低溫絕熱壓力容器檢漏系統(tǒng)分析
漏率是低溫絕熱壓力容器的主要技術(shù)指標(biāo)之一。準(zhǔn)確測(cè)量漏率值是產(chǎn)品絕熱性、可靠性和安全性評(píng)估的重要手段。從輔助真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)、檢漏系統(tǒng)有效最小可檢漏率的分析、檢漏儀連接位置和示漏氣體的反應(yīng)時(shí)間等幾個(gè)方面對(duì)低溫絕熱壓力容器檢漏系統(tǒng)進(jìn)行了論述與分析。
1、引言
低溫絕熱壓力容器是指用于貯存或運(yùn)輸液氫、液氧、液氦、液氬、液氮及液化天然氣等低溫介質(zhì)的容器。產(chǎn)品的漏率指標(biāo)是確保產(chǎn)品安全運(yùn)行的主要技術(shù)指標(biāo)之一，準(zhǔn)確測(cè)量漏率值是對(duì)該產(chǎn)品絕熱性、可靠性和安全性評(píng)估的重要手段�？v觀國(guó)內(nèi)大部分生產(chǎn)廠家對(duì)產(chǎn)品檢漏的方法，存在檢測(cè)方法不統(tǒng)一、漏率定量不準(zhǔn)確、檢漏效率低等問(wèn)題。部分生產(chǎn)廠家僅對(duì)零部件、管路和部分焊縫進(jìn)行檢漏，并未對(duì)產(chǎn)品出廠前的總漏率進(jìn)行定量檢測(cè)，造成了產(chǎn)品在運(yùn)行過(guò)程中的安全隱患。
作者從產(chǎn)品檢漏總體方案設(shè)計(jì)、輔助真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)、有效最小可檢漏率分析、檢漏儀連接位置和示漏氣體反應(yīng)時(shí)間等幾個(gè)方面對(duì)低溫絕熱壓力容器產(chǎn)品的檢漏原理與方法進(jìn)行了論述，意在規(guī)范與統(tǒng)一產(chǎn)品的檢漏方法，準(zhǔn)確測(cè)量產(chǎn)品的漏率值，確保產(chǎn)品運(yùn)行的安全與可靠性。
2、低溫絕熱壓力容器檢漏方案
2.1、檢漏要求
對(duì)低溫絕熱壓力容器的檢漏有以下要求。
（1）漏率指標(biāo)
參考真空技術(shù)網(wǎng)另文規(guī)定，貯存用低溫絕熱壓力容器要求產(chǎn)品總漏率應(yīng)小于1×10-7Pa·m3/s；運(yùn)輸用低溫絕熱壓力容器的產(chǎn)品漏率指標(biāo)應(yīng)小于1×10-9Pa·m3/s。同時(shí)，要求對(duì)漏孔能定量和定位。
（2）反應(yīng)時(shí)間
對(duì)于貯存用、運(yùn)輸用容器等大型低溫絕熱壓力容器，如果檢漏系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，大面積的長(zhǎng)焊縫檢漏勢(shì)必導(dǎo)致檢漏時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。為了縮短時(shí)間、提高效率，要求盡量縮短檢漏響應(yīng)時(shí)間與清除時(shí)間。
（3）有效最小可檢漏率
根據(jù)各部分漏率指標(biāo)要求，確定檢漏方法及檢測(cè)系統(tǒng)的有效最小可檢漏率。通常要求有效最小可檢漏率應(yīng)為產(chǎn)品漏率指標(biāo)的1/10。
2.2、檢漏系統(tǒng)總體方案
低溫絕熱壓力容器的幾何容積通常在5m3到100m3之間，產(chǎn)品的漏率允許值在1×10-7～1×10-9Pa·m3/s之間，并要求對(duì)存在的漏孔能定量和定位，檢漏時(shí)間短。根據(jù)產(chǎn)品的漏率指標(biāo)及檢漏要求，通常選用最小可檢漏率低、能準(zhǔn)確定位和定量的氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)。由于產(chǎn)品容積較大，為縮短反應(yīng)時(shí)間，提高檢漏效率，需要采用輔助真空系統(tǒng)。產(chǎn)品檢漏系統(tǒng)如圖1 所示。檢漏系統(tǒng)由真空輔助系統(tǒng)、檢漏儀、標(biāo)準(zhǔn)漏孔和被檢容器組成。
