固定式真空绝热压力容器的定期检验

1 前 言

随着国民经济的蓬勃发展，作为国民经济基础要素之一的工业气体，其作用和地位日益显著，被喻为工业的“血液”。由于气体具有较高的气液体积比，将气体液化后以液体形态进行存储与运输更为高效。低温绝热技术在工业气体液化后的储运中起着至关重要的作用。固定式真空绝热压力容器是一种常见的用于储存深冷液化气体的压力容器，在液氧、液氮、液氩、液化天然气、液化二氧化碳等一般工业液化气体的存储与使用环节应用十分广泛。固定式真空绝热压力容器采用双层金属壳、真空夹套式结构，结构形式不同于常规压力容器，定期检验具有一定特殊性。

2 低温绝热技术概述

将工业气体液化的最大好处是可以使体积减小很多，方便存储和运输。使气体液化的方法有两种，一是降低温度，二是压缩体积(即加压)。每种气体都有一个特定的温度，在该温度以上，无论加压到多高的压力来压缩体积，该气体都不会液化，只有当气体温度降低到这个温度以下时才能液化，这个特定的温度称为该气体的临界温度。在临界温度下，能够使气体液化所需要的最小压力则称为临界压力。临界温度和临界压力都是物质的特定参数。

任何气体均可采用降低温度的方法进行液化，只要气体温度降到足够低时都可以液化；如果气体温度高于其临界温度，则无法采用压缩体积方法进行液化，这时无论加以多高的压力，都无法使气体液化。因此要想使气体液化，首先要将温度降低到其自身的临界温度以下。有些气体的临界温度很低，如氧气、氮气、氩气、氢气等，临界温度均在-100℃以下，要使这些气体液化，需要利用一定的低温技术，使这些气体可以达到它们各自的临界温度以下，然后再采用增大压强、压缩体积的方法使其液化。在实际应用中，常常将降温和加压两种方法联合使用，来使气体液化。

由传热学知识，我们知道热量的传递有三种方式：热传导、热对流、热辐射。低温绝热的目的在于设法将外界环境通过上述三种传热方式传递给低温装置的热量尽量减少，以维持低温介质的低温状态。

低温绝热分为非真空绝热和真空绝热两大类型。非真空绝热也称普通绝热或堆积绝热，是一种沿用高温保温方法的绝热方式，即在低温物体的外表面堆积或包覆一定厚度的绝热材料以起到绝热保冷作用。真空绝热则是将绝热空间(夹层空间)抽至一定真空度的绝热形式。真空绝热又分为高真空绝热(单纯真空绝热)、真空粉末绝热、高真空多层绝热等类型。高真空绝热即单纯真空绝热，一般将夹层空间抽真空至1.33×10-3 Pa以下的绝对压强，以消除气体的热对流和绝大部分的气体热传导[1]。真空粉末绝热是在夹层空间内抽至一定真空并填充多孔微粒绝热材料的绝热方式，多孔微粒绝热材料为粉末或纤维，常用的有膨胀珍珠岩(珠光砂)、气凝胶，以膨胀珍珠岩(珠光砂)最为常见。真空粉末绝热对真空度的要求不高，其绝对压强一般为1 Pa左右[1]。高真空多层绝热是在夹层空间内多层交替组合设置具有高反射能力的辐射屏和具有低热导率的间隔材料，并且在夹套空间内抽至高真空所形成的绝热方式，其真空度与高真空绝热量级大体相当，是效率最高的绝热方式，有“超级绝热”之称[2]。各种绝热形式的优点和缺点如表1所示。

表1 不同绝热方式的优缺点[1-2]
Table 1 The advantages and disadvantages of different insulation methods

真空粉末绝热，由于所要求的真空度不高，且绝热效率较高，其绝热性能比堆积绝热高约两个数量级、比高真空绝热高约一个数量级，因此在低温设备中得到了普遍应用，广泛应用于大中型低温液体压力容器中[1]。

3 固定式真空绝热压力容器常见结构简介

固定式真空绝热压力容器，是一种采用双层真空夹套式结构的固定式压力容器，用于储存冷冻液化气体，主要由储存内容器和维持真空绝热空间的外壳组成，此外还有夹层内连接内容器和外壳的支撑结构、管路系统、以及安全附件、阀门、仪表等装置。固定式真空绝热压力容器最常采用的绝热方式为真空粉末绝热，其结构示意如图1所示。

