高真空多層絕熱應用技術

單喆+謝曉如

【摘要】本文通過對高真空多層絕熱型式的分析，闡述了大容器高真空多層絕熱應用的設計原理以及實際生產制造過程中應注意的問題；并結合實際應用經驗，提出為維護大容器的真空使用壽命應采用科學正確的制造和檢測方法。

【關鍵詞】冷凍液化氣體；絕熱材料；真空度；漏放氣速率

1 前言

冷凍液化氣體是指在運輸過程中由于溫度低而部分呈液態的氣體（臨界溫度一般低于或者等于-50℃），如LNG、LN2、LAr2、LO2等，這類物質的運輸和貯存需要通過高真空多層絕熱容器來實現，真空多層絕熱容器主要包括冷凍液化氣體運輸半掛車、罐式集裝箱和液化天然氣氣瓶、真空絕熱氣瓶，以及立式或者臥式冷凍液化氣體儲罐等高真空多層絕熱容器。高真空多層絕熱容器的結構一般分為內容器、夾層絕熱空間、外殼、管路系統等。

2 高真空多層絕熱

低溫絕熱主要分堆積絕熱、真空粉末絕熱、高真空多層絕熱和高真空多屏絕熱幾種絕熱形式，其中高真空多層絕熱因其絕熱性能好、工藝簡便獲得青睞。它是在絕熱空間中安置許多層平行于冷壁的輻射屏來大幅度減少輻射熱以達到高效絕熱之目的的一種絕熱結構。在高真空多層絕熱中，熱流主要以三種形式進行傳遞：輻射傳熱（約占25%）、層間固體導熱（約占5%）、殘余氣體導熱（約占70%）。所以影響高真空多層絕熱效果有以下因素。

2.1絕熱材料

最常用的輻射屏材料有各種金屬箔，特別是輻射率低且價廉輕便的鋁箔和噴鋁滌綸薄膜，而常用的間隔材料有玻璃纖維布、尼龍網、纖維紙、絲綢等。（輻射屏與間隔材料組成了多層絕熱材料，以下稱絕熱材料）。有相關試驗說明，絕熱材料對絕熱的影響是很大的，其影響因素也是很多的，諸如厚度、鋁箔的質量、噴鋁厚度與質量、間隔物厚度、形狀、包扎方法等等。

2.2真空度

真空度對高真空多層絕熱的平均有效導熱系數有較大的影響，研究表明，只有當壓力低于1.33×10-2Pa時，剩余氣體的導熱才可能消除。所以對高真空多層絕熱形式的容器真空度要求應高于此值。

2.3絕熱材料的密度

當增加絕熱材料的密度，即增加單位絕熱層中反輻射層的數目時，輻射熱流將減少，相應地增大了固體傳導的熱流，所以有一個最佳值，成為最佳的每cm屏數，或稱多層纏繞的最宜“松緊度”。這一最佳密度一般為每厘米20～40層。

2.4絕熱材料總厚度

為了降低通過多層的熱流就需要保持一定的多層厚度，根據實驗指出，厚度的增加，增大了導熱系數值。多層的總厚度應由實際的冷損和成本作綜合考慮，通常取18～25mm左右。

2.5機械負荷

絕熱材料的導熱系數隨多層中的機械負荷的增大而增大。這是因為機械負荷引起多層的壓縮，增加了固體的傳導。故多層中機械負荷隨堆積密度的增大而迅速增大，所以多層包扎中不可過緊，多層包扎以后的絕熱層嚴禁過大外力的壓縮，在設計多層絕熱容器時，應考慮多層與外殼留有一定的間隙，以免在安裝時附加過大的機械負荷。

