真空測(cè)量裝置的流導(dǎo)對(duì)測(cè)量真空度的影響

李安康，譚 浩，黃歡明

（1.海軍駐上海711所軍事代表室，上海 201108；2.上海船用柴油機(jī)研究所，上海 201203）

0 引言

真空絕熱裝置是低溫深冷液化氣體儲(chǔ)運(yùn)容器絕熱裝置的一種，廣泛應(yīng)用于裝載LNG、液氮、液氧等船用低溫容器上。夾層的真空度是影響低溫容器真空絕熱性能的主要因素。一旦低溫容器的夾層真空喪失或者不夠，內(nèi)罐儲(chǔ)存的深冷液體吸熱氣化導(dǎo)致內(nèi)罐壓力急劇上升，嚴(yán)重威脅到容器的安全使用[1]。因此，真空絕熱容器的夾層真空度必須保持在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)并且要定期檢驗(yàn)。目前一般利用安裝在容器上的真空計(jì)規(guī)管直接測(cè)量夾層的真空度[2]。

大多低溫絕熱容器與真空規(guī)管采用焊接連接，一旦規(guī)管損壞則很難進(jìn)行更換，且規(guī)管破損后會(huì)造成漏氣，破壞夾層的真空度，給容器帶來很大的安全隱患[3]。改變低溫容器與真空規(guī)管的連接方式，合理設(shè)計(jì)真空測(cè)量裝置愈發(fā)重要。真空度測(cè)量結(jié)果不僅取決于真空計(jì)規(guī)管本身的測(cè)量精度及“氣沉效應(yīng)”與“氣源效應(yīng)”等因素[4]，還與真空測(cè)量裝置的流導(dǎo)有關(guān)，但缺乏相關(guān)的試驗(yàn)研究。所以開展真空測(cè)量裝置的流導(dǎo)對(duì)真空度影響的試驗(yàn)研究，對(duì)設(shè)計(jì)真空測(cè)量裝置具有指導(dǎo)意義。

模擬了高真空多層絕熱低溫容器真空測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際工況，對(duì)比兩種不同真空測(cè)量裝置的真空度測(cè)量結(jié)果，以此驗(yàn)證增大真空測(cè)量裝置的流導(dǎo)能提高真空度的測(cè)量精度。

1 流導(dǎo)對(duì)真空度測(cè)量的影響分析

若管路元件的兩端存在壓力差p1-p2，則元件中將有氣流從高壓側(cè)流向低壓側(cè)。流經(jīng)元件的流量大小與元件兩端壓力差成正比如式（1）。

式中：Q為流經(jīng)元件的流量，Pa·m3/s；C為比例常數(shù)，稱為流導(dǎo)，m3/s。流導(dǎo)是表征真空管道傳輸氣體的能力，真空管道的流導(dǎo)越大，在一定的氣體抽速下，管道兩端的壓差越小。

如圖1所示，真空規(guī)管通過導(dǎo)管與被測(cè)系統(tǒng)相連，規(guī)管的抽氣或放氣引起的壓力變化速率為：

式中：V為規(guī)管的容積，m3；C為導(dǎo)管流導(dǎo)，m3/s；Q為規(guī)管的抽（放）氣量，Pa·m3/s，Q＞0，規(guī)管放氣，Q＜0，規(guī)管抽氣。當(dāng)壓力平衡時(shí)，只要真空規(guī)管存在抽氣和放氣作用，測(cè)量值會(huì)因?yàn)镼/C的不同而帶來誤差，由式（3）可以看出對(duì)于真空測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)配備的真空導(dǎo)管的流導(dǎo)越大，其真空規(guī)管測(cè)得真空度和真空室內(nèi)真空度越接近。

圖1 真空測(cè)量系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of the vacuum measurement system