图1 固定式真空绝热压力容器常见结构示意图
Fig.1 The common structure diagram of stationary vacuum insulated pressure vessel

内容器用于盛装深冷液化气体，一般采用奥氏体不锈钢材质。外壳用于维持夹套绝热层的真空，通过防止热量从外部侵入而防止内容器内压力升高，外壳常选用低合金钢材质。外壳上设置的主要结构有防爆装置、抽真空装置、真空测量装置以及内容器引出管路的固定构件等[3]。内容器与外壳间的夹套内设置有支撑结构，用来使内容器悬挂于外壳之中，为减少内容器与外壳通过支撑元件传导的热量，通常选用热导率小的材料、增加支撑件长度、减小支撑件横截面积等方法[4]。管路系统一般包括：顶部喷淋充液管路、底部充液与出液管路、超压泄放管路、放空管路、增压管路、溢流管路、液位测量管路、压力测量管路等，以满足充液、出液、泄压、放空、增压、溢流、液位测量、压力测量等使用要求[5]。上述管路系统均从内容器引出，经夹套空间并穿过外壳，在壳体以外连接相应阀门、附件或仪表等。

从内容器中将液化气体输送出来一般有三种方法：用气体加压、用液体泵或用自增压器，绝大多数采用自增压器的方法。这种方法是在容器底部设置一个气化器，利用内容器中的液体静压头来强制液体通过气化器后气化，并产生一定的压力再进入内容器，利用气化增压的气体排出内容器中的液体[6]。

4 固定式真空绝热压力容器定期检验探讨

4.1 定期检验项目的设定

固定式真空绝热压力容器的定期检验应依据TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》(以下简称《固容规》)第8章的相关要求进行，但《固容规》是通用性规范，对于真空绝热压力容器仅提到了夹层真空度检验和日蒸发率测量这两种补充检验，并未明确其他的通用检验项目是否必须执行以及如何执行。关于固定式真空绝热压力容器定期检验，目前没有专项的国家标准和行业标准，仅有安徽、山东、河南、重庆等少数省市出台了推荐性的专项地方标准，更多需要检验机构或检验人员根据其结构特点制定具体而有针对性的检验工艺或检验方案。

固定式真空绝热压力容器的内容器和外壳一般均不设人孔或检查孔，无法进入内部检验内容器及内部管路的损伤情况。《固容规》中关于金属压力容器定期检验项目中的壁厚测定、表面缺陷检测、埋藏缺陷检测、材料分析和强度校核，如要实施只能对外壳进行，上述检验项目可能发现的严重问题，完全可以通过宏观检查和真空度测试两个项目反映出来，没有必要作为必检项目，仅在宏观检验、真空度测试、或日常使用过程发现异常情况时有针对性的进行即可。另外，对于泄漏试验和耐压试验，无论内容器还是外壳发生泄漏或开裂，夹套的真空度都无法维持，外壳会出现潮湿、跑冷、结露、结霜等异常现象，并且若存在微量泄漏，也可以通过真空度的测试来判断[7]。况且泄漏试验和耐压试验的成本较高，受检企业实施起来存在一定困难，因此不建议在固定式真空绝热压力容器定期检验时进行泄漏试验和耐压试验。对于夹层真空度和日蒸发率，《固容规》在第8.3.4条中明确指出“夹层上装有真空测试装置的，检验夹层的真空度；夹层上未装真空测试装置的，必要时进行压力容器日蒸发率测量[8]。”日常检验中，遇到的绝大部分固定式真空绝热压力容器均装有真空规管，可进行夹层真空度的检测。真空度仅能反映出绝热容器避免热对流的能力，无法反映热传导和热辐射的情况，且数值还受到内容器所装介质情况的影响。相比而言，日蒸发率更能全面反映真空绝热容器的绝热性能，但日蒸发率的测量费时费力、检验成本较高，对于极少数未装真空测试装置的，笔者认为只要在日常使用及宏观检验中未发现异常情况，则无需进行日蒸发率测量。