1，6.標(biāo)準(zhǔn)漏孔;2，5，9，10，11.真空閥門(mén);3.低溫絕熱壓力容器;4.真空規(guī);7.氦質(zhì)譜檢漏儀;8.前級(jí)泵;12.次級(jí)泵。
圖1 低溫絕熱壓力容器檢漏系統(tǒng)圖
2.3、輔助真空系統(tǒng)
2.3.1、組成
輔助真空系統(tǒng)具有預(yù)抽容器真空夾層、分流氣體、減小示漏氣體反應(yīng)時(shí)間和清除時(shí)間等功能。根據(jù)低溫絕熱壓力容器的結(jié)構(gòu)、尺寸、要求和具備的檢漏條件配置相應(yīng)的輔助真空系統(tǒng)。一般的輔助真空系統(tǒng)由前級(jí)泵、次級(jí)泵、真空閥門(mén)、真空規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)漏孔等組成，對(duì)于低溫絕熱壓力容器前級(jí)泵最好為氣鎮(zhèn)式機(jī)械泵，次級(jí)泵可采用擴(kuò)散泵或羅茨泵。
2.3.2、參數(shù)選擇
檢漏時(shí)，容器除了可能漏氣外，不可避免地還會(huì)有材料出氣，如果不加輔助真空系統(tǒng)，被檢件的漏氣與材料出氣的總漏放氣速率就要全部通過(guò)檢漏儀系統(tǒng)。為了保證檢漏儀能正常工作，應(yīng)滿足如下條件，即
式中p為檢漏儀的工作壓力，Pa；Sd 為檢漏儀支路的抽速，L/s；Q0 為低溫絕熱壓力容器真空夾層漏氣速率，Pa·m3/s；ΣQi為低溫絕熱壓力容器真空夾層材料的出氣速率，Pa·m3/s。對(duì)于低溫絕熱壓力容器而言，其漏氣或出氣可能很大，因此，要求輔助真空系統(tǒng)的抽速S為（對(duì)空氣）
2.4、檢漏系統(tǒng)有效最小可檢漏率分析
檢漏系統(tǒng)的有效最小可檢漏率決定了檢漏系統(tǒng)可以檢出的最小漏孔值，是設(shè)計(jì)檢漏系統(tǒng)的主要參數(shù)之一。在如圖1 所示的檢漏系統(tǒng)中，假設(shè)進(jìn)入低溫絕熱壓力容器真空夾層的氦氣量為Q0，其中一部分Q1 通過(guò)檢漏儀的分析室，而另一部分Q2 被前級(jí)泵抽除。以圖中A 點(diǎn)為參考點(diǎn)，可得到
如不考慮分析室支路的通導(dǎo)能力，則分析室支路的氦壓力為
式中Q1 為通過(guò)檢漏儀分析室的氦氣量，Pa·m3/s；Q2 為前級(jí)泵抽走的氦氣量，Pa·m3/s；S1為前級(jí)泵抽速，L/s；Sd 為分析室支路對(duì)A 點(diǎn)的抽速，L/s； Sc 為分析室的抽速，L/s；pc 為檢漏儀分析室的氦壓力，Pa。對(duì)以上公式分析如下：
�。�1）由式（3）~式（6）可知，若不用前級(jí)泵時(shí)，S1=0，Q2=0，全部氦氣量都通過(guò)檢漏儀的分析室，即Q0=Q1，則根據(jù)式（6）有
pc= Q0/Sc
�。�2）由式（7）可知，Sc 越小，pc 值越大，則檢漏時(shí)有效最小可檢漏率越低。當(dāng)Sc→0，而且S1=0 時(shí)（前級(jí)泵關(guān)閉）， pc→∝，這相當(dāng)于停止抽氦以后，氦分壓會(huì)逐漸提高，經(jīng)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間后，即使很微小漏孔也會(huì)檢出。
�。�3）pc 與S2 無(wú)關(guān)，使用次級(jí)泵不能降低檢漏系統(tǒng)的有效最小可檢漏率，只能減少抽空時(shí)間和反應(yīng)時(shí)間。
�。�4）由式（6）和式（7）比較可知，使用前級(jí)泵可使pc 下降Sd /（S2+Sd）倍。為了降低檢漏時(shí)的最小可檢漏率，即提高pc，可減小S1。為此，可關(guān)小前級(jí)泵閥，或選擇對(duì)氦氣抽速小的泵。
