真空絕熱壓力容器定期檢驗(yàn)評(píng)定方法研究

姚小靜，趙路寧，韓 偉，劉 丹，張 冰

（1.山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，濟(jì)南 250101；2.山東省特種設(shè)備協(xié)會(huì)，濟(jì)南 250101）

·低溫與制冷·

真空絕熱壓力容器定期檢驗(yàn)評(píng)定方法研究

姚小靜1，趙路寧2，韓 偉1，劉 丹1，張 冰1

（1.山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，濟(jì)南 250101；2.山東省特種設(shè)備協(xié)會(huì)，濟(jì)南 250101）

介紹了真空絕熱壓力容器定期檢驗(yàn)和評(píng)定過(guò)程中存在的問(wèn)題，首先根據(jù)檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》（TSG R7001—2013）等相關(guān)規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為引起真空絕熱壓力容器的失效原因?yàn)轳R氏體組織引發(fā)的封頭直邊端開裂、夾層與氣液相接管連接的角焊縫泄漏及安全附件失效，其中夾層真空失效是引發(fā)真空絕熱壓力容器失效的主要原因；其次結(jié)合失效原因，分析了真空度測(cè)量及檢驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)定中存在的問(wèn)題；最后探討了真空絕熱壓力容器的定期檢驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)定及安全狀況等級(jí)的評(píng)定。希望通過(guò)筆者的研究工作，對(duì)真空絕熱壓力容器的檢驗(yàn)評(píng)定起到一定的指導(dǎo)作用。

真空絕熱壓力容器；失效因素；真空度；定期檢驗(yàn)；檢驗(yàn)項(xiàng)目；安全狀況等級(jí)

1 前 言

真空絕熱容器是指用于存儲(chǔ)液氧、液氮、液氬、液化天然氣等低溫液體的壓力容器。近年來(lái)隨著工業(yè)氣體和燃?xì)獾膹V泛應(yīng)用，液體的應(yīng)用已從機(jī)械、石油、化工等行業(yè)，擴(kuò)展到了能源、環(huán)保、造船、交通、生物、航天等領(lǐng)域，需求量也在逐年快速遞增。同時(shí)，隨著世界各國(guó)對(duì)能源需求的不斷增長(zhǎng)和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的日益增強(qiáng)，液氫、液化天然氣等清潔能源的推廣與應(yīng)用已日益普及，帶動(dòng)了深冷真空絕熱容器的快速發(fā)展，目前深冷容器已經(jīng)發(fā)展成為壓力容器行業(yè)增速最快、發(fā)展最有前景的產(chǎn)業(yè)。

低溫絕熱壓力容器的結(jié)構(gòu)不同于普通壓力容器，其結(jié)構(gòu)采用獨(dú)特的真空夾套式結(jié)構(gòu)，即根據(jù)不同設(shè)計(jì)要求在密閉金屬內(nèi)膽與外殼體間采用不同的絕熱方式（真空粉末材料絕熱、纖維材料絕熱、多層絕熱等）使夾層達(dá)到一定的真空度［1］。雙層真空絕熱結(jié)構(gòu)具有高度的保冷效果，無(wú)法進(jìn)入內(nèi)部對(duì)內(nèi)膽及其管路的損傷情況進(jìn)行檢驗(yàn)，故《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》（TSG R7001—2013）（以下簡(jiǎn)稱《容檢規(guī)》）［2］中規(guī)定的無(wú)損檢測(cè)方法及其他的檢測(cè)方法并不適用于真空絕熱壓力容器的檢驗(yàn)，與常規(guī)壓力容器檢驗(yàn)相比存在一定的差別。文獻(xiàn)［3-4］介紹了歐盟及美國(guó)等國(guó)家也是將真空度作為真空絕熱壓力容器定期檢驗(yàn)的主要性能指標(biāo)。雖然目前尚未有真空度失效而導(dǎo)致人員的傷亡事故，但低溫液體的特點(diǎn)是溫度低、氣化潛熱小、氣液體積比大（1 L液氧可氣化為300 L氣氧）、蒸發(fā)后局部濃度大，因此一旦發(fā)生事故可能造成火災(zāi)、爆炸、窒息、中毒等嚴(yán)重事故，因此亟需研究真空絕熱壓力容器定期檢驗(yàn)及評(píng)定方法。

2 真空絕熱壓力容器定期檢驗(yàn)與評(píng)定存在問(wèn)題

2.1 失效因素分析

《容檢規(guī)》［2］規(guī)定，檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)應(yīng)根據(jù)壓力容器的使用情況、損傷模式及失效模式制定檢驗(yàn)方案，因此要進(jìn)行科學(xué)的檢驗(yàn)，避免“過(guò)度檢驗(yàn)，檢驗(yàn)不足”，要分清楚真空絕熱壓力容器的損傷模式及影響因素。

