焊接絕熱氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率定壓測(cè)量

李 斌李正清，李小金，羅 云，蔡宇宏，馬 鑫

（1.重慶市特種設(shè)備檢測(cè)研究院，重慶 401120；2.蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000）

0 引言

天然氣等清潔能源的發(fā)展得到了國(guó)家的大力提倡，獲得了快速發(fā)展機(jī)會(huì)，天然氣在汽車(chē)領(lǐng)域以CNG及LNG的形式進(jìn)行貯存并作為汽車(chē)燃料。在同等體積下LNG具有貯存量大，使用安全等特點(diǎn)，使其迅速得到了推廣應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)以LNG為燃料的公交車(chē)、客車(chē)及卡車(chē)在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)省份獲得了快速的發(fā)展，因此LNG貯存容器——焊接絕熱氣瓶也在國(guó)內(nèi)快速發(fā)展，但國(guó)內(nèi)焊接絕熱氣瓶性能的定檢測(cè)試相對(duì)滯后。焊接絕熱氣瓶的定檢測(cè)試可以進(jìn)行真空性能測(cè)量或靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)量，其中靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)量是一種相對(duì)比較簡(jiǎn)單可行的測(cè)試方法，而且測(cè)試結(jié)果反映了焊接絕熱氣瓶的整體綜合性能，可以有效確保LNG為燃料的公交車(chē)、客車(chē)及卡車(chē)焊接絕熱氣瓶的使用安全。

1 靜態(tài)蒸發(fā)率定壓測(cè)試方法

目前焊接絕熱氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率定檢性能測(cè)量參照國(guó)標(biāo)GB/T 18443-2010.5執(zhí)行，測(cè)試過(guò)程要求氣瓶放氣至環(huán)境壓力，然后靜置48 h以上，測(cè)試時(shí)間不少于24 h，使得靜態(tài)蒸發(fā)率的測(cè)試過(guò)程繁瑣，耗時(shí)長(zhǎng)，且該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)制定是針對(duì)新研制產(chǎn)品，不適合LNG為燃料的公交車(chē)、客車(chē)及卡車(chē)的焊接絕熱氣瓶進(jìn)行大規(guī)模的定檢，因此對(duì)于焊接絕熱氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率定檢測(cè)量需要設(shè)計(jì)新的測(cè)試手段或方法，以便更加適用于市場(chǎng)上廣泛使用LNG為燃料的公交車(chē)、客車(chē)及卡車(chē)的焊接絕熱氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率的定檢測(cè)量。

1.1 焊接絕熱氣瓶特點(diǎn)

LNG為燃料的公交車(chē)、客車(chē)及卡車(chē)的焊接絕熱氣瓶相對(duì)于新研產(chǎn)品型式試驗(yàn)使用的焊接絕熱氣瓶具有的特點(diǎn)：（1）熱穩(wěn)定狀態(tài)。新研產(chǎn)品型式試驗(yàn)使用的焊接絕熱氣瓶為新品，在進(jìn)行靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)試前沒(méi)有充裝過(guò)液氮或其他低溫介質(zhì)，測(cè)量靜態(tài)蒸發(fā)率時(shí)為首次充裝，因此需要充分的時(shí)間使其進(jìn)入熱穩(wěn)定狀態(tài)；定檢焊接絕熱氣瓶使用規(guī)程中一直在充裝低溫介質(zhì)，本身就處于熱穩(wěn)定狀態(tài)。（2）盛裝低溫介質(zhì)，新制型式試驗(yàn)進(jìn)行靜態(tài)蒸發(fā)率的測(cè)量一般使用液氮，定檢焊接絕熱氣瓶使用范圍很廣，貯存的低溫介質(zhì)有LNG、液氮、液氧、液氬等。若按照型式試驗(yàn)的要求執(zhí)行需要將在用氣瓶?jī)?nèi)的液體進(jìn)行置換，而氣瓶低溫介質(zhì)置換流程是較為繁瑣的。（3）測(cè)試狀態(tài)，新制型式試驗(yàn)使用焊接絕熱氣瓶進(jìn)行試驗(yàn)在車(chē)間，氣瓶為單獨(dú)放置的新品，易于進(jìn)行各項(xiàng)測(cè)試；定檢焊接絕熱氣瓶一般安裝在使用的設(shè)備上，如公交車(chē)、卡車(chē)等，拆卸是非常不方便的。

