高真空多層絕熱容器抽真空工藝探討
本文對(duì)影響高真空多層絕熱容器真空性能的因素做了分析，并針對(duì)不同影響因素在抽真空過(guò)程中實(shí)施的措施做了介紹，結(jié)合實(shí)際總結(jié)出一套合理的抽真空工藝及合格測(cè)算指標(biāo)，希望對(duì)高真空多層絕熱容器的制造企業(yè)具有參考價(jià)值。
1、引言
高真空多層絕熱容器主要包括移動(dòng)式壓力容器中的C2級(jí)冷凍液化氣體運(yùn)輸半掛車、C3級(jí)冷凍液化氣體罐式集裝箱和氣瓶中的B3級(jí)車用液化天然氣氣瓶、工業(yè)用真空絕熱氣瓶，以及固定式壓力容器中的立式或者臥式高真空多層絕熱容器等，其結(jié)構(gòu)一般分為內(nèi)容器(或內(nèi)膽)、真空夾層、外殼、支撐、管路閥門系統(tǒng)及安全附件等，典型高真空多層絕熱容器產(chǎn)品見(jiàn)圖1。
圖1 高真空多層絕熱容器典型產(chǎn)品
高真空多層絕熱又稱超級(jí)絕熱，是在內(nèi)容器的外表面纏繞數(shù)十層絕熱材料，對(duì)內(nèi)容器與外殼間形成的夾層空間進(jìn)行抽氣，使真空度達(dá)到10-2 Pa～10-3 Pa的高真空，并在5年甚至10年的使用期間始終具有良好的真空絕熱性能。從高真空多層絕熱容器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析，為了消減熱傳導(dǎo)，內(nèi)、外容器間多采用玻璃鋼支撐，玻璃鋼輕質(zhì)高強(qiáng)，熱導(dǎo)率極低，室溫下為1.25～1.67KJ/(m.h.k),只有金屬的1/100～1/1000，是優(yōu)良的絕熱材料;將夾層進(jìn)行抽真空處理，即降低氣體分子密度，從而減弱熱對(duì)流所引起的傳熱;在內(nèi)容器外表面纏繞數(shù)十層絕熱材料便是降低內(nèi)外容器的熱輻射。所以在實(shí)際制造過(guò)程中對(duì)玻璃鋼支撐、真空度、絕熱材料都有十分嚴(yán)格的要求，進(jìn)而制造出一個(gè)優(yōu)質(zhì)的、具有優(yōu)良低溫性能的低溫絕熱體。
目前，高真空多層絕熱容器一般都采用真多層絕熱方式，考慮到真空度變化對(duì)熱導(dǎo)率的影響：當(dāng)真空度較低，即P>10Pa時(shí)，真空度對(duì)熱導(dǎo)率的影響微小;當(dāng)真空度為10～10-2 Pa區(qū)間，隨著真空度的提高，熱導(dǎo)率急速下降;當(dāng)真空度優(yōu)于10-3 Pa時(shí)，熱導(dǎo)率變化趨近于零。所以一般夾層的真空度要優(yōu)于10-3 Pa，才能達(dá)到良好的絕熱目的，這就要求在對(duì)高真空多層絕熱容器進(jìn)行抽真空過(guò)程中分析影響真空性能的因素，針對(duì)每一影響因素制定科學(xué)、合理的工藝流程，使高真空多層絕熱容器的真空性能指標(biāo)符合相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，滿足用戶的使用要求(見(jiàn)圖2)。
2、影響真空性能的主要因素
2.1、多層絕熱材料的放氣
圖2 多層絕熱的表觀真空度與有效熱導(dǎo)率的關(guān)系
多層絕熱材料是采用反射材料與間隔物相交替的組合。常用的反射材料有各種金屬箔，市面上尤以質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的鋁箔(阻燃)或噴鋁滌綸薄膜(非阻燃)為首選，而常用的間隔材料有玻璃纖維布、尼龍網(wǎng)、纖維紙、絲綢等。間隔材料吸濕性強(qiáng)，含水量高，導(dǎo)致多層絕熱材料在抽真空過(guò)程中及日后的使用過(guò)程中持續(xù)放氣，因此多層絕熱材料在使用前必須進(jìn)行干燥處理，處理后使用密封的塑料袋包裝，這樣可以有效減少多層絕熱材料在抽真空過(guò)程中的放氣量，縮短抽真空周期。另外多層絕熱材料的纏繞和包扎對(duì)抽真空過(guò)程也有十分明顯的影響，材料層數(shù)和層密度過(guò)少達(dá)不到理想的絕熱效果，而層數(shù)和層密度的增加使氣體抽出阻力大，不利于真空度的維持，同樣達(dá)不到理想的絕熱效果。所以真空技術(shù)網(wǎng)(m.mp99x.cn)經(jīng)過(guò)查閱文獻(xiàn)得出要選擇合適的材料層數(shù)，在用尼龍繩包扎時(shí)繩間距以150-200mm為宜，不斷測(cè)量層密度，現(xiàn)場(chǎng)做適當(dāng)調(diào)整，尼龍繩包扎不宜過(guò)松，也不宜過(guò)緊。
