低溫絕熱管道漏熱量在線測試的研究

夏 莉? 楊樹斌 李 蔚 馬志鵬

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低溫絕熱管道漏熱量在線測試的研究

夏 莉? 楊樹斌 李 蔚 馬志鵬

（廣東省特種設(shè)備檢測研究院 廣州 510655）

低溫絕熱管道漏熱量測量的熱流計(jì)法就是采用熱流計(jì)直接測試低溫絕熱管道表面的熱流進(jìn)而計(jì)算出管道漏熱量的測量方法。采用熱流計(jì)法可以實(shí)現(xiàn)管道漏熱量的免工質(zhì)更換、免拆裝的在線測試，同時(shí)測試精度也可保證。另外，還建立了低溫絕熱管道在線漏熱量測試結(jié)果的合于使用評(píng)價(jià)方法，其中對(duì)評(píng)價(jià)中的重要參數(shù)—管道夾層當(dāng)量熱導(dǎo)率進(jìn)行了詳細(xì)分析。

低溫絕熱管道；漏熱量；熱流計(jì)測量法；在線測量；當(dāng)量熱導(dǎo)率

0 引言

隨著低溫技術(shù)的發(fā)展與普及，液氮、液氧、液氬、液態(tài)二氧化碳、液化天然氣、液氫、液氦等低溫液體的應(yīng)用日趨廣泛，各行各業(yè)對(duì)貯存和輸送低溫液體的需求日益增長[1]。低溫絕熱管道是連接低溫液體儲(chǔ)存設(shè)備及應(yīng)用端口的重要管道設(shè)備，因此，低溫絕熱管道的安全性能與質(zhì)量越來越受到政府部門及社會(huì)各界的關(guān)注[2-5]。低溫絕熱管道屬特種設(shè)備范疇，根據(jù)特種設(shè)備安全法及其他相關(guān)規(guī)定，需要對(duì)其進(jìn)行定期檢驗(yàn)。定期檢驗(yàn)一般都是以在用設(shè)備為對(duì)象，檢驗(yàn)時(shí)要求盡量不影響設(shè)備的運(yùn)行，但目前低溫絕熱管道定期檢驗(yàn)實(shí)施過程中的難點(diǎn)在于漏熱量項(xiàng)目的測量。目前，對(duì)低溫絕熱管道進(jìn)行漏熱量測量依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 18443.6《真空絕熱深冷設(shè)備性能試驗(yàn)方法（第6部分）：漏熱量測量》[6]。根據(jù)GB/T 18443.6[6]中的規(guī)定：漏熱量測試有兩種方法—流量計(jì)測量法[7]和表面溫度測量法。在實(shí)際操作中這兩種方法均存在一些問題：其一，對(duì)采用流量計(jì)法的漏熱量測試，要求管道一定要有氣相出口以便連接流量計(jì)進(jìn)行蒸發(fā)氣體流量的測量，這樣就要求測試時(shí)管道必須從管線上拆卸下來，測試要在專門的試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行，因此該方法難以實(shí)現(xiàn)不更換工質(zhì)、免拆裝的在線檢驗(yàn)；其二，表面溫度測量法是通過測量低溫絕熱管的外表面及對(duì)應(yīng)環(huán)境的溫度，然后按大空間自然對(duì)流計(jì)算漏入真空絕熱管的漏熱量。由于固定在管道表面的測溫元件（熱電偶或鉑電阻）在測溫時(shí)會(huì)同時(shí)受到管道表面以及環(huán)境的影響，所測結(jié)果不能準(zhǔn)確地反映出管道表面的溫度，因此表面溫度測量法測得的漏熱量結(jié)果準(zhǔn)確度不高[3]。除此之外，在低溫絕熱管道的定期檢驗(yàn)中，對(duì)管道漏熱量測試結(jié)果的評(píng)價(jià)也缺乏充足的依據(jù)，這是因?yàn)椋憾z中管道漏熱量的測試值可以放寬到型式試驗(yàn)要求的兩倍（參照壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)范的規(guī)定），而在TSG D7002-2006《壓力管道元件型式試驗(yàn)規(guī)則》[8]中僅對(duì)工作介質(zhì)為液氮的管道進(jìn)行漏熱量的規(guī)定，對(duì)管道內(nèi)輸送其他介質(zhì)時(shí)的漏熱量并未給出規(guī)定?；诖?，本文采用熱流計(jì)法進(jìn)行低溫絕熱管道特別是在用低溫絕熱管道漏熱量的在線測量，旨在探尋出一種便捷、準(zhǔn)確的低溫絕熱管道漏熱量在線測量方法，同時(shí)，給出在線的免工質(zhì)更換條件下的漏熱量合格指標(biāo)的評(píng)價(jià)方法，以提高低溫絕熱管道在線檢驗(yàn)實(shí)施的可操作性。

