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摘 要：本文以焊接绝热气瓶的定期检验与评定为主要研究方向,分析了提高静态日蒸发率的检测效率的方法,探讨了绝热效果失效的指标,研究了内胆材料的热冲击损伤,并重点探索了焊接绝热气瓶蒸发率自动检测与信息系统的开发,以供同行与业界借鉴和参考.
关 键 词：焊接绝热气瓶定期检验评定蒸发率
一、焊接绝热气瓶概述
低温焊接绝热气瓶是按照国家标准GB24159-2009《焊接绝热气瓶》设计和制造的,简称“焊接绝热气瓶”,它是一种密闭容器,带有高真空夹层,通过真空夹层以及夹层内的反光镀层或多层绝热气体等来实现绝热保冷的.其贮存介质为液氧、液氩、液氮、液化天然气、氧化亚氮和二氧化碳等低温气体,用于在正常环境温度（-49℃-60℃）下使用,公称容积为10L--450L,设计温度不低于--196℃,工作压力为0.2MPa-3.5MPa,可重复充装立式（或卧式）气瓶,目前在能源、交能及其它领域都已得到大量使用.
与此同时,我国在绝热气瓶的检验工艺与方法上,在绝热性能的评价上,在检验结果的处理与气瓶管理的自动化程度等方面,尚未有评定规范以及行业标准,缺乏可操作性强和通用性强的指标或依据,此外,由于工作过程中存在的非正常充装对内胆材料的热损伤情况尚需确证,笔者针对相关问题展开探讨.
二、缩短对蒸发率的检测时间,提高检测效率
低温绝热容器的蒸发率是指气液两相达到热平衡后,单位时间内液体的蒸发量,是衡量低温绝热容器绝热性能优劣的重要参数,能够较为直观的反映焊接绝热气瓶的保冷性能.然而,现有的蒸发率的测试方法,测试时间长达72小时以上,若能缩短检测时间,可有效提高焊接绝热气瓶的检测效率和使用率.而在日常的试验及测试中,笔者发现,利用部分时段的蒸发率试验结果与模型预测法相结合,可有效减少蒸发率的试验时间.
对焊接绝热气瓶中液氮的蒸发率实测结果表明,在室内、无风、排气阀打开,或憋压、日照和有风条件下,瓶中液氮的重量随时间均呈线性规律递减.焊接绝热气瓶的蒸发率可根据液氮在静置期间的重量变化,利用线性预测模型予以有效预测,由此可节省试验时间达24h以上.
三、把漏热量做为衡量绝热效果失效的重要指标
静态日蒸发率、夹层真空度、真空漏率、表面温度、压升速率（维持时间）以及漏热量等都是能反映焊接绝热气瓶绝热性能的参数.但由于不同气瓶绝热失效时的真空度、蒸发率和闭口压升速率不尽相同,所以用这些指标作为绝热失效的临界标准,严格来讲缺乏通用性.
漏热量是反映焊接绝热气瓶最直接和最具实质性的指标,也是欧美发达国家广为采用的主要性能指标.如将气瓶按理想情况考虑（外壳表面为均匀温度场）,以气瓶外表面温度达到露点温度作为气瓶绝热失效的临界点,则可按传热学原理,求得气瓶外表面温度达到露点温度时的漏冷量,并将其作为气瓶绝热失效时的临界漏冷量Q.这样可以建立气瓶绝热效果失效判据：Q等于Q.Q为气瓶的实际漏热量,可根据实测温度场计算.显然,该判据能够适用于各种情况.如能解决气瓶表面温度场的定量、准确、快速在线测试问题,即可形成基于漏热量的低温气瓶绝热性能评价方法,这对解决我国低温容器绝热性能参数过多的问题有重要意义.
焊接绝热气瓶内低温液体的蒸发是由于吸收环境漏入的热量引起的.通过热成像法测取气瓶外壁温度场,进而由器壁与环境的热量交换来确定漏热量,无需考虑在用低温绝热气瓶内部保冷结构和保冷材料的性能情况,由此漏热量建立的气瓶绝热失效判据具有普遍意义,可解决壁温失效判据难以适用于器壁温度不均匀的情况,实现对焊接绝热气瓶绝热性能、泄漏和破损的综合检测.
四、焊接绝热气瓶内胆材料热冲击损伤
在实际应用中,焊接绝热气瓶难免存在因管理或操作上的问题造成充装时预冷不够或未预冷的情况,使气瓶受到低温热冲击的作用.热冲击可在材料表面瞬间产生很高的动态应力,形成远高于静力和疲劳载荷作用时的破坏力.气瓶用304L不锈钢为亚稳态奥氏体不锈钢,当低温热冲击应力达到或接近材料的屈服强度时会诱发马氏体相变,发生一定程度的韧脆转变和疲劳极限降低现象,在多次热冲击应力波的振荡作用下,气瓶表面易诱发脆性破裂,产生微裂纹,并且随着热冲击次数的增加,损伤会加剧.
热冲击问题属冲击动力学问题,其破坏作用主要是冲击应力波的作用,难以用传统的静力学和准静力学理论来解释.目前国际上对热冲击损伤的理论研究尚处于初级阶段,采用应力波理论虽能解释动态应力的形成和传递情况,但至今尚难以建立有效的失效准则,考察其破坏作用还主要依靠试验.
此外,在液氮冷冲击疲劳作用下,焊接绝热气瓶内胆焊缝处可产生微观裂纹.但因裂纹为微观级,在不考虑低温介质对内胆材料腐蚀作用的情况下,对内胆的安全运行不构成危害.
五、焊接绝热气瓶蒸发率自动检测与信息系统的开发
焊接绝热气瓶定期检验的时间长,仅蒸发率的检测就长达72小时,并要求登记气瓶的基本参数用户信息等数据,进行蒸发率的计算,出具检验报告等.随着检验业务量的增加,手工操作完成上述工作费工费时.为此,笔者开发了焊接绝热气瓶蒸发率自动检测与计算系统,构建了存储效率高的气瓶信息数据库.系统包括人机交互、数据导出、数据采集、气瓶管理、液体管理、串口配置登录、预测计算和用户管理模块.
该系统的蒸发率检测是基于称重法,称重计的称重数据会传送给计算机,计算机从数据采集器接收气瓶重量值,并将重量随时间变化曲线记录下来,通过预测程序预测72小时的重量值,并计算出蒸发率,利用导出模块自动生成检测报告的word文档.系统信息库为存储效率高、操作简便的sqlite数据库；系统的数据采集、分析和处理是多线程的,可同时进行多台气瓶的检测；系统启动后只要输入气瓶编号,即可快速查得已检气瓶的检验时间、液体名称和蒸发率等历史数据和基本信息.该系统基本满足对焊接绝热气瓶蒸发率的自动检测和基本信息的查询需要.
开发的焊接绝热气瓶绝热性能检测与信息系统,可以完成对绝热气瓶各项技术参数和结构参数的全面记录、保存和查询,实现对绝热气瓶蒸发率和漏热量的自动测试,有效提高检验效率,降低检验人员的工作强度.