2.1.1 封頭直邊端開裂

真空絕熱壓力容器內(nèi)膽多采用06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼，依據(jù)制造單位返修設(shè)備及常規(guī)奧氏體不銹鋼容器失效案例可知，封頭直邊端容易開裂。其一是因?yàn)榉忸^壓制過(guò)程是應(yīng)力重新分配的過(guò)程，在直邊段產(chǎn)生了變形殘余應(yīng)力；其二奧氏體不銹鋼供貨狀態(tài)多為固溶，而封頭壓制過(guò)程中，不管是采用冷成型還是采用熱成型，均相當(dāng)于對(duì)封頭重新進(jìn)行了加熱，但在冷卻過(guò)程中，冷卻速度不同，《不銹鋼冷軋鋼板鋼帶》（GB/T 3280—2007）［5］規(guī)定，06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼熱處理≥1040℃水冷或其它方式快冷（此處快冷，企業(yè)一般采用風(fēng)冷的方式），而封頭廠則大多采用自然冷卻的方式，冷卻速度過(guò)小，因此在冷卻過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生馬氏體組織，此外為了提高強(qiáng)度，降低重量及制造成本，大部分廠家使用形變強(qiáng)化后的不銹鋼鋼板，則強(qiáng)度提高，壁厚減薄，制造成本降低，但是奧氏體形變強(qiáng)化后，若熱處理工藝控制不當(dāng)，也會(huì)產(chǎn)生馬氏體組織，上述兩種情況均產(chǎn)生淬硬組織，進(jìn)而在應(yīng)力作用下產(chǎn)生微缺陷，從而導(dǎo)致封頭開裂。

2.1.2 夾層與氣、液相接管連接的角焊縫泄漏[6]

在制造單位返修的低溫容器中，夾套與氣、液相接管連接的角焊縫泄漏的情況較多。主要原因是廠家設(shè)計(jì)低溫容器時(shí)，忽視了接管是導(dǎo)熱體。由于反復(fù)充裝，接管與殼體的連接處存在溫差變化，導(dǎo)致接管與殼體的連接部位產(chǎn)生交變應(yīng)力；對(duì)夾套為碳鋼的低溫容器，與接管連接部位的夾套低碳鋼角焊縫及母材處的溫度，有時(shí)低于脆性轉(zhuǎn)變溫度。低溫容器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行后，夾套與接管連接的角焊縫易出現(xiàn)穿透性裂紋，造成夾層真空度喪失。低溫容器控制閥門以外的管路發(fā)生的事故（除了發(fā)生火災(zāi)事故外），可以通過(guò)關(guān)閉閥門得到控制，危險(xiǎn)性次之。

2.1.3 真空失效

夾層真空度和日蒸發(fā)率是衡量低溫絕熱壓力容器真空絕熱性能和使用壽命的重要技術(shù)指標(biāo)。按照《容檢規(guī)》的規(guī)定，真空度和日蒸發(fā)率是作為能否繼續(xù)使用的唯一依據(jù)。但是在真空度檢測(cè)過(guò)程中，由于真空規(guī)管型式多樣，內(nèi)部介質(zhì)處理不當(dāng)?shù)龋鶎?dǎo)致真空測(cè)不準(zhǔn)，出現(xiàn)誤判的現(xiàn)象。

2.2 真空絕熱容器檢驗(yàn)與評(píng)定存在問(wèn)題

2.2.1 真空規(guī)管損壞

韓海濤［7］認(rèn)為絕大多數(shù)低溫容器安裝在室外，經(jīng)受風(fēng)吹雨打，局部積累的水汽、潮氣在規(guī)管針腳上析出，造成針腳腐蝕斷裂，無(wú)法連接真空計(jì)接頭。主要原因是現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)真空規(guī)管外部保護(hù)罩并無(wú)規(guī)定，有些廠家甚至連保護(hù)罩的墊片都沒(méi)有加，使得真空規(guī)管非常容易受到外部環(huán)境的腐蝕。

此外，按照《容檢規(guī)》的要求，壓力容器至少每三年進(jìn)行一次真空度檢測(cè)，不規(guī)范的拆卸及檢測(cè)行為，也可能會(huì)導(dǎo)致真空規(guī)管的損壞。