2 焊接絕熱氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率定壓測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)定檢焊接絕熱氣瓶的特點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖1所示靜態(tài)蒸發(fā)率定壓方案。方案由：氣瓶、閥門(mén)、壓力測(cè)量、升溫器、質(zhì)量流量計(jì)、調(diào)壓閥門(mén)、阻火器等組成。其中氣瓶為實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)象；閥門(mén)用于整個(gè)測(cè)試過(guò)程的啟停；壓力測(cè)試為整個(gè)測(cè)試過(guò)程中壓力的監(jiān)量，監(jiān)測(cè)在定壓測(cè)試工程中壓力的變化在要求范圍內(nèi)；升溫器使得測(cè)試過(guò)程中氣瓶?jī)?nèi)的低溫氣體在流經(jīng)此管道時(shí)與環(huán)境換熱，確保流進(jìn)流量的氣體溫度滿(mǎn)足使用要求；調(diào)節(jié)閥門(mén)用于測(cè)試中調(diào)節(jié)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的壓力，確保測(cè)試過(guò)程中壓力的穩(wěn)定。該測(cè)量方案中利用焊接絕熱氣瓶本身處于熱穩(wěn)定狀態(tài)的特點(diǎn)，可以減少靜置熱穩(wěn)定過(guò)程的時(shí)間，有效縮短測(cè)量準(zhǔn)備時(shí)間；對(duì)于被測(cè)低溫介質(zhì)為可燃?xì)怏w的，設(shè)置了阻火器和甲烷報(bào)警器，可直接在使用場(chǎng)地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，無(wú)需進(jìn)行低溫介質(zhì)的置換以及焊接絕熱氣瓶從使用現(xiàn)場(chǎng)拆卸。

2.1 氣體質(zhì)量流量計(jì)

根據(jù)焊接絕熱氣瓶的測(cè)試條件要求可選用普通氣體質(zhì)量流量計(jì)（熱式）或濕式氣體質(zhì)量流量計(jì)。由于濕式氣體質(zhì)量流量計(jì)測(cè)試過(guò)程中需要進(jìn)行加濕處理，設(shè)備體積較大，因此試驗(yàn)中選用普通氣體質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行定壓條件下靜態(tài)蒸發(fā)率的測(cè)試。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，焊接絕熱氣瓶的最大容積為450 L，要求其靜態(tài)蒸發(fā)率不超過(guò)1.8%/d，以液氮為例，經(jīng)換算其對(duì)應(yīng)的氣體質(zhì)量流量為3.62 L/min，按照定期檢測(cè)規(guī)范要求定檢焊接絕熱氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率不大于出廠值的2倍，因此在合格的情況下，定檢焊接絕熱氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)量上限為7.24 L/min，同時(shí)考慮到其他一些氣瓶可能存在性能不符合要求的情況，將量程適當(dāng)增大，因此選用測(cè)量上限為10 L/min的質(zhì)量流量計(jì)，精度要求優(yōu)于1.0%。

2.2 調(diào)節(jié)閥門(mén)

