高效抽真空防爆集成裝置的設計及試驗研究

黃政賢,何遠新,劉鳳偉,熊珍艷,徐衛國,吳慧敏,李 波

(中車長江運輸設備集團有限公司 科技開發分公司,湖北 武漢 430212)

真空絕熱深冷壓力容器是用于儲存深冷液體的壓力容器[1],由儲液內容器和維持真空絕熱空間的外殼組成,且有一套完整的安全附件、儀表裝置及滿足操作要求的系統。容器組裝后對內容器與外殼體之間的夾層進行抽真空而起到削弱換熱的作用[2],抽真空口、防爆口是此類設備上重要的功能部件及密封裝置,其中,抽真空口用于夾層與抽真空機組的連接進行抽真空,并在抽真空結束后進行真空封結;防爆口是重要的真空安全裝置,當夾層真空喪失時自動彈開向外泄放超壓氣體,防止氣體在真空夾層內大量積壓引起真空殼體超壓破裂。在真空密封結構中,只有焊接結構是最為可靠的密封結構,為延長設備真空壽命,必須降低可拆卸真空密封零件數量,必須減少密封面長度?；谏鲜鏊悸?本文對抽真空口和防爆口的功能進行了集成,設計制造了一種大通道抽真空防爆集成裝置,并對其漏氣速率、起爆能力、抽真空及其真空封結操作分別進行檢測及模擬,為工業應用提供依據。

1 抽真空口和防爆口結構

抽真空口、防爆口都是用于氣體的流通和密封,兩種裝置在功能上具有高度相似性。在結構組成方面,抽真空口和防爆口均由氣體通道和密封結構組成。抽真空口和防爆口的主要區別體現在密封操作方面,其中抽真空口是在抽真空結束時,在抽真空管道上完成真空封結,屬于動密封操作,真空封結操作難度較高;而防爆口則是在抽真空前將端蓋及墊圈靜置于密封面上,在抽真空過程中依靠外部大氣壓自行密封,屬于端部靜密封操作,操作比較簡單。為保證密封可靠性,降低真空封結操作難度,通常采用抽真空閥替代抽真空口,通過CF高真空法蘭對與罐體進行連接,并通過緊固螺栓壓緊無氧銅墊圈實現真空密封。圖1為抽真空閥、防爆口典型結構。

1—氣體通道;2—密封結構。

2 大通道抽真空防爆集成設計

由于抽真空口、防爆口在功能和結構上具有高度相似性,使抽真空口、防爆口的集成設計成為可能。抽真空截止閥雖然具有很好的密封性及可靠性,且易于操作,但無法實現防爆口的功能,須在真空絕熱罐體外部同時安裝防爆口。抽真空口和防爆口均采用可拆卸式的墊片及法蘭密封,其密封面長度將為抽真空防爆集成裝置的兩倍,漏氣速度顯著提升,對夾層真空壽命影響極為不利。在低溫氣瓶中,由于其真空夾層空間很小,密封面的長度對氣瓶的性能影響更為顯著,因此其抽真空口及防爆口已設計成為一體式結構,由于其所需通道截面積很小,易于密封,此種一體式的集成結構已有多年的應用。大通道抽真空防爆集成設計的主要難點是通道直徑的增加直接影響真空自密封能力,是設計者應當解決的難點問題。大通道抽真空防爆集成裝置的設計主要包括材料選擇、抽真空口通道直徑的確定、防爆口通道直徑確定、密封結構的設計及計算等方面。

2.1 材料選擇

抽真空防爆集成裝置的關鍵是解決裝置的密封和裝置本身的漏放氣問題,而材料的選擇對上述性能均有重要影響。在抽真空防爆集成裝置中,抽真空口及防爆密封口蓋均選用奧氏體不銹鋼S30408。如表1所示,與銅及碳鋼等材料相比,奧氏體不銹鋼S30408具有耐蝕性優良、表面易加工、易于焊接、材料易取得等優點,而且材料本體放氣率比較低,是制作真空密封元件的常用材料。

抽真空防爆集成裝置的密封材料一般采用真空橡膠,真空橡膠可分為氟橡膠、硅橡膠、環氧樹脂、聚四氟乙烯、丁基橡膠等。圖2為不同真空密封材料的技術特性。如圖2所示,由于氟橡膠具有非常低的放氣率以及極低的氣體透過系數,而且在高溫下仍能保持良好的密封特性[3],滿足抽真空工藝的要求,成為近年來最常用的真空密封材料。雖然氟橡膠在低溫下會變脆,其彈性保持極限溫度僅為-15～-20 ℃,但是大量研究及應用經驗表明氟橡膠使用溫度可略低于脆性溫度[4-7];真空密封手冊推薦氟橡膠密封最低使用溫度為-40 ℃;美國軍用標準MIL-DTL-25879G-2012+A1:2021規定氟橡膠最低使用溫度為-40 ℃。

圖2 不同真空密封材料的技術特性

2.2 抽真空口通道直徑確定

抽真空口通道直徑的確定與抽真空工藝、機組設備以及工作溫度等因素密切相關,是一項非常復雜的問題。一方面,在理想狀態下,只有當真空管道的直徑大于氣體分子的自由程時[8],在抽真空設備的輔助下才能獲得理想的抽真空速度,但隨著真空度的降低,氣體分子的自由程將變得非常大(圖3),此時需將抽真空口的通道直徑做得非常大才能保證低真空下的抽真空速率,但抽真空口通道直徑增加至臨界值后將無法依據大氣壓實現自密封[9];另一方面,市場大多工業抽真空機組配備自管道直徑為100 mm,在額定抽真空速度下能獲得比較經濟的抽真空效果。同時,在設計時為了減少高真空時氣體分子與管壁之間的碰撞而導致氣體分子的回流,通道應盡量短而直,避免出現彎道[10]。