2.2、內(nèi)外容器的漏放氣
內(nèi)、外容器器壁同樣存在放氣現(xiàn)象，只是比多層絕熱材料的放氣量少很多，但通過(guò)內(nèi)、外容器的漏氣量對(duì)真空性能的影響卻不容忽視，空氣通過(guò)焊縫和各與夾層連通的密封結(jié)構(gòu)等途徑進(jìn)入夾層中，空氣中含有He、Ne、H2，盡管含量較少，但這些氣體流入到夾層中將很難被抽出，所以在抽真空過(guò)程中要對(duì)內(nèi)、外容器進(jìn)行檢漏，控制容器的漏氣率在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)。
2.3、夾層吸附劑
真空性能再好的容器仍存在多層絕熱材料的放氣和內(nèi)、外容器的漏放氣。漏放氣速率的大小決定了容器在使用過(guò)程中真空度維持時(shí)間的長(zhǎng)短，真空度的高低決定著容器日蒸發(fā)率的大小。為了解決抽真空以后多層絕熱材料的放氣和內(nèi)、外容器產(chǎn)生的漏放氣，在容器夾層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上安裝吸附劑，活性碳和5A分子篩是常用的兩種吸附劑，主要吸附夾層中的N2、O2、Ar、H2、He、Ne等，吸附劑在低溫低壓下對(duì)H2的吸附量很小，所以結(jié)合使用吸H2效果更好的一氧化鈀共同解決夾層內(nèi)的漏放氣體，從而更好的維持真空度，延長(zhǎng)容器的使用壽命。
3、抽真空工藝介紹
結(jié)合生產(chǎn)的5 0m3的高真空多層絕熱容器為例， 將容器夾層真空度從一個(gè)大氣壓(1.02×105 Pa)抽到1.33×10-2 Pa以上需要的時(shí)間很長(zhǎng)，想要縮短抽真空周期，勢(shì)必要在前期準(zhǔn)備及抽真空工藝上下功夫。
3.1、前期準(zhǔn)備
3.1.1、對(duì)內(nèi)容器進(jìn)行抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到10Pa以下時(shí)對(duì)內(nèi)容器進(jìn)行檢漏。漏率一般為10-6～10-11 Pa•m3/s(具體以設(shè)計(jì)要求為準(zhǔn))。
3.1.2、對(duì)纏繞前的內(nèi)容器進(jìn)行烘烤加熱(如使用專用的加熱室，也可在容器外壁上纏繞加熱毯或加熱帶等)，使容器溫度達(dá)到90～100℃為宜。
3.1.3、對(duì)多層絕熱材料及包扎用的尼龍繩干燥72小時(shí)，干燥溫度為90～105℃，干燥后用密封塑料袋包裝待用，待用時(shí)間不宜超過(guò)24小時(shí)。
3.1.4、纏繞場(chǎng)所溫度控制在20℃左右，盡量保持恒溫，RH<60%。室內(nèi)清潔，無(wú)油污。
3.1.5、包扎時(shí)不斷測(cè)量層密度，現(xiàn)場(chǎng)做適當(dāng)調(diào)整，不宜包扎過(guò)緊，也不宜過(guò)松。
3.1.6、對(duì)外容器進(jìn)行烘烤加熱，使外容器溫度達(dá)到90～100℃左右。
3.1.7、控制好外容器烘烤加熱和纏繞的時(shí)間，盡量纏繞包扎后馬上進(jìn)行內(nèi)、外容器套合，外封頭組焊，避免內(nèi)容器與空氣接觸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)吸收水分，以免影響抽真空質(zhì)量。