2 真空測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證增大真空測(cè)量裝置的流導(dǎo)能提高真空度的測(cè)量精度，設(shè)計(jì)兩種真空測(cè)量裝置，裝置一（原裝置）由一段Ф40直管、一支超高真空角閥、一支三通、一段Ф20彎頭和一段Ф20直角彎頭等管路及閥件串聯(lián)而成，如圖2所示。裝置二（為改進(jìn)裝置）是在真空角閥的出口連接一個(gè)內(nèi)徑Ф60 mm小容器，在小容器的筒體上開兩個(gè)孔Ф30 mm，每個(gè)孔分別連接一支真空規(guī)管，如圖3所示。

圖2 原真空測(cè)量裝置圖Fig.2 Diagram of the original vacuum measurement structure

圖3 改進(jìn)真空測(cè)量裝置圖Fig.3 Diagram of the improved vacuum measurement structure

2.1 原裝置的流導(dǎo)計(jì)算

假設(shè)夾層及管道內(nèi)為20℃的空氣，計(jì)算以上各管路及閥件的流導(dǎo)[5]。

（1）Φ40直管的流導(dǎo)

該管的內(nèi)徑40 mm，長度238.33 mm，在分子流下該管的流導(dǎo)為式（4）：

式中：α為克勞辛系數(shù)，α=0.172；A為該管道橫截面積，m2。經(jīng)計(jì)算，Uf1=0.024 75 m3/s。

（2）超高真空角閥的流導(dǎo)

該閥門型號(hào)為Series57/54032-GE02，通過查詢其產(chǎn)品手冊(cè)，該閥門的流導(dǎo)為Uf2=0.050 m3/s。

（3）三通的流導(dǎo)

由于該三通為直角三通，可等效為一段直角管道進(jìn)行計(jì)算，因此該三通的等效長度Lst為式（5）：

式中：L1為三通豎直段長度，m；L2為三通水平段長度，m；d為管道的內(nèi)徑，m。經(jīng)計(jì)算Lst=97.166 7×10-3m；按式（4）計(jì)算該段的流導(dǎo)Uf3=0.007 512 m3/s。

（4）彎管的流導(dǎo)

計(jì)算彎管流導(dǎo)時(shí)，可以用一段等效的直管流導(dǎo)來代替，其等效長度Lwg為式（6）：

式中：L3為彎管的軸長，m；經(jīng)計(jì)算得Lwg=86.356 9×10-3m；按式（4）計(jì)算該段的流導(dǎo)Uf4=0.008 107 m3/s。

（5）直角彎頭的流導(dǎo)

按式（5）計(jì)算該直角彎頭的等效長度Lzj，經(jīng)計(jì)算Lzj=112.666 7×10-3m；按式（4）計(jì)算該段的流導(dǎo)，Uf5=0.006 666 m3/s。

（6）真空測(cè)量系統(tǒng)總流導(dǎo)

以上的管道和閥件之間的連接方式為串聯(lián)，因此總流導(dǎo)為式（7）：

經(jīng)計(jì)算原裝置的流導(dǎo)UfA=0.002 142 m3/s。

2.2 改進(jìn)裝置的流導(dǎo)計(jì)算

從計(jì)算可以看出，三通、彎頭和直角彎頭的流導(dǎo)較小，遠(yuǎn)小于直管和角閥的流導(dǎo)，導(dǎo)致真空測(cè)量系統(tǒng)的總流導(dǎo)偏小。因此在設(shè)計(jì)上減少彎頭的數(shù)目并且增大管徑可以提升真空測(cè)量系統(tǒng)的總流導(dǎo)。

改進(jìn)裝置的流導(dǎo)為直管、直管和小容器連接的孔以及小容器中心至規(guī)管測(cè)量口長度的直管三者之和。其中，直管流導(dǎo)U′f1和小容器中心至規(guī)管測(cè)量口長度的直管的流導(dǎo)U′f2按式（4）可計(jì)算得U′f1=0.084 9 m3/s，U′f2=0.161 8 m3/s。縮孔的流導(dǎo)計(jì)算按式（8）計(jì)算：