圖3 不同壓力下氮氣分子自由程

2.3 防爆口通道直徑確定

防爆口通道直徑應保證在真空喪失時積聚在真空腔內的氣體能夠全部排放至外部[11],避免真空腔體超壓。根據低溫設備抽真空工藝的要求,一般低溫儲運設備真空殼體的耐壓極限為0.2 MPa;根據NB/T 47059—2017《冷凍液化氣體罐式集裝箱》、GB/T 18442—2011《固定式真空絕熱深冷壓力容器》等標準要求,防爆口泄放壓力應不超過0.05 MPa,截面積不超過5 000 mm2。

2.4 密封結構的設計及計算

密封設計對裝置的真空密封性能以及設備的真空壽命具有重要影響。在抽真空防爆集成設計過程中,采用傳統力學方法對集成法蘭蓋的密封進行了計算,同時采用FEM有限元技術對密封能力進行了分析。傳統力學方法計算表明,當真空通道直徑為95 mm時,在我國所有大氣壓范圍內,真空狀態下O型圈壓縮變形率約為13%,小于永久壓變形率(21%),而且在0 Pa后隨著真空度的提高其壓縮變形率未發生顯著變化。圖4為O型圈密封力有限元分析應力云圖。如圖4所示,O型圈最大密封壓力為1.84 MPa,大于GB 150—2011《壓力容器》中規定的最大密封比壓力(1.4 MPa),能夠保證抽真空防爆集成裝置法蘭蓋的密封要求。

圖4 O型圈密封力有限元分析應力云圖

3 試驗驗證

為了驗證抽真空防爆集成裝置的真空密封性能及操作性能,根據集成裝置的結構、抽真空操作及密封操作特點,設計組裝了抽真空防爆集成裝置性能試驗測試平臺(圖5),用于抽真空防爆集成裝置的漏氣速率檢測試驗、防爆口起爆能力試驗以及抽真空試驗。試驗平臺主要由安裝臺、抽真空機組、檢漏儀、壓力儀表以及連接管路、安裝附件等組成,其中,安裝臺用于安裝固定抽真空防爆集成裝置,抽真空機組用于對試驗裝置及其管路進行抽真空,檢漏儀用于對試驗裝置及管路進行漏氣速率檢測并查找漏點。為提高測試系統響應時間,對試驗真空空間容積的大小進行了優化[12]。試驗項目主要包括抽真空防爆集成裝置漏氣速率檢測試驗、起爆能力試驗,集成口蓋重復開閉時的密封性能穩定性試驗,所有試驗均在專用試驗裝置上進行。

圖5 抽真空防爆集成裝置性能試驗測試平臺

3.1 漏氣速率檢測試驗

按照圖6(a)連接試驗裝置,對樣品試驗安裝系統抽真空至9.9×10-4Pa后,開展漏氣速率檢測,檢漏儀品牌為ULVAC(日本愛發科),極限漏氣速率為1×10-11Pa·m3/s。經檢測,抽真空防爆集成裝置試驗系統漏氣速率為1.6×10-9Pa·m3/s。

圖6 試驗裝置連接示意圖

3.2 起爆能力試驗

按圖6(a)連接試驗裝置,對樣品試驗安裝系統抽真空至9.9×10-4Pa后,模擬夾層真空失效狀態,往真空室內充進高純氮氣,使真空室內形成正壓,防爆口蓋在壓力作用下爆開。重復試驗10次,模擬高效抽真空防爆集成裝置經多次補抽真空時的狀態。試驗過程中每次抽真空后均對系統進行漏氣速率檢測,并記錄數據,同時觀察試驗裝置的起爆壓力。相關數據如圖7所示,試驗表明,裝置起爆壓力約為0.2 MPa,而且經多次試驗防爆口蓋均能正常起爆。

圖7 抽真空防爆集成裝置起爆能力試驗數據記錄圖

3.3 抽真空、封結操作試驗

按圖6(b)連接試驗裝置,將拉桿閥與抽真空防爆集成裝置連接,模擬抽真空的狀態,開展抽真空以及封口試驗。經過多次操作試驗,試驗結果表明,采用拉桿閥抽真空效果良好,檢測結果表明裝置漏氣速率可達10-9Pa·m3/s級,封口操作時壓下拉桿閥,往拉桿閥室通入空氣后能順利將抽真空防爆口壓入密封,真空室內真空度未明顯上升,表明無空氣進入真空室。

4 結束語

經過對抽真空口、防爆口的工作原理及結構分析,研究了大通道抽真空防爆集成裝置設計的結構、材料選擇、抽真空口通道直徑、防爆口通道直徑的確定及密封結構設計和計算,并通過試驗對裝置的性能、特性以及操作性進行了驗證和模擬,通過多種方法驗證了大通道抽真空防爆集成裝置的密封性能及多次開閉操作后的密封可靠性,對裝置的工業應用提供了可靠依據,同時對低溫儲運設備的抽真空系統優化設計具有較強的指導意義。