調(diào)節(jié)閥門(mén)用于控制和調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試壓力，實(shí)現(xiàn)焊接絕熱氣瓶在工作壓力下靜態(tài)蒸發(fā)率的定壓測(cè)試。為了降低壓力波動(dòng)對(duì)測(cè)試過(guò)程的影響，對(duì)比常壓測(cè)試中一般環(huán)境壓力在24 h內(nèi)的波動(dòng)在1.4 kPa以?xún)?nèi)，要求在定壓測(cè)試過(guò)程中系統(tǒng)穩(wěn)定后，壓力傳感器測(cè)試到的壓力波動(dòng)在1.0 kPa以?xún)?nèi)，確保測(cè)試中蒸發(fā)率的穩(wěn)定。

2.3 安全系統(tǒng)

為了整個(gè)測(cè)試過(guò)程中的安全，設(shè)置的安全設(shè)施主要有：阻火器、可燃?xì)怏w探測(cè)報(bào)警器、現(xiàn)場(chǎng)配備滅火器等組成。

阻火器的功能是阻止火焰的傳播，在測(cè)試排放出口如果出現(xiàn)明火在管道內(nèi)進(jìn)行燃燒傳播時(shí)，及時(shí)的阻止火焰，使得火焰在阻火器內(nèi)部熄滅?？扇?xì)怏w報(bào)警器需要根據(jù)不同的可燃?xì)怏w進(jìn)行選取對(duì)應(yīng)的報(bào)警器，設(shè)置報(bào)警上線(xiàn)，在可燃?xì)怏w發(fā)生泄露的情況下，及時(shí)的進(jìn)行報(bào)警提醒，以便采取應(yīng)對(duì)措施，目前焊接絕熱氣瓶貯存的可燃?xì)怏w主要是LNG，因此在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)選用甲烷報(bào)警器。滅火器是在發(fā)生意外著火的情況下，測(cè)試人員及時(shí)的使用滅火器撲滅明火，確保測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的安全。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

焊接絕熱氣瓶的靜態(tài)蒸發(fā)率定檢測(cè)量過(guò)程中，采集的數(shù)據(jù)主要有焊接絕熱氣瓶壓力pw（Pa）、環(huán)境溫度ta（℃）、氣體質(zhì)量流量計(jì)累計(jì)流量Vc（m3），測(cè)試時(shí)長(zhǎng)t（min）。焊接絕熱氣瓶的測(cè)試靜態(tài)蒸發(fā)率α0（%/d）由式（1）[6]計(jì)算：

式中：ρl為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下飽和液體的密度；V為被測(cè)焊接絕熱氣瓶有效容器；ψ為氣體質(zhì)量流量計(jì)校準(zhǔn)系數(shù)，標(biāo)定時(shí)給定值；qm為蒸發(fā)氣體質(zhì)量流量日平均值，根據(jù)國(guó)標(biāo)要求，測(cè)試靜態(tài)蒸發(fā)率值進(jìn)行溫度及壓力修正，修正后的測(cè)試靜態(tài)蒸發(fā)率值為焊接絕熱氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率最終值α20，由式（2）[6]計(jì)算：

式中：h為焊接絕熱氣瓶?jī)?nèi)實(shí)驗(yàn)壓力下飽和液體的氣化潛熱；hfg為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下飽和液體的氣化潛熱；Ts為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下飽和液體溫度；T1為試驗(yàn)時(shí)平均環(huán)境溫度；T2為試驗(yàn)時(shí)焊接絕熱氣瓶日平均壓力對(duì)應(yīng)的液體飽和溫度。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

測(cè)試中使用的氣瓶容器175 L，分別在0.1 MPa、0.3 MPa、0.8 MPa及1.0 MPa壓力下進(jìn)行了測(cè)量，實(shí)驗(yàn)使用低溫介質(zhì)為液氮，測(cè)試結(jié)果如表1所列。測(cè)試過(guò)程中流量與壓力隨時(shí)間的變化如圖2所示。