式中：d1為直管的直徑；d2為小孔的直徑。經(jīng)計(jì)算U′f3=0.026 2 m3/s。因此，總流導(dǎo)UfB=0.013 14 m3/s，改進(jìn)裝置的流導(dǎo)遠(yuǎn)大于原裝置的流導(dǎo)。

3 試驗(yàn)系統(tǒng)

3.1 試驗(yàn)裝置

真空測(cè)量試驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖4所示，真空試驗(yàn)筒的夾層真空室作為參試的真空室；原裝置和改進(jìn)裝置各一套，分別通過一支真空角閥和真空室連通，每套測(cè)量裝置上裝有ZJ10型高真空電離規(guī)管、ZJ27高真空電離規(guī)管和復(fù)合真空規(guī)管，具有105～10-5Pa的真空測(cè)量范圍。該規(guī)管僅通過一支真空角閥和真空室連通；高真空抽氣機(jī)組通過一支真空角閥和真空室連通，因此可以通過開關(guān)真空角閥來實(shí)現(xiàn)抽氣機(jī)組和真空室之間的通斷。

圖4 真空測(cè)量試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖Fig.4 Schematic diagram of the vacuum measurement experiment system

3.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)過程模擬高真空多層絕熱低溫容器真空測(cè)量系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：（1）熱罐、抽氣部分。將真空試驗(yàn)筒的夾層真空室連接抽真空系統(tǒng)，開始抽氣。另外連接一套機(jī)組對(duì)被測(cè)真空測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行抽真空，當(dāng)被測(cè)真空測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)真空度優(yōu)于1.0×10-1Pa后開啟連通角閥和真空室連通并關(guān)停該機(jī)組。每隔一段時(shí)間分別記錄各真空計(jì)數(shù)據(jù)。以復(fù)合真空規(guī)管的測(cè)試值為基準(zhǔn)值，將被測(cè)真空測(cè)量系統(tǒng)上ZJ10型真空規(guī)管、ZJ27型真空規(guī)管的測(cè)試值和復(fù)合真空規(guī)管的測(cè)試值比較。真空度測(cè)量方法按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18443.2-2010“真空度測(cè)量”進(jìn)行；（2）冷罐、抽氣部分。接杜瓦瓶進(jìn)行液氮加注，并維持抽真空系統(tǒng)，真空度測(cè)量試驗(yàn)方法同上；（3）冷罐、靜置部分，關(guān)閉抽真空閥門以隔斷真空室和抽真空系統(tǒng)，真空度測(cè)量試驗(yàn)方法同上，靜置時(shí)間達(dá)24 h。

4 試驗(yàn)結(jié)果及討論

4.1 熱罐、抽氣部分下夾層真空度試驗(yàn)結(jié)果

圖5是熱罐、抽氣狀態(tài)下原裝置真空測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)抽氣2 h真空室達(dá)到7.7×10-3Pa時(shí)，原裝置上的兩支規(guī)管測(cè)試值均與真空室的測(cè)試值有較大的偏差。當(dāng)抽氣72 h真空室達(dá)到4.8×10-3Pa時(shí)，原裝置上的ZJ10的測(cè)試值和復(fù)合規(guī)管的測(cè)試值偏差達(dá)到-16%，而ZJ27的測(cè)試值和復(fù)合規(guī)管的測(cè)試值偏差較大，達(dá)到129%。當(dāng)抽氣552 h真空室達(dá)到2.9×10-3Pa時(shí)，原裝置上的兩支規(guī)管測(cè)試值均與真空室的測(cè)試值已基本接近。

圖5 熱罐、抽氣狀態(tài)下原裝置真空測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果曲線Fig.5 Experiment results of the original vacuum measurement structure under the hot tank and pumping conditions