2.2.2 真空度誤判

其一由于真空規(guī)管型式不一，而檢驗(yàn)單位所使用的檢測(cè)設(shè)備型號(hào)單一，因此接口不匹配；其二測(cè)量環(huán)境與容器內(nèi)介質(zhì)含量多少均可能影響真空度的檢測(cè)結(jié)果；其三，鄭連學(xué)等人［8］認(rèn)為介質(zhì)成分決定真空度合格標(biāo)準(zhǔn)，不能實(shí)施一刀切的判定方法，否則可能會(huì)造成真空度誤判。而真正影響夾層真空度和絕熱性能的影響因素有很多，蔣吉林等［9］認(rèn)為在用真空容器真空度和絕熱性能的影響因素為珠光砂的熱導(dǎo)率，其中真空度下降，熱導(dǎo)率上升、夾層氣體含量增加，夾層內(nèi)各種材料漏放氣現(xiàn)象，也會(huì)導(dǎo)致真空度下降。因此在用設(shè)備檢測(cè)過(guò)程中，針對(duì)檢測(cè)結(jié)果應(yīng)綜合分析，真空度超標(biāo)不合格的處理情況應(yīng)該一分為二。首先應(yīng)該仔細(xì)調(diào)閱用戶的運(yùn)行記錄，檢查運(yùn)行過(guò)程中是否有異常結(jié)霜、結(jié)露現(xiàn)象；有無(wú)壓力異常升高的情況，安全閥、爆破片有無(wú)頻繁起跳、破裂的情況，若有異常現(xiàn)象，且經(jīng)常出現(xiàn)安全保護(hù)裝置異常釋放動(dòng)作，此時(shí)則應(yīng)懷疑真空失效。若要得到真實(shí)的真空度，筆者認(rèn)為蔣吉林［7］的判定方法更適合在用壓力容器的評(píng)判要求，即定真空度判定標(biāo)準(zhǔn)的思路應(yīng)如下：首先明確每臺(tái)低溫容器的真空度合格標(biāo)準(zhǔn)并不相同，它取決于夾層真空度降低速率。引入“真空度降低速率”的概念。主要是因?yàn)榇烁拍罹C合考慮了夾層的泄漏和夾層內(nèi)材料的放氣現(xiàn)象。因此需要通過(guò)計(jì)算來(lái)確定夾層的真空度是否合格。過(guò)程如下：

1.計(jì)算該低溫容器夾層的真空度降低速率

式中，e為真空度降低速率，Pa·L/s；Pt為本次定檢實(shí)際測(cè)量的夾層真空度，Pa；P0為最近一次定期檢驗(yàn)時(shí)實(shí)際測(cè)量的夾層真空度，Pa；V為幾何容積（設(shè)計(jì)給定或?qū)嶋H測(cè)量），L；t為檢驗(yàn)周期，n。

注：計(jì)算的前提是假定真空度降低速率不隨時(shí)間而變化，但是這種假定可通過(guò)多次實(shí)際計(jì)算后進(jìn)行不斷修正。

2.下一檢驗(yàn)周期時(shí)可能達(dá)到的真空度

式中，Pn為下一檢驗(yàn)周期時(shí)的真空度，Pa。

3.結(jié)果判定

根據(jù)式（2）計(jì)算出的Pn與產(chǎn)品使用說(shuō)明書中規(guī)定的須重新抽真空的P規(guī)進(jìn)行比較，若Pn＜P規(guī)，則合格，Pn≥P規(guī)時(shí)，則需要重新抽真空。

2.2.3 檢驗(yàn)項(xiàng)目級(jí)判定依據(jù)設(shè)置不合理

對(duì)于移動(dòng)式真空絕熱壓力容器而言，《容檢規(guī)》附錄A規(guī)定其檢驗(yàn)項(xiàng)目為資料審查、罐體外觀檢驗(yàn)、罐體與底盤連接檢驗(yàn)、附屬設(shè)施連接檢驗(yàn)、隔熱層檢驗(yàn)、附件檢驗(yàn)、安全附件檢驗(yàn)、組裝檢驗(yàn)、耐壓試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)、真空度檢測(cè)、緊急切斷閥耐壓試驗(yàn)、罐體外表面油漆檢驗(yàn)和強(qiáng)度校核。

其中強(qiáng)度校核必須要有實(shí)測(cè)壁厚，而又規(guī)定真空絕熱壓力容器不需要進(jìn)行壁厚測(cè)定，因此無(wú)法進(jìn)行強(qiáng)度校核，此外即使進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，除了外露的管路可見，其余部位均不可見，此時(shí)若內(nèi)膽或與內(nèi)膽相連部位發(fā)生泄漏，也無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)，而即使泄漏，真空度也會(huì)發(fā)生變化，而要通過(guò)氣密來(lái)檢驗(yàn)，則成本較高，因此氣密性檢測(cè)也失去了意義。