通過(guò)表1可以看到，隨著壓力的升高，測(cè)試靜態(tài)蒸發(fā)率增加，而且壓力越高增加越為明顯，原因是由于隨著壓力的升高，液氮的氣化潛熱明顯下降，使得吸收同樣熱量需要的氣體量顯著增加，使得蒸發(fā)量出現(xiàn)增加，同時(shí)壓力升高使得氣瓶?jī)?nèi)部飽和液體的溫度升高，導(dǎo)致內(nèi)部與環(huán)境之間的溫差減小，從而使得靜態(tài)蒸發(fā)率降低；在氣化潛熱和溫差兩者的共同作用下，最終導(dǎo)致氣瓶的靜態(tài)蒸發(fā)率升高。

表1 焊接絕熱氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)試值Table1 Welded Insulated Cylinders Static Evaporation rate Measure Results

圖2 焊接絕熱氣瓶定壓測(cè)試流量及壓力的變化曲線(xiàn)Fig.2 The profile of flow rate and pressure in using welded insulated cylinders static evaporation rate measuring

圖2顯示了測(cè)試氣瓶壓力及流量隨著測(cè)試時(shí)間的變化?？梢钥吹皆趬毫^低時(shí)，測(cè)試壓力的波動(dòng)很小，如圖2（a）所示，但是當(dāng)壓力增加至0.8 MPa時(shí)，如圖2（c）所示，壓力的波動(dòng)增加，這是由于隨著壓力的增加，氣瓶?jī)?nèi)部氣體的流動(dòng)變得復(fù)雜和劇烈，也使的在壓力較高的條件下，系統(tǒng)穩(wěn)定的時(shí)間進(jìn)一步的增加。同時(shí)隨著壓力的增加，測(cè)試流量的變化表現(xiàn)的更為穩(wěn)定，體現(xiàn)了壓力增加使得氣瓶?jī)?nèi)部氣相空間氣體的質(zhì)量增加，致使測(cè)試中流出氣瓶的氣體僅占焊接絕熱氣瓶?jī)?nèi)氣體質(zhì)量的很小一部分，從而使得氣體的流動(dòng)顯得更加穩(wěn)定。從圖2（b）～（d）可以看到，靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)量中壓力穩(wěn)定后，流量隨之穩(wěn)定，時(shí)間均在200 min左右，可見(jiàn)在定壓測(cè)試中可以根據(jù)壓力穩(wěn)定后繼續(xù)測(cè)試2～3 h，測(cè)試的結(jié)果直接作為氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率的計(jì)算值，使得整個(gè)測(cè)試時(shí)間不長(zhǎng)于8 h，相對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)試方法有效的縮短了測(cè)試時(shí)間，提高了測(cè)試效率。

4 結(jié)論

焊接絕熱氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)量是定檢規(guī)范規(guī)定的必測(cè)項(xiàng)目之一，實(shí)現(xiàn)焊接絕熱氣瓶的定壓測(cè)量相對(duì)于目前正在執(zhí)行的國(guó)標(biāo)測(cè)試流程，焊接絕熱氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率的定檢定壓測(cè)量充分利用了焊接絕熱氣瓶熱穩(wěn)定性的特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用測(cè)試時(shí)焊接絕熱氣瓶定壓測(cè)量過(guò)程中不需要進(jìn)行放氣至常壓狀態(tài)，可以直接在氣瓶的工作壓力下進(jìn)行靜態(tài)蒸發(fā)率的測(cè)量。對(duì)于測(cè)試中可能存在危險(xiǎn)的低溫介質(zhì)，配備安全系統(tǒng)，當(dāng)測(cè)試存在危險(xiǎn)時(shí)，能夠及時(shí)報(bào)警并處理，在完成靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)試的同時(shí)確保測(cè)試人員及設(shè)備的安全?？梢钥吹届o態(tài)蒸發(fā)率定壓測(cè)試可以有效減少測(cè)試氣體的排放，縮短測(cè)試時(shí)間，提高定檢的測(cè)試效率，對(duì)于提高行業(yè)檢測(cè)焊接絕熱氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率效率具有重要意義。

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