圖6是熱罐、抽氣狀態(tài)下改進(jìn)裝置真空測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)抽氣2 h真空室達(dá)到4.7×10-3Pa時(shí)，改進(jìn)裝置上的兩支規(guī)管測(cè)試值均比較接近真空室的測(cè)試值。當(dāng)抽氣336 h真空室達(dá)到2.8×10-3Pa時(shí)，改進(jìn)裝置上的ZJ10比較接近真空室的測(cè)試值，而ZJ27的測(cè)試值則與真空室的測(cè)試值存在較大偏差，達(dá)到125%。當(dāng)抽氣456 h真空室達(dá)到2.9×10-3Pa時(shí)，改進(jìn)裝置上的兩支規(guī)管測(cè)試值均比較接近真空室的測(cè)試值。

圖6 熱罐、抽氣工況下改進(jìn)裝置真空測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果曲線Fig.6 Experiment results of the improved vacuum measurement structure under the hot tank and pumping conditions

由于10-3Pa級(jí)別真空度屬于ZJ10和ZJ27兩型規(guī)管的有效測(cè)量范圍內(nèi)，而改進(jìn)裝置的流導(dǎo)設(shè)計(jì)大于原裝置5倍多，因此該試驗(yàn)結(jié)果說明了真空測(cè)量流導(dǎo)大小對(duì)該裝置的真空測(cè)量有較大影響，流導(dǎo)大的測(cè)量裝置需要較短的抽氣時(shí)間，就能保證該裝置上規(guī)管的測(cè)量值有較大的精度。

4.2 冷罐、抽氣狀態(tài)下夾層真空度試驗(yàn)結(jié)果

圖7是冷罐、抽氣工況下原裝置真空測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果。圖8是冷罐、抽氣狀態(tài)下改進(jìn)裝置真空測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果。從中可以看出真空室內(nèi)真空度在冷罐初期有所波動(dòng)，但隨著冷罐時(shí)間的增加，真空室內(nèi)真空度呈逐漸降低趨勢(shì)。

在10-4Pa以上級(jí)別的真空測(cè)試中，ZJ10規(guī)管的測(cè)試值不論在原裝置還是改進(jìn)裝置上均與復(fù)合規(guī)管測(cè)試值有較大差別，真空度越高，偏差越大，說明了ZJ10規(guī)管由于本身測(cè)量性能的原因而無法準(zhǔn)確反映10-4Pa以下級(jí)別的真空度。

圖7 冷罐、抽氣狀態(tài)下原裝置真空測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果曲線Fig.7 Experiment results of the original vacuum measurement structure under the hot tank and pumping conditions

圖8 冷罐、抽氣狀態(tài)下改進(jìn)裝置真空測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果曲線Fig.8 Experiment results of the improved vacuum measurement structure under the cold tank and pumping conditions

從改進(jìn)裝置上ZJ27規(guī)管的測(cè)試值來看，在真空室內(nèi)真空度在10-4Pa級(jí)別時(shí)，改進(jìn)裝置上的ZJ27測(cè)試值和復(fù)合規(guī)管的測(cè)試值比較接近，尤其在冷罐初期真空度波動(dòng)時(shí)，改進(jìn)裝置的ZJ27均能及時(shí)、比較準(zhǔn)確的反映真空室內(nèi)真空度；而當(dāng)真空室內(nèi)真空度進(jìn)入10-5Pa級(jí)別時(shí)，改進(jìn)裝置的ZJ27測(cè)試值和復(fù)合規(guī)管的測(cè)試值有較大偏差，真空度越高，偏差越大。從原裝置上ZJ27規(guī)管的測(cè)試值來看，在真空室內(nèi)真空度進(jìn)入10-4Pa及以上級(jí)別時(shí)，原裝置上ZJ27的測(cè)試值均與復(fù)合規(guī)管的測(cè)試值有較大偏差，真空度越高，偏差越大。