综上所述，为避免对固定式真空绝热压力容器缺乏针对性的过度检验，其定期检验项目应以宏观检验、安全附件检验、真空度检验为主，必要时进行日蒸发率测量、壁厚测定、表面缺陷检测、埋藏缺陷检测、材料分析、强度校核、泄漏试验、耐压试验等项目。对于固定式真空绝热压力容器的定期检验，不能机械地设定检验项目，检验人员在审查相关出厂质量证明文件后，还应通过查阅运行记录和与使用者交流的方式，对使用情况进行了解，重点了解使用过程中有无异常结霜、结露现象，以及安全阀是否频繁起跳、爆破片是否经常破裂更换的情况，有针对性地检验和分析。

4.2 主要定期检验项目的检验要点

4.2.1 宏观检验

固定式真空绝热压力容器的宏观检验，除按《固容规》第8.3.2条对宏观检验的通用要求，实施其中可以进行的检验内容外，还应重点检验以下内容：

1.外壳的表面油漆是否完好，有无腐蚀、破损、变形、机械损伤；

2.外壳(特别是顶部和底部)有无潮湿、跑冷、结霜、结露等异常情况；

3.外壳焊缝、外壳与内容器引出管连接的角焊缝、气液相管与蒸发器连接的角焊缝等连接处是否存在渗漏；

4.可见的管路系统有无泄漏、腐蚀、变形等异常情况；

5.各阀门有无泄漏、破损。

4.2.2 安全附件检验

固定式真空绝热压力容器的安全附件检验，除按《固容规》第8.3.12条要求检验安全阀是否在校验有效期内、爆破片装置是否按期更换外，还应检查爆破片的安装方向是否正确，并对爆破片进行外观检查，发现有划伤、变形损坏的应立即更换。

关于爆破片的更换周期，GB 567.2—2012《爆破片安全装置 第2部分：应用、选择与安装》规定可由爆破片的制造单位确定更换周期，或可由使用单位根据经验自行确定爆破片的更换周期，同时规定以下三种情况应更换爆破片[9]：

1.超过最小爆破压力而未爆破的爆破片应立即更换；

2.设备检修且拆卸的爆破片应更换；

3.苛刻条件或重要场合下使用的爆破片应每年定期更换。

4.2.3 真空度检验

目前，大多数固定式真空绝热压力容器均在夹套外壳上装有真空规管，一种测量真空度的传感器，真空规管与夹套之间装设有真空隔离阀。真空绝热容器上常见的真空规管为热偶型真空规管，测量时，利用外接的热偶真空计通电给真空规管内的加热丝，加载一个稳定不变的加热电源，根据气体分子传导热量的能力越小则真空度越高的原理，间接把真空度测量出来。

常用的热偶型真空规管有4种型号，其中进口的两种：DV-4和DV-6，国产的2种：ZJ-51和ZJ-54。这两种进口真空规管具有自适应功能，测量时无需在热偶真空计中设置加热电流数值，连接上即可测量；而这两种国产真空规管，测量时需要按规管标签中给定的加热电流在真空计中设置相应加热电流值[10]。早期的真空绝热容器一般装设的是国产型号的真空规管，最近10 a内制造的真空绝热容器一般装设的是进口型号的真空规管。

测量低温绝热容器夹套内的真空度时，注意在测量前打开夹套与真空规管之间的隔离阀，否则测量出来的仅仅是真空规管与隔离阀之间的真空度；测量结束后再将隔离阀关闭拧紧。

5 结束语

固定式真空绝热压力容器对真空夹套的绝热性能有特殊要求，具有内容器结构不可见的特点，无法对内容器实施直接检验，与常规容器相比，有一些定期检验项目并不适用，因此，其定期检验存在一定难度[11]。了解低温绝热技术的基础知识、掌握真空绝热容器的结构形式，有助于检验人员科学实施固定式真空绝热压力容器的定期检验工作，避免过度检验。

关于固定式真空绝热压力容器的定期检验，期待能在安全技术规范中以附录形式进行专项规定，或能颁布专项的国家标准或行业标准，同时也期待例如红外热成像[12]这样新的检验检测技术尽早被法规标准采纳，予以应用。