低温绝热压力容器检漏系统分析(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州物理研究所真空低温技术与物理国家级重点实验室 作者:黄宏

  漏率是低温绝热压力容器的主要技术指标之一。准确测量漏率值是产品绝热性、可靠性和安全性评估的重要手段。从辅助真空系统设计、检漏系统有效最小可检漏率的分析、检漏仪连接位置和示漏气体的反应时间等几个方面对低温绝热压力容器检漏系统进行了论述与分析。

1、引言

  低温绝热压力容器是指用于贮存或运输液氢、液氧、液氦、液氩、液氮及液化天然气等低温介质的容器。产品的漏率指标是确保产品安全运行的主要技术指标之一,准确测量漏率值是对该产品绝热性、可靠性和安全性评估的重要手段。纵观国内大部分生产厂家对产品检漏的方法,存在检测方法不统一、漏率定量不准确、检漏效率低等问题。部分生产厂家仅对零部件、管路和部分焊缝进行检漏,并未对产品出厂前的总漏率进行定量检测,造成了产品在运行过程中的安全隐患。

  作者从产品检漏总体方案设计、辅助真空系统设计、有效最小可检漏率分析、检漏仪连接位置和示漏气体反应时间等几个方面对低温绝热压力容器产品的检漏原理与方法进行了论述,意在规范与统一产品的检漏方法,准确测量产品的漏率值,确保产品运行的安全与可靠性。

2、低温绝热压力容器检漏方案

2.1、检漏要求

  对低温绝热压力容器的检漏有以下要求。

(1)漏率指标

  参考真空技术网另文规定,贮存用低温绝热压力容器要求产品总漏率应小于1×10-7Pa·m3/s;运输用低温绝热压力容器的产品漏率指标应小于1×10-9Pa·m3/s。同时,要求对漏孔能定量和定位。

(2)反应时间

  对于贮存用、运输用容器等大型低温绝热压力容器,如果检漏系统反应时间过长,大面积的长焊缝检漏势必导致检漏时间过长。为了缩短时间、提高效率,要求尽量缩短检漏响应时间与清除时间。

(3)有效最小可检漏率

  根据各部分漏率指标要求,确定检漏方法及检测系统的有效最小可检漏率。通常要求有效最小可检漏率应为产品漏率指标的1/10。

2.2、检漏系统总体方案

  低温绝热压力容器的几何容积通常在5m3到100m3之间,产品的漏率允许值在1×10-7~1×10-9Pa·m3/s之间,并要求对存在的漏孔能定量和定位,检漏时间短。根据产品的漏率指标及检漏要求,通常选用最小可检漏率低、能准确定位和定量的氦质谱检漏技术。由于产品容积较大,为缩短反应时间,提高检漏效率,需要采用辅助真空系统。产品检漏系统如图1 所示。检漏系统由真空辅助系统、检漏仪、标准漏孔和被检容器组成。

低温绝热压力容器检漏系统图

1,6.标准漏孔;2,5,9,10,11.真空阀门;3.低温绝热压力容器;4.真空规;7.氦质谱检漏仪;8.前级泵;12.次级泵。

图1 低温绝热压力容器检漏系统图

2.3、辅助真空系统

2.3.1、组成

  辅助真空系统具有预抽容器真空夹层、分流气体、减小示漏气体反应时间和清除时间等功能。根据低温绝热压力容器的结构、尺寸、要求和具备的检漏条件配置相应的辅助真空系统。一般的辅助真空系统由前级泵、次级泵、真空阀门、真空规及标准漏孔等组成,对于低温绝热压力容器前级泵最好为气镇式机械泵,次级泵可采用扩散泵罗茨泵

2.3.2、参数选择

  检漏时,容器除了可能漏气外,不可避免地还会有材料出气,如果不加辅助真空系统,被检件的漏气与材料出气的总漏放气速率就要全部通过检漏仪系统。为了保证检漏仪能正常工作,应满足如下条件,即

  式中p为检漏仪的工作压力,Pa;Sd 为检漏仪支路的抽速,L/s;Q0 为低温绝热压力容器真空夹层漏气速率,Pa·m3/s;ΣQi为低温绝热压力容器真空夹层材料的出气速率,Pa·m3/s。对于低温绝热压力容器而言,其漏气或出气可能很大,因此,要求辅助真空系统的抽速S为(对空气)

2.4、检漏系统有效最小可检漏率分析

  检漏系统的有效最小可检漏率决定了检漏系统可以检出的最小漏孔值,是设计检漏系统的主要参数之一。在如图1 所示的检漏系统中,假设进入低温绝热压力容器真空夹层的氦气量为Q0,其中一部分Q1 通过检漏仪的分析室,而另一部分Q2 被前级泵抽除。以图中A 点为参考点,可得到

  如不考虑分析室支路的通导能力,则分析室支路的氦压力为

  式中Q1 为通过检漏仪分析室的氦气量,Pa·m3/s;Q2 为前级泵抽走的氦气量,Pa·m3/s;S1为前级泵抽速,L/s;Sd 为分析室支路对A 点的抽速,L/s; Sc 为分析室的抽速,L/s;pc 为检漏仪分析室的氦压力,Pa。对以上公式分析如下:

  (1)由式(3)~式(6)可知,若不用前级泵时,S1=0,Q2=0,全部氦气量都通过检漏仪的分析室,即Q0=Q1,则根据式(6)有

pc= Q0/Sc

  (2)由式(7)可知,Sc 越小,pc 值越大,则检漏时有效最小可检漏率越低。当Sc→0,而且S1=0 时(前级泵关闭), pc→∝,这相当于停止抽氦以后,氦分压会逐渐提高,经相当长时间后,即使很微小漏孔也会检出。

  (3)pc 与S2 无关,使用次级泵不能降低检漏系统的有效最小可检漏率,只能减少抽空时间和反应时间。

  (4)由式(6)和式(7)比较可知,使用前级泵可使pc 下降Sd /(S2+Sd)倍。为了降低检漏时的最小可检漏率,即提高pc,可减小S1。为此,可关小前级泵阀,或选择对氦气抽速小的泵。

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