高純氣體長管拖車結(jié)構(gòu)特點及定期檢驗問題

駱 輝薄 柯李邦憲張君鵬黃強華

（1.中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029)(2.全國氣瓶標準化委員會 北京 100029）

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高純氣體長管拖車結(jié)構(gòu)特點及定期檢驗問題

駱 輝1薄 柯1李邦憲1張君鵬1黃強華2

（1.中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029)
(2.全國氣瓶標準化委員會 北京 100029）

摘 要：介紹高純氣體長管拖車的結(jié)構(gòu)特點以及使用特點，氣瓶和管路技術(shù)特性與普通長管拖車區(qū)別，在運行中存在充裝介質(zhì)無腐蝕性、充裝次數(shù)少等特點，指出當前檢驗方法基于普通長管拖車失效模式制定，不適應(yīng)與高純氣體長管拖車檢驗，會對設(shè)備造成極大破壞，并且檢驗方法不科學，應(yīng)根據(jù)高純氣體長管拖車失效模式以及結(jié)構(gòu)特點，制定適應(yīng)于高純氣體長管拖車檢驗方法，保障設(shè)備的安全運營。

關(guān)鍵詞：長管拖車 高純氣體 定期檢驗

Structure Features and Periodic Inspection Problem of High Purity Gases Tube Trailer

Luo Hui1Bo Ke1Li Bangxian1Zhang Junpeng1Huang Qianghua2
(1. China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)
(2. National Standardization Administration of Gas Cylinders Beijing 100029)

Abstract This paper introduces the structure features and service condition of tube trailer fi lled with high purity gases, the technical requirements on cylinder and pipeline is different from that of normal tube trailer. In service of high purity gases tube trailer, fi lled medium is non-corrosion, fi lling frequency is low, current periodic inspection technology is based on failure model of normal trailer, so the technology is not fit for inspection of high purity gases tube trailer with great harm to the tube trailer. It is necessary to establish periodic inspection technology based on failure model of high purity gases tube trailer, to keep safety for equipment operation.

Keywords Tube trailer High purity gases Periodic inspection

長管拖車用于高壓永久氣體運輸，在天然氣、氫氣、氦氣儲運方面有著廣泛應(yīng)用，目前在我國已有近20年的運行歷史，保有量近萬輛。目前，該類型設(shè)備按照TSG R7001—2013《壓力容器定期檢驗規(guī)則》附件D.長管拖車、管束式集裝箱定期檢驗專項要求進行定期檢驗，該檢驗標準實施，排除設(shè)備安全隱患，保障長管拖車安全運行，長管拖車運行至今未發(fā)生重大特種設(shè)備安全事故。

高純氣體長管拖車，用于充裝純度大于99.999%且氣體含水量小于1mg/L的氣體，如NF3、SiH4、N2O、HCl等。該類型氣體應(yīng)用在集成電路、芯片、半導體、太陽能等領(lǐng)域，為提高產(chǎn)品性能，對氣體純度、干燥度、潔凈度等方面有極高的要求，為保證充裝氣體純度及穩(wěn)定性，避免儲運設(shè)備對氣體造成污染，該類型設(shè)備和普通長管拖車相比，雖然整體機構(gòu)類似，但在很多技術(shù)特性方面極大不同。根據(jù)用戶調(diào)查，目前該類型設(shè)備市場保有量在100臺，伴隨我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級，對該類型設(shè)備的需求也在增加，預計將來保有量在250臺。

該類型設(shè)備同樣用于高壓氣體儲運，某些氣體介質(zhì)易燃、易爆、劇毒，為保障其安全運行，需要定期檢驗，由于該類型設(shè)備結(jié)構(gòu)、使用特點，如按照現(xiàn)有法規(guī)進行定期檢驗，給設(shè)備帶來極大損傷，檢驗成本巨大，某些檢驗項目也不適應(yīng)該類型設(shè)備，因此需要分析該類型設(shè)備結(jié)構(gòu)、使用情況，研究檢驗方法。

1 普通長管拖車結(jié)構(gòu)

通常，長管拖車由8～12只大容積無縫氣瓶，管路、管件、閥門、安全裝置、框架等部分組成，見圖1，分別為框架式和捆綁式長管拖車。

圖1　普通長管拖車結(jié)構(gòu)（框架式、捆綁式）

鋼瓶由無縫鋼管經(jīng)旋壓、熱處理制成，設(shè)計、制造標準同為DOT 3AAX或者DOT 3T，表面狀態(tài)為噴丸。管路由不銹鋼無縫鋼管經(jīng)氬弧焊焊接而成，管路材料通常為304，316L，0Cr18Ni9等，管徑通常為1/4''～1''，采用承插焊或?qū)雍附咏Y(jié)構(gòu)，管路、閥門、端塞、管件之間聯(lián)系采用螺紋方式連接。閥門結(jié)構(gòu)采用球閥或者截止閥，對于普通長管拖車，充裝天然氣車輛，只需要控制處于開或者關(guān)，因此主要采用材質(zhì)為316L的球閥，充裝氫氣、氦氣介質(zhì)的車輛，需要控制流速，防止氣流速度過快，多采用材質(zhì)為黃銅的截止閥。

