高真空多層絕熱容器抽真空工藝探討
本文對影響高真空多層絕熱容器真空性能的因素做了分析，并針對不同影響因素在抽真空過程中實施的措施做了介紹，結(jié)合實際總結(jié)出一套合理的抽真空工藝及合格測算指標，希望對高真空多層絕熱容器的制造企業(yè)具有參考價值。
1、引言
高真空多層絕熱容器主要包括移動式壓力容器中的C2級冷凍液化氣體運輸半掛車、C3級冷凍液化氣體罐式集裝箱和氣瓶中的B3級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絕熱，是在內(nèi)容器的外表面纏繞數(shù)十層絕熱材料，對內(nèi)容器與外殼間形成的夾層空間進行抽氣，使真空度達到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，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;將夾層進行抽真空處理，即降低氣體分子密度，從而減弱熱對流所引起的傳熱;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。所以在實際制造過程中對玻璃鋼支撐、真空度、絕熱材料都有十分嚴格的要求，進而制造出一個優(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熱導(dǎo)率的影響：當真空度較低，即P>10Pa時，真空度對熱導(dǎo)率的影響微小;當真空度為10～10-2 Pa區(qū)間，隨著真空度的提高，熱導(dǎo)率急速下降;當真空度優(yōu)于10-3 Pa時，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，才能達到良好的絕熱目的，這就要求在對高真空多層絕熱容器進行抽真空過程中分析影響真空性能的因素，針對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符合相關(guān)法規(guī)和標準的規(guī)定，滿足用戶的使用要求(見圖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，含水量高，導(dǎo)致多層絕熱材料在抽真空過程中及日后的使用過程中持續(xù)放氣，因此多層絕熱材料在使用前必須進行干燥處理，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抽真空過程也有十分明顯的影響，材料層數(shù)和層密度過少達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，同樣達不到理想的絕熱效果。所以真空技術(shù)網(wǎng)(203scouts.com)經(jīng)過查閱文獻得出要選擇合適的材料層數(shù)，在用尼龍繩包扎時繩間距以150-200mm為宜，不斷測量層密度，現(xiàn)場做適當調(diào)整，尼龍繩包扎不宜過松，也不宜過緊。
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，但通過內(nèi)、外容器的漏氣量對真空性能的影響卻不容忽視，空氣通過焊縫和各與夾層連通的密封結(jié)構(gòu)等途徑進入夾層中，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，所以在抽真空過程中要對內(nèi)、外容器進行檢漏，控制容器的漏氣率在設(shè)計標準規(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程中真空度維持時間的長短，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大氣壓(1.02×105 Pa)抽到1.33×10-2 Pa以上需要的時間很長，想要縮短抽真空周期，勢必要在前期準備及抽真空工藝上下功夫。
3.1、前期準備
3.1.1、對內(nèi)容器進行抽真空，當真空度達到10Pa以下時對內(nèi)容器進行檢漏。漏率一般為10-6～10-11 Pa•m3/s(具體以設(shè)計要求為準)。
3.1.2、對纏繞前的內(nèi)容器進行烘烤加熱(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)，使容器溫度達到90～100℃為宜。
3.1.3、對多層絕熱材料及包扎用的尼龍繩干燥72小時，干燥溫度為90～105℃，干燥后用密封塑料袋包裝待用，待用時間不宜超過24小時。
3.1.4、纏繞場所溫度控制在20℃左右，盡量保持恒溫，RH<60%。室內(nèi)清潔，無油污。
3.1.5、包扎時不斷測量層密度，現(xiàn)場做適當調(diào)整，不宜包扎過緊，也不宜過松。
3.1.6、對外容器進行烘烤加熱，使外容器溫度達到90～100℃左右。
3.1.7、控制好外容器烘烤加熱和纏繞的時間，盡量纏繞包扎后馬上進行內(nèi)、外容器套合，外封頭組焊，避免內(nèi)容器與空氣接觸時間過長吸收水分，以免影響抽真空質(zhì)量。
