低溫氣瓶制造技術(shù)研究

摘要：LNG車載低溫氣瓶是一種高真空多層絕熱產(chǎn)品，高真空多層絕熱系統(tǒng)有效地降低了傳入低溫液體的熱量，使得低溫液體的貯存周期得以延長，從而滿足行車供氣的要求。然而整個(gè)真空系統(tǒng)的絕熱性能與真空系統(tǒng)的真空度和絕熱材料的絕熱性能密切相關(guān)，要獲得較好的絕熱性能，那么在真空系統(tǒng)的獲得過程中，必須要注意制造的關(guān)鍵點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：LNG車載低溫氣瓶；高真空多層絕熱系統(tǒng)；吸附劑活化；抽真空；真空度

1 引言

LNG車載低溫氣瓶是作為一種用以替代汽車油箱盛裝、貯存、供給燃料（液化天然氣），并且可以多次重復(fù)充裝的低溫絕熱壓力容器。

其主要結(jié)構(gòu)是雙層容器。內(nèi)膽能夠承受一定的壓力用來貯存和供給低溫液態(tài)的液化天然氣。在內(nèi)膽外壁纏繞由玻璃纖維紙和光潔的鋁箔組成的多層絕熱材料，多層材料在高真空條件下具有熱導(dǎo)率低、隔熱性能高、重量輕的特點(diǎn)。

外殼主要用來與內(nèi)膽形成夾層空間（兩層容器之間的空間）和把內(nèi)膽支撐起來的作用。

夾層空間被抽成高真空與多層絕熱材料共同形成良好的絕熱系統(tǒng)，用以延長液化天然氣的貯存時(shí)間。

外殼和內(nèi)膽之間設(shè)置支撐系統(tǒng)將內(nèi)膽外殼合理固定。支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠承受車輛在行駛時(shí)所產(chǎn)生的加速、減速，運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)。

氣瓶所有的外部管路、閥件都設(shè)置在氣瓶的一端，并用保護(hù)環(huán)或保護(hù)罩進(jìn)行防護(hù)。閥門系統(tǒng)的設(shè)置能夠滿足液化天然氣的充裝和供給。

LNG車載低溫氣瓶的真空多層絕熱系統(tǒng)是一項(xiàng)新的絕熱技術(shù)，對(duì)改善車載低溫氣瓶的絕熱性能，提高真空壽命，降低蒸發(fā)率具有重要意義。這項(xiàng)技術(shù)工藝要求高，施工難度大。應(yīng)用這一新技術(shù)制造車載低溫氣瓶時(shí)要控制好以下幾點(diǎn)：

（1）控制施工過程的清潔度與濕度

多層絕熱施工應(yīng)在有空調(diào)器的干燥、潔凈的廠房內(nèi)進(jìn)行，溫濕度應(yīng)分別控制在25℃和40%以內(nèi)。操作人員應(yīng)著潔凈的淺色工作服并戴帽子和口罩，雙手佩戴白色手套。低溫氣瓶夾層內(nèi)、外壁在組裝前要徹底去油、清潔并作干燥處理。絕熱材料要事先進(jìn)行脫脂、烘干處理。操作過程中要切實(shí)防止油、水和其它污染物進(jìn)入低溫氣瓶夾層。這是因?yàn)槲廴疚锾貏e是油污、水分子進(jìn)入低溫氣瓶夾層都會(huì)導(dǎo)致延長抽真空時(shí)間，甚至真空度抽不到規(guī)定值的嚴(yán)重后果。

（2）控制絕熱材料的包扎型式及質(zhì)量

包扎型式主要是指絕熱材料層的纏繞型式，一般有兩種方法。一是“螺旋”式纏繞法，其二是“筒體竹節(jié)”式纏繞法。在此僅述“筒體竹節(jié)”式纏繞法。在內(nèi)容器外壁先纏繞兩層玻璃纖維紙，從第三層開始，纏繞復(fù)合好的絕熱層。當(dāng)纏繞達(dá)到4層時(shí)，剪斷絕熱層，用鋁箔帶固定好，在剪斷處搭接100毫米復(fù)合層后繼續(xù)纏繞，如此重復(fù)，直到達(dá)到纏繞要求的層數(shù)為止。而包扎質(zhì)量主要是指包扎的松緊度和貼合度。外筒體連接部位包扎的貼合度，同時(shí)也要注意包扎過程的連續(xù)性（包扎過程不宜中斷）。包扎的松緊度以用手拉緊絕熱材料并使其與被包扎的部位貼合為宜。過松過緊都不好。過松影響包扎的均勻性，對(duì)外容器的套裝造成影響；過緊則不利十空氣流動(dòng)，不利于氣體的排放，會(huì)影響抽真空的效果和時(shí)間。包扎過程之所以要連續(xù)，同樣是為了提高包扎質(zhì)量，防止因包扎過程中斷而引起松緊度不均勻。

（3）控制絕熱材料的厚度

絕熱材料包括以雙零鋁箔紙為輻射屏（有透氣孔）的金屬材料和以玻璃纖維紙為間隔物的非金屬阻燃材料。絕熱材料的厚度由輻射屏和間隔物的層數(shù)和每層的厚度決定。對(duì)于多層絕熱材料。單位厚度內(nèi)多層絕熱輻射屏的數(shù)目稱為層密度，符號(hào)為N，單位為屏/cm。在單位厚度絕熱層中，當(dāng)層數(shù)增加時(shí)，輻射傳熱將減小，而接觸熱阻減小。固體導(dǎo)熱將增加，它們的關(guān)系如圖2所示，故存在一個(gè)最佳層密度[1]。 圖1是以鋁箔和玻璃纖維紙所組成的多層絕熱體的熱導(dǎo)率和層密度的關(guān)系。從圖中可以看出其最佳層密度約為20～40層/cm。在制造過程中，可以根據(jù)實(shí)際協(xié)調(diào)具體層數(shù)。