通過閥門和管路將鋼瓶并聯(lián)成整體，每只氣瓶可以單獨使用，也可以整體使用，該類型長管拖車用來充裝工業(yè)純氣，含水量要求通常在5mg/L以下，如氫氣、氦氣、天然氣等。

2 高純氣體長管拖車特點

2.1 高純氣體長管拖車結(jié)構(gòu)特點

和普通長管拖車類似，高純氣體長管拖車由8～12只大容積無縫氣瓶、管路、閥門、安全裝置、框架等部分組成，見圖2，由于充裝介質(zhì)的特殊要求，這些零部件結(jié)構(gòu)、性能特點和普通長管拖車差異很大。

圖2　高純氣體長管拖車

●2.1.1 氣瓶部分

高純氣體長管拖車用大容積無縫氣瓶，其材料、加工工藝、熱處理狀態(tài)、結(jié)構(gòu)形式等方面和普通長管拖車用大容積無縫氣瓶相同，不同地方在于氣瓶內(nèi)部狀態(tài)。普通鋼瓶內(nèi)部狀態(tài)為噴丸表面，滿足純度在99.99%以下介質(zhì)充裝需求。如氣瓶需要充裝高純氣體，由于鋼材表面細小顆粒、毛刺等存在，一方面會吸附水分等雜質(zhì)，在一定條件下會從基體中析出，進入充裝介質(zhì)，使介質(zhì)中水粉含量超標，另一方面，在顆粒、毛刺等尖端部分和充裝介質(zhì)發(fā)生復雜、緩慢化學反應(yīng)，如長時間存放介質(zhì)，使得介質(zhì)中金屬離子含量超標。

因此，為避免氣瓶對氣體污染而影響純度，氣瓶首先經(jīng)過研磨處理，去除表面顆粒物、毛刺等，研磨分為粗磨和精磨兩個過程，使用不同磨料，經(jīng)數(shù)十小時研磨，表面粗糙度達到3S，達到鏡面效果，見圖3，其次進行清洗，清洗介質(zhì)為高溫去離子水，水溫通常為70℃，以避免水中各種離子吸附在金屬表面，如充裝介質(zhì)具有強氧化性，例如N2O，還要進行脫脂處理，最后，為清除已吸附在鋼材基體中的水分，還需要對鋼瓶進行加熱、抽真空、置換等處理，將水分排盡，最終氣瓶介質(zhì)含水量達到小于1mg/L。在投入使用前，根據(jù)充裝介質(zhì)，還需要在氣瓶內(nèi)充入相應(yīng)氣體介質(zhì)，形成鈍化層，避免充裝介質(zhì)和鋼材產(chǎn)生作用，影響純度。

圖3　高純氣體長管拖車氣瓶內(nèi)部圖

●2.1.2 管路系統(tǒng)部分

高純氣體長管拖車管路材料為304，316L，和普通長管拖車管路相比，不同之處在于：1）對管路表面狀態(tài)要求，采用的管路為拋光管，管路經(jīng)過拋光、鈍化處理，表面粗糙度在0.4μm以下。2）管路、閥門、端塞之間連接方式，全部采用對接焊接，見圖4，采用焊接方式，降低泄漏風險，一方面降低有毒介質(zhì)泄漏造成危害的風險，另一方面避免因泄漏點存在，造成環(huán)境中水分滲透，導致介質(zhì)純度降低。3）管路成型方式，高純氣體長管拖車管路切割、彎管、邊角處理都有特殊要求，避免對管道光潔度造成破壞，要求在高純氬氣吹掃下進行，焊接接頭采用夾具對齊，接頭為對接形式，焊縫兩側(cè)采用丙酮清洗，且焊接接頭在全封閉條件下進行，焊接過程以及焊接前、后使用高純氬氣吹掃，防止空氣混入，為自熔全焊透焊縫。4）管路安全檢測，普通長管拖車管路采用水壓進行檢測，而該管路系統(tǒng)采用高純氣體進行氣壓試驗，試驗壓力一般為設(shè)計壓力的1.25倍，嚴禁采用水壓試驗，此外，高純氮氣管路系統(tǒng)還有進行氮氣吹掃，氦檢漏，含氧量檢測，以及微粒子檢測等。

