structure can solve the problem of residual gas leakage in vacuum measuring device. The "CF flange + oxygen-free copper" sealing structure demonstrates superior environmental adaptability and low vacuum leakage risk. At the same time, the change of leakage rate of vacuum measuring devices in the process of environmental test is also verified for the first time.

fluid storage & transportation equipment; vacuum measurement; vacuum seal; environmental test; leakage rate

TB771

A

1001-3563(2022)05-0173-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.05.024

2021-12-31

国家重点研发计划（2018YFB2003705）

黄政贤（1984—），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为压力容器关键技术。

何远新（1983—），男，硕士，教授级高级工程师，主要研究方向为深冷装备技术。