1 漏熱量在線測試的實(shí)施要點(diǎn)

低溫絕熱管道漏熱量在線測試的研究包括兩部分內(nèi)容：管道漏熱量在線檢驗(yàn)的實(shí)施方法；檢驗(yàn)后對(duì)結(jié)果的處理及對(duì)管道的漏熱量做合于使用的評(píng)價(jià)。漏熱量的在線檢驗(yàn)就是要求管道在不更換試驗(yàn)介質(zhì)、在管線上運(yùn)行的條件下進(jìn)行檢驗(yàn)，同時(shí)檢驗(yàn)精度還要有所保證。因此低溫絕熱管道在線檢驗(yàn)方法的研究中要關(guān)注以下要點(diǎn)（如圖1）：測試精度、不拆裝、不更換工質(zhì)。

圖1 漏熱量在線測試要點(diǎn)示意圖

2 管道漏熱量在線檢驗(yàn)的實(shí)施方法

熱流計(jì)法就是采用熱流計(jì)探頭及記錄儀作為表面溫度法中測溫元件的替代品用于管道漏熱量的測量。參照GB18443.6中的表面溫度法進(jìn)行熱流計(jì)法的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，這樣就可滿足管道在線的、免拆裝的漏熱量檢驗(yàn)要求。本實(shí)驗(yàn)采用的熱流計(jì)由DaqPRO 5300手持式可編程數(shù)據(jù)記錄儀和法國Captec 公司的高精度超薄熱流傳感器構(gòu)成。傳感器的分辨率優(yōu)于0.1W/m2，熱流量測量準(zhǔn)確度優(yōu)于3%。這樣測試精度也有所保障。

為驗(yàn)證熱量計(jì)法的測試準(zhǔn)確度，在實(shí)驗(yàn)室中以液氮為工質(zhì)進(jìn)行了熱流計(jì)法的管道漏熱量測試。在熱流計(jì)法進(jìn)行低溫絕熱管道漏量測試的研究中，以DN80的真空絕熱管道作為測試對(duì)象，管長6米，管道外徑為159mm，管道工作壓力為1.59MPa，管道真空度為8.3×10-1Pa，管道中的工作介質(zhì)為液氮。測試前先將管道充滿液氮，靜置48小時(shí)，其間不斷補(bǔ)充液氮保持管道充滿。靜置后，待管道內(nèi)外到達(dá)熱平衡，測試開始，熱流采集時(shí)間間隔為1s，采集時(shí)間不少于1200s。參照文獻(xiàn)[6]對(duì)測溫點(diǎn)布置的要求進(jìn)行熱流計(jì)探頭的布置：將熱流計(jì)探頭布置在被測管道中間3m長的外管表面底部，測點(diǎn)不少于6個(gè)，在被測管道與保護(hù)端連接處布置不少于兩個(gè)熱電偶，測點(diǎn)布置情況見圖2。

圖2 熱流計(jì)探頭位置示意圖

測試得到的管段平均熱流密度為7.96W/m2，管接頭（陽接頭）的平均熱流密度為13.10W/m2，管接頭（陰接頭）的平均熱流密度為22.49W/m2，計(jì)算得到低溫管的總漏熱量為33.7W。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)室對(duì)同一管道的漏熱量采用了流量計(jì)法進(jìn)行測量，總漏熱量測量結(jié)果為34.1W，與熱流計(jì)法結(jié)果比較，二者相差不大，從而驗(yàn)證了熱流計(jì)法的測試準(zhǔn)確度。