4.3 冷罐、靜置狀態(tài)下夾層真空度試驗(yàn)結(jié)果

圖9是冷罐、靜置狀態(tài)下原裝置真空測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果。圖10是冷罐、靜置工況下改進(jìn)裝置真空測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果。

圖9 冷罐、靜置狀態(tài)下原裝置真空測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果曲線Fig.9 Experiment results of the original vacuum measurement structure under the cold tank and standing conditions

圖10 冷罐、靜置狀態(tài)下改進(jìn)裝置真空測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果曲線Fig.10 Experiment results of the improved vacuum measurement structure under the cold tank and standing conditions

當(dāng)停止抽氣1 h時(shí)，原裝置上的ZJ27的測(cè)試值和復(fù)合規(guī)管測(cè)試值的偏差達(dá)到212%，而改進(jìn)裝置上的ZJ27的測(cè)試值和復(fù)合規(guī)管測(cè)試值的偏差達(dá)到62%；當(dāng)停止抽氣4 h時(shí)，原裝置上的ZJ27的測(cè)試值和復(fù)合規(guī)管測(cè)試值的偏差達(dá)到190%，而改進(jìn)裝置上的ZJ27的測(cè)試值和復(fù)合規(guī)管測(cè)試值的偏差達(dá)到38%；當(dāng)停止抽氣28 h時(shí)，原裝置上的ZJ27的測(cè)試值和復(fù)合規(guī)管測(cè)試值的偏差達(dá)到75%，而改進(jìn)裝置上的ZJ27的測(cè)試值和復(fù)合規(guī)管測(cè)試值的偏差達(dá)到21%。說明隨著停止抽氣時(shí)間的增加，原裝置和改進(jìn)裝置上ZJ27的測(cè)量值越接近于復(fù)合規(guī)管的測(cè)量值，但改進(jìn)裝置的靜置時(shí)間遠(yuǎn)短于原裝置。在10-4Pa級(jí)別的真空測(cè)量上，原裝置和新裝置上的ZJ10規(guī)管和復(fù)合規(guī)管的偏差都比較大。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了兩種不同流導(dǎo)的真空測(cè)量裝置，模擬高真空多層絕熱低溫容器真空測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際狀態(tài)，測(cè)量這兩種裝置下的真空度進(jìn)行分析，得到結(jié)論：

（1）真空測(cè)量裝置的流導(dǎo)大小對(duì)該裝置的真空測(cè)量有較大影響，流導(dǎo)大的測(cè)量裝置需要較短的抽氣時(shí)間就能保證該裝置上規(guī)管的測(cè)量值有較大的精度；

（2）改進(jìn)型裝置上的ZJ27型真空規(guī)管在10-4～10-3Pa級(jí)真空度測(cè)量值和復(fù)合規(guī)管測(cè)量值偏差基本小于100%，而原裝置上的ZJ27型真空規(guī)管在10-4～10-3Pa級(jí)真空度測(cè)量值和復(fù)合規(guī)管測(cè)量值偏差基本在150%以上。該結(jié)果說明在10-4～10-3Pa級(jí)真空下，流導(dǎo)較小的測(cè)量裝置對(duì)真空規(guī)管的測(cè)量結(jié)果影響較大，而反之亦然。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝高峰.高真空多層絕熱低溫容器完全真空喪失實(shí)驗(yàn)及傳熱機(jī)理研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2011：1-4.

[2]姚小靜，趙路寧，韓偉，等.真空絕熱壓力容器定期檢驗(yàn)評(píng)定方法研究[J].低溫與特氣，2014，32（3）：10-13.

[3]詹家立.低溫絕熱壓力容器真空規(guī)管存在的問題及解決措施[J].大科技，2014（12）：318-319.

[4]朱武，干蜀毅.真空測(cè)量與控制[M].安徽：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2008：107-112.

[5]達(dá)道安.真空設(shè)計(jì)手冊(cè)（第3版）[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006：102-132.