此外，固定式真空絕熱壓力容器依據(jù)真空度和日蒸發(fā)率來(lái)判定其安全狀況等級(jí)，而移動(dòng)式則給出繼續(xù)使用和重新抽真空的要求，而《容檢規(guī)》第四章規(guī)定的安全狀況等級(jí)評(píng)定項(xiàng)目則是針對(duì)內(nèi)膽的，而真空絕熱壓力容器無(wú)人孔，無(wú)法進(jìn)入內(nèi)部檢驗(yàn)，因此其安全狀況等級(jí)評(píng)定所需的項(xiàng)目無(wú)法進(jìn)行，故不能參照第四章進(jìn)行安全狀況等級(jí)的評(píng)定。

3 真空絕熱壓力容器檢驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)定與檢驗(yàn)結(jié)論

3.1 檢驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)定

結(jié)合上述論述及實(shí)際檢驗(yàn)工作的需要，筆者認(rèn)為真空絕熱壓力容器的定期檢驗(yàn)項(xiàng)目，以資料審查、宏觀檢查、罐體與底盤連接檢驗(yàn)、壁厚測(cè)定（外殼）、絕熱性能檢驗(yàn)、管路系統(tǒng)和閥門檢驗(yàn)、安全附件檢驗(yàn)，而沒(méi)有必要強(qiáng)度校核，必要時(shí)進(jìn)行耐壓試驗(yàn)氣密性試驗(yàn)（移動(dòng)式應(yīng)進(jìn)行氣密性試驗(yàn)）。

氣密性試驗(yàn)主要是檢驗(yàn)容器的各連接部位是否有泄漏現(xiàn)象，一是因?yàn)闊o(wú)論是內(nèi)膽還是夾層發(fā)生泄漏，其真空度均無(wú)法保持，外殼會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜、結(jié)露等異常現(xiàn)象；其二，即使有泄漏，因?yàn)槌送饴兜墓苈罚ㄟ^(guò)氣密性試驗(yàn)也無(wú)法查找漏點(diǎn)；其三，若是微量泄漏，可以通過(guò)檢測(cè)真空度來(lái)判斷；其四，氣密性試驗(yàn)成本較高，其五，氣密性試驗(yàn)只與企業(yè)對(duì)設(shè)備的組裝質(zhì)量相關(guān)，與前期檢驗(yàn)結(jié)果無(wú)關(guān)，作為定檢必檢項(xiàng)目，無(wú)形中增加了檢驗(yàn)人員的風(fēng)險(xiǎn)，因此不建議對(duì)真空絕熱壓力容器進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。

當(dāng)腐蝕深度超過(guò)腐蝕裕量、名義厚度不明、結(jié)構(gòu)不合理（并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重缺陷），或者檢驗(yàn)人員對(duì)強(qiáng)度有懷疑時(shí)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行強(qiáng)度校核，可見強(qiáng)度校核的目的是在定期檢驗(yàn)過(guò)程中，為了判斷缺陷是否會(huì)影響壓力容器的安全運(yùn)行而采用的一種判斷方法，但是不管是采用常規(guī)強(qiáng)度校核計(jì)算方法還是應(yīng)力分析方法，則必須進(jìn)行壁厚檢測(cè)，而真空絕熱壓力容器無(wú)法進(jìn)行內(nèi)膽壁厚檢測(cè)，因此強(qiáng)度校核對(duì)于真空絕熱壓力容器也不適用。

3.2 檢驗(yàn)結(jié)論（檢驗(yàn)周期與安全狀況等級(jí)評(píng)定）

《容檢規(guī)》第四章，安全狀況等級(jí)評(píng)定主要是考慮材質(zhì)不明及使用過(guò)程中產(chǎn)生的材質(zhì)劣化、不合理結(jié)構(gòu)、裂紋、機(jī)械損傷、原始焊接缺陷、腐蝕、母材分層等缺陷，由評(píng)定項(xiàng)目可知，其評(píng)定是對(duì)象是主要受壓元件，而真空絕熱壓力容器可能產(chǎn)生的缺陷是內(nèi)膽封頭脆化，真空度失效。但使用過(guò)程中，內(nèi)膽封頭脆化無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)，因此對(duì)于固定式真空絕熱壓力容器，《容檢規(guī)》第四十七條規(guī)定確定其安全狀況等級(jí)評(píng)定方法，而移動(dòng)式真空絕熱壓力容器定期檢驗(yàn)結(jié)果建議應(yīng)以年度檢驗(yàn)結(jié)果為主，直接根據(jù)真空度降低速率確定檢驗(yàn)周期，不應(yīng)進(jìn)行安全狀況等級(jí)評(píng)定。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于真空絕熱壓力容器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的特殊性，無(wú)法像常規(guī)容器那樣進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)、壁厚測(cè)定、埋藏缺陷檢測(cè)、材料分析、強(qiáng)度校核、耐壓試驗(yàn)及氣密性試驗(yàn)，因此對(duì)于真空絕熱壓力容器檢驗(yàn)應(yīng)做好以下工作：