綜上所述，采用熱流計(jì)法可以解決管道漏熱量測量的在線、免拆裝問題以及測試精度問題。以上測試是在液氮條件下進(jìn)行的，若對(duì)在用管道的漏熱量做評(píng)價(jià)，測試結(jié)果可以直接參照TSG D7002-2006對(duì)管道漏熱量的要求并放寬2倍后的指標(biāo)進(jìn)行在用管道漏熱量的評(píng)價(jià)。但是對(duì)于在用管道來說還有一個(gè)問題必須解決，就是在用管道內(nèi)部的工作介質(zhì)不一定是液氮，還可能是液氬、液氧、液化天然氣等，這時(shí)管內(nèi)外的換熱條件較之以液氮為工質(zhì)時(shí)就發(fā)生了變化。測試得到的測試漏熱量如何換算成標(biāo)態(tài)下以液氮為工質(zhì)的漏熱量還要進(jìn)行研究。

3 管道漏熱量在線測量結(jié)果的合于使用評(píng)價(jià)

低溫絕熱管道的漏熱是由管道內(nèi)部低溫液體與環(huán)境之間的溫差引起，漏熱量的大小與這個(gè)溫差有關(guān)，而且還與管道的當(dāng)量熱導(dǎo)率（管道與低溫液體接觸的內(nèi)表面和管道與外界環(huán)境接觸的外表面間的總熱阻的倒數(shù)）有關(guān)。管道的傳熱簡化為一維傳熱后，其傳熱公式可表示為：

式中：為測試管道外表面熱流密度，W/m2；為管道當(dāng)量熱導(dǎo)率，W/(m·K)；為關(guān)內(nèi)外溫差，K；out為低溫絕熱管道內(nèi)管內(nèi)徑，m；in為低溫絕熱管道外管外徑，m。

對(duì)同一管道，由于充裝不同介質(zhì)引起的管內(nèi)外傳熱溫差不同而造成了漏熱量實(shí)際測試值的不同，由公式（1）可推出管道實(shí)測表面熱流密度與標(biāo)態(tài)下以液氮為工質(zhì)時(shí)管道表面的熱流密度之間的關(guān)系，如公式（2）所示：

傳熱溫差的不同引起管道夾層真空度的不同，進(jìn)而影響了管道當(dāng)量熱導(dǎo)率。首先通過試驗(yàn)研究同一管道充裝不同工作介質(zhì)時(shí)對(duì)管道真空環(huán)境的影響，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 低溫絕熱管道真空測試系統(tǒng)

在試驗(yàn)系統(tǒng)中，采用全量程規(guī)管對(duì)管道夾層的真空度進(jìn)行測量。管道充裝工作介質(zhì)前先利用真空機(jī)組對(duì)管道進(jìn)行了抽真空處理，管道在未充裝介質(zhì)時(shí)的真空度為2.8×10-1Pa。實(shí)驗(yàn)過程中分別向管道充裝液氮（LN2）、液氬（LAr）、液態(tài)二氧化碳（LCO2），充裝后的管道真空度分別為6.0×10-3Pa、2.1×10-2Pa、1.5×10-1Pa。采用四級(jí)質(zhì)譜儀對(duì)管道真空夾層內(nèi)的氣體成分進(jìn)行測量，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 真空絕熱管道在充裝不同介質(zhì)時(shí)真空夾層的氣體成分

利用四極質(zhì)譜儀可以檢測出管道真空夾層內(nèi)部的氣體種類以及粗略的顯示出各氣體的份額。其中氣體的份額與儀器直接檢測出的粒子流的大小成正比，因此，可由粒子流的數(shù)據(jù)大致評(píng)價(jià)出氣體數(shù)量的變化趨勢。圖4對(duì)管道真空夾層中占有份額較大的四種氣體進(jìn)行了監(jiān)測，它們是：H2O（質(zhì)量數(shù)18）、N2（質(zhì)量數(shù)28）、O2（質(zhì)量數(shù)32）及CO2（質(zhì)量數(shù)44）。從圖4中可以看出，管道充裝不同介質(zhì)后，其夾層內(nèi)部的氣體的量（通過粒子流反映）有所變化，充裝液氮時(shí)夾層內(nèi)氣體的量最少，充裝液態(tài)二氧化碳時(shí)夾層內(nèi)氣體的量最多，充裝液氬時(shí)氣體的量介于二者之間。這是因?yàn)楣艿纼?nèi)放置的吸附劑的吸附能力與溫度有關(guān)，通常這類分子篩物理吸附劑在低溫的情況下吸附效果比較好，因此在充裝液氮（-196℃）時(shí)的吸附效果最好，管道夾層內(nèi)殘余氣體的量就最小，而充裝液氬（-186℃）時(shí)管道夾層內(nèi)氣體的量就有所增多，當(dāng)充裝液態(tài)二氧化碳（-40℃）時(shí)管道夾層內(nèi)氣體的量極大增高。這也從本質(zhì)上解釋了充裝不同介質(zhì)時(shí)管道夾層的真空度變化的原因。管道真空夾層內(nèi)的氣體越多，管道的當(dāng)量熱導(dǎo)率就越大，相同條件下漏熱就越嚴(yán)重。