2.6溫度

溫度對高真空多層絕熱效果的影響較大，冷壁溫度從76K降到20K時，平均有效導熱系數可降低10%～30%。

然而鍍鋁的塑料薄膜雖然強度較高，但放氣很大，鋁箔放氣雖小但強度很差。多層的間隔物大部分是以玻璃纖維為基體的，這些間隔材料在真空下會放出許多氣體的，所以多層絕熱的高效能常常遭到破壞。在低溫系統中安裝后，其絕熱性能很難預測。對于絕熱空間幾何形狀非常復雜的情況下造成施工困難。多層絕熱各個方向傳熱性能相異，有時相差很大。多層絕熱的熱效應對壓縮負荷有強烈的依賴性。這些都影響多層絕熱的穩定性和工作效果。

3 冷凍液化氣體貯運設備

真空多層絕熱型式主要應用于冷凍液化氣體的貯運設備，為保證該類容器的正常使用，必須保證其絕熱效果，以維持真空使用壽命。下面對在制造過程中應注意的工序和節點進行了一些總結。

3.1結構材料的表面處理

前文已提到高真空多層絕熱容器的結構，在這類容器中，夾層絕熱空間主要是由內容器外壁、外殼內壁以及夾層管路外壁圍成，所以在形成夾層空間前相關的部位均應進行清理。奧氏體不銹鋼因其在低溫下能保持足夠的塑性和強度，一般會被選作內容器材料，該材料的清洗方法通常為酸洗鈍化法，以去除材料表面的灰塵油脂等。夾層管路因與低溫介質直接接觸，同樣也為奧氏體不銹鋼材質，清洗方法同上。注意清洗過后要求除凈酸洗膏，防止其殘留在夾層空間中影響后續抽真空。外殼一般采用的是碳鋼材料，由于其容器壁薄且直徑相對較大，導致其容易變形，考慮到外殼的強度和剛度需要，會在外殼內壁焊裝加強圈。這給外殼內壁的清理造成一定困難，易形成“死角”。碳鋼外殼的內壁一般進行噴砂或者噴丸處理，以去除焊接留下的雜質，如有油脂之類的物質應用丙酮進行清理，防止二次污染。噴砂或噴丸處理后的外殼內壁如還需人工清理時須在工作中佩戴鞋套、著干凈工裝、手套、口罩等。

3.2絕熱材料的處理

纏繞絕熱材料也是高真空多層絕熱容器制造過程中一個非常重要的工序。該工序需在潔凈的纏繞間內進行，操作工人著潔凈工裝，配鞋套、口罩、手套等防護工具，以防止操作過程中對夾層絕熱空間的二次污染，也防止漂浮在空氣中的絕熱材料的粉末對人體的不良刺激。

有實驗證明，絕熱材料經烘烤（90℃下烘烤4h）后的放氣特性及其對絕熱效果對比未烘烤的絕熱材料，有一定的差異。由此可見，絕熱材料經烘烤后更容易抽至高真空。

從理論上講，絕熱材料的層數及密度增大也會造成抽真空阻力增大，從而造成殘余氣體導熱加劇。同時包纏越密，層間接觸面積大，造成固體導熱增加，都不利于絕熱。層間壓緊力越小越有利于絕熱，但壓緊力過小會造成絕熱材料變松脫落，失去絕熱作用。故在纏繞絕熱材料時要掌握好力量。優良的纏繞效果應是多層絕熱材料層相當松軟同時又具有較大的纏繞牢固性，在振動沖擊下不會脫落。這要靠設計、材料、工藝等共同努力才能達到的高度。

4 總結與展望

高真空多層絕熱容器因其各方面的優點在低溫貯運領域還會被更大范圍的應用，要想獲得良好的絕熱效果和穩定的真空使用壽命，在設計生產制造過程中的重要工序必然會更受重視，設計方案、制造工藝以及檢測方法也一定會更加科學化專業化。

參考文獻：

[1]徐烈.低溫絕熱與貯運技術[M].北京，1999，5

[2]王正興.高真空多層絕熱抽真空工藝研究現狀與發展[J].低溫工程，2008，4