圖4　高純氣體長管拖車管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

●2.1.3 閥門部分

高純氣體工業(yè)中，主要采用隔膜閥或者波紋管閥，高純氣體長管拖車中的閥門選用隔膜閥，圖5為用于充裝高純氣體氣瓶的隔膜式瓶閥，主要有手動和氣動兩種類型。該閥門依靠金屬膜片實現(xiàn)閥腔和外界完全隔離，保證了密封可靠性，為提高密封性，對零部件加工工藝、彈簧精度、組裝也有很高要求，為提高抗吸附能力，該類型閥門部分組件經(jīng)過拋光、噴涂處理，該類型閥門死區(qū)較小，避免部分氣體殘存，為避免空氣或外界顆粒物、粉塵影響，閥門組裝、維修、包裝都在潔凈車間內(nèi)進行，對閥門的試驗，使用高純氣體進行。到目前為止，我國還不具備對該類型閥門的生產(chǎn)、維修能力，高純氣體工業(yè)用閥門，全部依賴進口。

圖5　手動、氣動隔膜瓶閥

●2.1.4 其他部分

端塞和氣瓶連接采用螺紋連接，為提高密封性，采用多道密封，通常為3道，見圖6，第1、2道為O型圈，不同充裝介質(zhì)采用不同材料，如SiH4采用氟橡膠，N2O采用硅橡膠，NH3采用乙丙橡膠等，而普通長管拖車，根據(jù)目前使用情況，普遍采用氟橡膠。第3道密封結(jié)構(gòu)在端面處，為聚四氟乙烯墊片。

普通長管拖車，通過快裝接頭、螺紋和充氣氣源相連，而高純氣體長管拖車接頭型式普遍采用CGA標準，根據(jù)不同介質(zhì)、壓力、純度，CGA規(guī)定了200多種接頭類型，避免不同介質(zhì)混裝，如SiH4采用CGA-350，N2O采用CGA-326，NH3采用CGA-705/240。

在安全泄放裝置方面，普通長管拖車根據(jù)《移動式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》要求，除充裝高度危害介質(zhì)以外，在氣瓶一端或者兩端裝有安全泄放裝置，通常為爆破片或者爆破片易熔合金塞組合結(jié)構(gòu)，爆破片結(jié)構(gòu)形式便于爆破片更換。高純氣體長管拖車進口國外，制造企業(yè)按照CGA S 1-1要求配置安全裝置，部分高純氣體長管拖車安全泄放裝置配置不符合我國安全法規(guī)要求，如充裝NF3長管拖車，按照我國規(guī)范要求，必須安裝安全裝置，而CGA S1-1規(guī)定該類型車輛可以不安裝安全裝置。此外，為降低泄漏風險，安全裝置采用焊接結(jié)構(gòu)，使得爆破片更換非常困難。

圖6　高純氣體長管拖車密封及接頭

2.2 高純氣體長管拖車使用特點

高純氣體長管拖車，充裝是高純氣體，由于氣體純度高，含水量很低，因此氣體對氣瓶基本無腐蝕，根據(jù)檢驗經(jīng)驗，該類型長管拖車氣瓶，在運行3年后，氣瓶內(nèi)表面依然保持金屬光澤。高純氣體長管拖車充裝次數(shù)少，據(jù)統(tǒng)計，每月充裝次數(shù)不超過3次，而普通長管拖車，設(shè)計、計算模型基于壽命周期內(nèi)15000次，每天充裝2次，我國目前長管拖車使用壽命20年，在高純氣體長管拖車壽命周期內(nèi)，充裝次數(shù)在720次，因此不會發(fā)生疲勞現(xiàn)象。此外，高純氣體長管拖車氣瓶公稱工作壓力為2400×0.006895MPa=16.5MPa，其附件按照該壓力選型，而運行壓力較低通常不超過12MPa，因此該類型設(shè)備運行壓力低于氣瓶公稱工作壓力，因此該類型設(shè)備安全性較高。

3 長管拖車定期檢驗技術(shù)

我國運行的長管拖車按照TSG R7001—2013進行定期檢驗，該標準規(guī)定的檢驗方法，基于普通長管拖車的結(jié)構(gòu)特點、失效模式、損傷機理和使用工況制定，而高純氣體長管拖車結(jié)構(gòu)形式、失效模式和普通長管拖車有很大區(qū)別，因此部分檢驗方法不適應(yīng)與高純氣體長管拖車。