1.明確真空絕熱壓力容器的失效模式，合理地確定檢驗(yàn)項(xiàng)目，科學(xué)施檢，避免過(guò)度檢驗(yàn)；

2.夾層真空度是保證產(chǎn)品安全運(yùn)行的重要指標(biāo)，應(yīng)通過(guò)計(jì)算真空度降低速率的方法確定檢驗(yàn)周期；

3.檢驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)主要以資料審查、宏觀檢驗(yàn)、真空度檢測(cè)、管路及安全附件檢驗(yàn)為主，必要時(shí)進(jìn)行耐壓試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)（移動(dòng)式應(yīng)進(jìn)行氣密性試驗(yàn)），由于無(wú)法進(jìn)行內(nèi)膽檢驗(yàn)，因此建議只確定下次檢驗(yàn)周期，不進(jìn)行安全狀況等級(jí)評(píng)定。

［1］夏立榮，陳克，趙勇.低溫絕熱壓力容器定期檢驗(yàn)技術(shù)的分析與研究［C］//第八屆全國(guó)低溫工程大會(huì)暨中國(guó)航天低溫專業(yè)信息網(wǎng)2007年度學(xué)術(shù)交流會(huì).北京：2007.

［2］TSG R7001—2013壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則［S］.

［3］薛小龍，羅曉明，顧福明.國(guó)內(nèi)外低溫容器定期檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的比對(duì)分析［J］.壓力容器，2008，25（1）：49-53.

［4］周偉明，陳朝暉，魏蔚.深冷真空絕熱容器標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展與展望［J］.壓力容器，2013（2）：1-14.

［5］王勇.低溫絕熱容器定期檢驗(yàn)關(guān)鍵問(wèn)題的探討［J］.石油化工設(shè)備技術(shù)，2008（4）：16-18.

［6］GB/T 3280—2007不銹鋼冷軋鋼板鋼帶［S］.

［7］韓海濤.低溫絕熱容器定期檢驗(yàn)中真空度檢測(cè)常見問(wèn)題［J］.中國(guó)特種設(shè)備安全，2012，28（2）：23-24.

［8］鄭連學(xué)，張立紅，聶遠(yuǎn)威.對(duì)《容器定檢規(guī)》低溫液體容器夾層真空度規(guī)定的討論［J］.特種設(shè)備安全技術(shù)，2013（2）：34-35.

［9］蔣吉林，陳海鵬.關(guān)于在用低溫液體貯運(yùn)容器夾層真空度的探討［J］.深冷技術(shù)，2002（1）：10-12.

To Analysis the Inspection&Evaluation of Vacuum Insulation Pressure Vessels Periodical

YAO XiaoJing1，ZHAO Luning2，HANWei1，LIU Dan1，ZHANG Bing1
（1.Shandong Special Equipment Inspection Institute，Jinan 250101，China；2.Shandong Special Association of Special Equipment，Jinan 250101，China）

To analysis the question of vacuum insulated pressure vessels about inspection and evaluation during periodical inspection.First，according to the experience of inspection，and the″Pressure Vessels Periodical Inspection Regulation″（TSG R7001－2013）and other related rules and standards，that thought the vacuum insulated failure factor were the head straight edge cracking ofmartensite and the leakage of interspace between gas and liquid and safety accessories，and then themain failure factor is the vacuum failure；second，combined with the failure reason，to analyzed the question about how to inspect the vacuum and how to set test item，finally，to study the test item and the evaluation of safety grade.To hope can plan play a guiding role to the vacuum insulation pressure vessels for inspection and evaluation of vacuum insulation pressure vessels.

vacuum insulation pressure vessel；the failure factor；vacuum；periodical inspection；test item；the safety state grade

X933.4

A

1007-7804（2014）03-0010-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2014.03.003

姚小靜（1980），女，高級(jí)工程師，山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，主要從事壓力容器及壓力管道檢驗(yàn)研究工作。

2014-02-14；

2014-06-03

國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目《低溫絕熱壓力容器定期檢驗(yàn)方法的研究》（2012QK240）。