（T300-70K）[1]

（4）夾層空間真空度的控制

在影響多層絕熱性能的諸多因素中，真空度起到十分關(guān)鍵的作用。研究表明，當(dāng)真空度較低即P>10Pa時(shí)，真空度變化對(duì)熱導(dǎo)率的影響不大；當(dāng)真空度為10-10-2Pa區(qū)間，隨著真空度的提高，熱導(dǎo)率急速下降；當(dāng)真空度優(yōu)于10-3Pa時(shí)，熱導(dǎo)率趨近恒定值[1]。因此，一般夾層的表觀真空度要優(yōu)于10-2Pa，多層絕熱才能充分發(fā)揮效果，達(dá)到良好的絕熱目的，如圖2所示。

（5）吸附劑的活化

抽真空封口后，夾層中材料仍繼續(xù)放氣，主要?dú)庠从衃2]：（a）夾層內(nèi)外金屬壁材料的放氣。（b）多層絕熱用鋁箔的放氣。（c）玻璃纖維紙的放氣。氣體的放出，導(dǎo)致真空度下降，氣瓶的絕熱性能也隨之下降。而吸附劑可以吸收夾層空間的氣體，因此，在夾層中放入吸附劑是維持真空度的要求。由于吸附劑在放入真空夾層之前吸收了氣體，導(dǎo)致其吸附能力下降，所以，吸附劑在放入真空夾層之前必須進(jìn)行活化處理，使其吸附的氣體充分排出來，以便在裝入真空夾層后最大限度地吸收夾層空間的殘余氣體，從而維持夾層的真空度。所以選擇合適的吸附劑活化工藝很關(guān)鍵，LNG車載氣瓶的吸附劑選的5A分子篩，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)研究，5A分子篩在200度的烘烤箱里保溫8小時(shí)后吸附能力較佳。

（6）控制抽真空的工藝

與普通絕熱相比，多層絕熱抽真空的難度要大得多。這是因?yàn)椋旱谝?，多層絕熱氣瓶真空度要求高。多層絕熱氣瓶真空度要求由普通絕熱的1Pa提高到0.01Pa，提高2個(gè)數(shù)量級(jí)；第二，抽真空的時(shí)間長。這是由絕熱層的巨大抽氣阻力以及要不斷抽取夾層材料和吸附劑在抽空過程中放出來的氣體所造成的。為加快抽氣，要選擇合適的抽真空土藝。首先，在抽真空過程中，可以間斷地用干燥的高純氮和高純度的二氧化碳?xì)庵脫Q沖洗夾層，以有效置換出夾層中的難抽氣體；其次，在抽真空過程中加熱。因?yàn)樯卟牧系臏囟仁羌铀俨牧媳砻娉鰵?、縮短抽真空時(shí)間的最有效方法。最好的加熱方法是在抽真空開始前進(jìn)行內(nèi)外同時(shí)加熱，待所有部件都達(dá)到給定溫度之后，再開始抽真空。但真空絕熱容器的加熱不能過高，因?yàn)榻^熱材料、容器中的一些釬焊件以及一些密封元件等不能經(jīng)受高的溫度。通常，LNG車載氣瓶真空夾層的加熱溫度不能高+200C，因此，加熱溫度一般控制在200℃以內(nèi)。采用電爐加溫時(shí)，可通過選擇加溫電爐的功率和調(diào)節(jié)電爐與氣瓶筒體的距離來實(shí)現(xiàn)；再次，還要借助先進(jìn)的抽真空設(shè)備。羅茨泵只能用十抽真空的前期，后期必須用分子泵，才能抽到所需的真空度。

（7）管路的制作

管件必須經(jīng)過脫脂處理，制作的管件必須去掉毛刺吹掃干凈后再焊接，在管件上有密封墊的元件應(yīng)該注意密封墊是否會(huì)受焊接熱量的影響。焊接組裝完成后，應(yīng)當(dāng)用干燥氮?dú)饣蛘邼崈艨諝鈱?duì)管道系統(tǒng)進(jìn)行吹掃，以免雜質(zhì)對(duì)密封元件造成損害。

2、結(jié)束語

本文通過對(duì)LNG氣瓶制作要點(diǎn)所涉及到的要點(diǎn)進(jìn)行控制，因?yàn)楣に噮?shù)、絕熱材料的包扎和操作水平、操作環(huán)境的不同，每臺(tái)LNG車載氣瓶實(shí)際絕熱效果都有差別。但在制造過程中，對(duì)影響絕熱性能的要點(diǎn)加強(qiáng)控制，嚴(yán)格按照制定的工藝施工，均可以保證LNG車載氣瓶的絕熱質(zhì)量，保障LNG車載氣瓶的優(yōu)質(zhì)性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐烈.低溫與儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)[M].北京，機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[2]徐成海，張世偉，謝元華等.真空低溫技術(shù)與設(shè)備[M].北京，冶金工業(yè)出版社，2007.9.

作者簡介：胡健，男，1983年4月出生，東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，本科畢業(yè)生。