3.1 普通長管拖車定期檢驗

根據(jù)我國法規(guī)要求，普通長管拖車定期檢驗分為瓶體檢驗、附件檢驗、安全附件檢驗。瓶體主要缺陷類型有瓶體應(yīng)力腐蝕、疲勞裂紋，腐蝕，機械、熱損傷，氣瓶螺紋磨損等，針對該類型缺陷，氣瓶檢驗分為拆卸檢驗和不拆卸檢驗，拆卸檢驗進行宏觀檢查、測厚、自動超聲、磁粉和水壓試驗，不拆卸檢驗進行宏觀檢查、測厚和聲發(fā)射檢驗，而首次定期檢驗需進行拆卸檢驗。附件主要為端塞、管路、閥門系統(tǒng)，主要缺陷類型為裝配應(yīng)力引起管件開裂、螺紋損傷、磨損等，以及非法維修引起的焊縫開裂等，檢驗中進行宏觀檢查、滲透檢測和水壓試驗，閥門主要失效模式是泄漏，檢驗過程中進行氣密試驗，維修或者更換失效閥門。安全附件部分，主要包含安全裝置、壓力表等，由于爆破片充裝過程中發(fā)生疲勞，在定期檢驗中全部進行更換，此外，壓力表進行校驗。

3.2 高純氣體長管拖車定期檢驗問題

由于高純氣體長管拖車結(jié)構(gòu)和運行特點，如按照目前規(guī)范進行定期檢驗，既不科學也不經(jīng)濟。在氣瓶方面，由于該氣瓶內(nèi)表面經(jīng)過特殊處理，水壓試驗將給內(nèi)表面帶來極大破壞，內(nèi)表面發(fā)生銹蝕，水分重新吸附金屬基體，需要投入巨大成本重新進行處理才能達到使用要求。在管路方面，對管路進行水壓試驗，同樣會污染管路，水分、水分中雜質(zhì)滯留管路中，很難清除，會對充裝氣體純度造成很大影響。對于閥門，常規(guī)進行氣密試驗，由于高純氣體對泄漏性要求更高，氣密試驗的精密度不能滿足高純氣體長管拖車需要，此外，氣密試驗所用介質(zhì)中的固體微粒還會損傷閥門密封面，影響閥門密封性。在安全裝置方面，為減少泄漏點，爆破片和夾持裝置采用焊接連接，而安全裝置夾持裝置和長管拖車端塞焊接連接，更換爆破片需拆卸、更換大部分附件。另外，由于高純氣體長管拖車密封性要求較高，各連接部位大部分采用焊接結(jié)構(gòu)，管路系統(tǒng)內(nèi)部、管路和端塞、管路和閥門都采用焊接連接，導致該類型設(shè)備不容易拆卸。據(jù)估算，如按照現(xiàn)有規(guī)范進行檢驗，單次檢驗成本以及由檢驗引起的間接成本占到整個設(shè)備價值1/3。

另一方面，由于高純氣體長管拖車運行特點，充裝介質(zhì)無腐蝕，充裝次數(shù)少，無疲勞發(fā)生，管路系統(tǒng)采用對接焊縫連接，無組裝應(yīng)力，因此高純氣體長管拖車失效模式和普通長管拖車也不同，按照現(xiàn)有檢驗方法也不科學。

4 結(jié)論

目前長管拖車檢驗規(guī)范不適應(yīng)于高純氣體長管拖車檢驗，我國缺少該類型設(shè)備既科學又經(jīng)濟的檢驗規(guī)范。高純氣種類較多，不同氣體之間性質(zhì)差異較大，國外根據(jù)充裝氣體種類和檢驗周期采用不同檢驗方法，以及對應(yīng)的維保措施，目前普遍采用無損檢驗和水壓試驗相結(jié)合的檢驗方法，如DOT規(guī)定可以用聲發(fā)射替代水壓試驗。在管路附件、安全附件方面，采用定期更換，根據(jù)充裝介質(zhì)不同，采用一個檢驗周期更換或者兩個檢驗周期全部更換，包括管路、閥門、安全裝置、端塞等，保障該類型車輛在國外長期運行。

5 發(fā)展和展望

針對高純氣體長管拖車制造、結(jié)構(gòu)以及運行特點，設(shè)備應(yīng)力循環(huán)次數(shù)少，不會發(fā)生腐蝕損傷，但是高純氣體長管拖車密封性要求高，針對該類型設(shè)備可能發(fā)生失效模式以及特點，結(jié)合該類型設(shè)備國外運行檢驗方法以及使用經(jīng)驗，積累高純氣體長管拖車失效模型，完善失效理論，建立以宏觀檢查、自動超聲、測厚、聲發(fā)射、硬度等項目為主的檢驗方法，采用開罐和不開罐相結(jié)合的檢驗方式，延長水壓試驗間隔，制定科學、合理、經(jīng)濟的檢驗方法，保障該類型設(shè)備的安全運行。

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收稿日期：（2015-07-28）

作者簡介：駱輝（1980～)，男，碩士，主任助理，中級工程師，從事固定式壓力容器、移動式壓力容器、氣瓶等定期檢驗及安全性能研究工作。

文章編號：1673-257X(2016)03-0035-05

DOI:10.3969/j.issn.1673-257X.2016.03.008

中圖分類號:X933.4

文獻標識碼：B