通過實(shí)測管道在充裝這三種介質(zhì)時(shí)的管道表面熱流密度，結(jié)合公式（1）可以計(jì)算出充裝這三種介質(zhì)時(shí)管道的當(dāng)量熱導(dǎo)率，結(jié)果如表1所示。

表1 真空管道當(dāng)量熱導(dǎo)率

測試是在相同的環(huán)境溫度（30℃）下進(jìn)行的，表中測試熱流密度選取的是管段部分6個(gè)測點(diǎn)（如圖2）測試熱流密度的平均值。從表1中的結(jié)果來看，當(dāng)管道充裝液氮時(shí)管道的當(dāng)量熱導(dǎo)率最小，充裝液氬時(shí)次之，而充裝液態(tài)二氧化碳時(shí)最大。另外，由表1可知充裝液氮時(shí)管道的當(dāng)量熱導(dǎo)率與充裝液氬時(shí)的非常接近，這樣在處理這類與液氮溫度相差不大的介質(zhì)（例如：液氧、液氬等）時(shí)，可忽略當(dāng)量熱導(dǎo)率間的差別，在作管道漏熱量合于使用評(píng)價(jià)時(shí)僅考慮在用介質(zhì)的換熱溫差與標(biāo)態(tài)下液氮的換熱溫差之間的差別即可（即公式（2）中）。而對(duì)于如液態(tài)二氧化碳這類溫度與液氮溫度差別較大的介質(zhì)，在作管道漏熱量合于使用評(píng)價(jià)時(shí)，它們的當(dāng)量熱導(dǎo)率之間的差別就一定要考慮。

4 結(jié)論

參照GB18443.6中表面溫度法進(jìn)行熱流計(jì)法的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，熱流計(jì)法就是采用熱流計(jì)探頭及記錄儀直接測試低溫絕熱管道表面的熱流進(jìn)而計(jì)算出管道漏熱量的測量方法。采用熱流計(jì)法可以解決管道漏熱量測量的在線、免拆裝問題以及測試精度問題。另外，對(duì)于低溫絕熱管道在線測試結(jié)果的合于使用評(píng)價(jià)也進(jìn)行了研究。對(duì)于充裝與液氮溫度相差不大的介質(zhì)（例如：液氧、液氬等）時(shí)，可忽略充裝后管道夾層當(dāng)量熱導(dǎo)率間的差別，在作管道漏熱量合于使用評(píng)價(jià)時(shí)僅考慮在用介質(zhì)的換熱溫差與標(biāo)態(tài)下液氮的換熱溫差之間的差別即可。而對(duì)于液態(tài)二氧化碳這類溫度與液氮溫度差別較大的介質(zhì)，在作管道漏熱量合于使用評(píng)價(jià)時(shí)，除了要考慮不同介質(zhì)與環(huán)境之間換熱溫差的差別之外，它們的當(dāng)量熱導(dǎo)率之間的差別也一定要考慮。

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Study on On-line Testing of Heat Leakage in Cryogenic Heat-insulation Pipeline

Xia Li Yang Shubin Li Wei Ma Zhipeng

( Guangdong institute of special equipment inspection, Guangzhou, 510655 )

The heat flow meter method is used to measure the heat leakage of the cryogenic heat-insulation pipeline by directly measuring the heat flow on the surface of pipeline and then calculating the heat leakage with the testing heat flow. The heat flow meter method can realize the on-line testing of heat leakage without replacement of working fluid and disassembly of pipe from the pipeline, moreover, the accuracy of this method can be guaranteed. In addition, the fitness-for-service evaluation method to the on-line testing result of heat leakage of the cryogenic heat-insulation pipeline is built, in which the important parameter —equivalent thermal conductivity is researched in detail.

cryogenic heat-insulation pipeline; heat leakage; heat flow meter method; on-line testing; equivalent thermal conductivity

1671-6612（2017）04-351-04

TB657.9

A

國家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015QK164)

夏 莉（1978.8-），女，博士，高級(jí)工程師，E-mail：xiali0060202122@163.com

2016-09-06