真空多层绝热低温液体输送管的设计制造

真空多层绝热低温液体输送管的设计制造

喻永贵

中国空分设备公司

【摘要】真空多层绝热低温液体输送管的设计制造

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随着低温液体输送技术的普及和推广，低温液体输送管道的需求量的不断增长。

一、低温液体输送管的选择

低温输液管有包扎绝热管(非真空)与高真空多层绝热管(包括充填CO2)，其绝热效果差别很大。

包扎绝热管，其冷损随着包扎厚度，增加而减少，但过厚效果就不明显又不经济，一般保持外径与内径之比为5~10；而高真空绝热管的冷损则随着外径加大而增大。包扎绝热的液氮输送管(内径Φ32时)冷损为229kJ／m·h。即假设两端口均完全绝热的一段6m长的包扎绝热的这种液氮输送管内充满液氮后，其传入的热量在3．3小时内可使管内液氮全部气化。

而高真空的液氮输送管的冷损为18~201d／m·L；高真空多层绝热液氮输送管的冷损在0．4~3．0kJ／m·h范围内(以内径Φ32尺寸管计)。以2kJ／m·h计即意味着：假设两端口均完全绝热的一段6m

长该高真空多层绝热液氮输送管内充满液氮后，其传入的热量要16天才会使其全部气化。

显然高真空多层绝热低温液体输送管绝热效果要远远优于包扎绝热管。在长距离(数十米，甚至更长距离)输送时，输送管的冷损必然使部分液体气化(若输送的不是过冷低温液体)，从而造成气液两相流动，流动阻力大大增加，只有采用高真空多层绝热输液管才能最大限度减轻两相流的形成。

二、高真空多层绝热真空管的主要技术关键

1．多层绝热

在内管外壁设置约16层反射屏，反射屏由喷有10-6m厚度的铝的光亮涤纶薄膜及绝缘用玻璃纤维布组成，可有效地大幅度降低辐射传热。为了有利于抽真空，当夹层充C02内管充液氮(或其他低温液体)后，产生的C02霜能存积在缠绕的玻璃纤维布上，其包扎的松紧度应控制在50层／cm。

2．将热传导减少到最低限度的结构设计

真空输液管的热传导冷损主要产生于内外管连接处的端口，及内外管之间必不可少的少量支承上。这可通过设计特殊的内外管端盖，尽量增长冷热端的距离，以及设置联接筒，将管端埋于粉末绝热腔中来实现。而内管之间的支承尽可能减少。一般设置在为内管冷补偿用的波纹管两侧，对于长直管每2~3m才设置一只支承块，弯管则在转角前后直管均较长时，转角两侧才设置支承块。边缘都设计凹凸形，或八边形，以尽量减少与管壁的接触面积。

3．减少输液管真空腔内残留气体措施

(1)在真空腔内设置吸附剂。对输送液氮的管道用活性炭作吸附剂；对输送液氧的管道为安全考虑只能用5A分子筛作吸附剂。用以吸附真空腔中残留的杂质气体。在90K温度下，活性炭和分子筛对空气中的O2、Ar、N2都有相当好的吸附能力，在90K、1．33×10-2Pa 时其吸附容量为1~10cm3／g。在真空夹层总装封结前充填经活化好的吸附剂，能使真空腔在低温工作状态进一步提高真空度。

(2)真空管复合总装完成后应作氦质谱检漏，以检查不锈钢氩弧焊的气密性，要求漏率小于1×10-9pa·L／s，这样就足以保证10年内，该真空骨腔内真空度不会降到所要求真空度以下。

(3)所缠绕材料及支承块均经不同工艺脱脂(金属管、支承块及喷铝涤纶薄膜用四氯化碳脱脂、玻璃丝布是以一定速率经过一个400~450℃的火焰炉来脱脂的)真空管内外壁均加温到100°~110℃(内壁用通热空气，外壁用缠绕电阻丝来加温)以尽可能把金属放气及附着在工件上的气体释放出来，然后再开始预抽真空。一般对T射，管抽空时间需6昼夜，对L02管需12昼夜(固5A分子筛的脱附能力远低于活性炭)。

4．C02冷凝多层绝热真空管

在真空腔内充填高纯CO2作为冷凝气，即使不抽真空，即腔内压强接近大气压，但当一旦工作时，内管输送-185℃以下的低温液体时，真空腔内所填充的接近常压的可凝性气体立即凝结成固体，使真空度达到或超过对绝热管道的基本要求，即低于1．33×10-2pa，保证了

输液管的绝热性能，从而降低了真空封结时真空度的要求。具体操作关键是提高真空腔内C02的纯度，故在按上述(3)预抽真空后就要充填高纯CO2(高纯C02是用工业C02经2次以上液氮温度下冷凝抽空来制取)。然后再将该CO2抽出，抽到一定真空度，再次充人C02至略高于大气压力，再抽空，如此返复2—3次后，再最后封结。最后封结时动态真空一般为—14Pa。如此处理的真空管当输送低温液体时，管内真空腔的真空度均能超过1．33×10-2pa的基本要求。

5．真空阀的使用

我公司开发出一种真空阀，不但满足可重复使用的要求，其漏率更是低于0．5×10-9pa·L／S，即能确保真空输液管真空度保持15年以上。

三、真空管的连接

对于改进的真空多层绝热低温输液管，其连接器要求简单、低热漏、低冷损，安装时现场有调整余地等。

目前主要有三种连接方式：①焊接连接外加粉末绝热的密封套筒；②对接法兰式连接；③插拔式法兰连接。

其优缺点分述如下：

第一种焊接连接结构简单、加工容易、冷损小，现场安装尺寸调整余地大，缺点是现场安装工作量较大，拆卸难：

第二种对接式法兰连接，安装拆卸最简便，但冷损大。

第三种插拔式法兰连接现场安装时必需有一段200B-fill的安装间距，整管需有一处可伸缩的空间距离，装卸极不方便，冷损较大。

由于低温输液管主要冷损在连接处(连接处冷损占整支输液管冷损的80％以上)故降低连接处的冷损是十分重要的。在一般难得拆卸的场合一般选用焊接连接。另一方面尽量增加单支真空管的长度可以减少连接接头。我们现在单支长度已从原来的6m增长到10m以上(只要运输许可)。

四、真空多层绝热输液管的质量检验

由于真空多层绝热输液管优良的绝热性能(以内径Φ32的输液管为例，其直管段每米冷损仅为0．1W)，其真空段部分冷损占整个输液管路系统(包括接头，阀门等管件总冷损的20％以下。加上真空管的粗细与冷损大小相关，故难以用气化率的标准来衡量真空管的绝热质量。

我们现行的一种检验方法是：将真空管内灌满液氮，放置4h以上，再测定其外管壁的温度，(须在距管端300mm以上的管壁处测)若此温度与环境温度温差大于1．5℃即为不合格，小于O．5℃为优等品。严格按上述工艺制作的真空管均能达到优等品。

五、不同类型液氧液氮输送管的技术经济比较

上海焦化总厂安装了三套11000m3／h空分设备，每套能生产L0250m3／h、IN2100m3／h，预留一套11000m3／h空分设备，这些C02、LN2平时从空分设备输送到液体贮槽中贮存，应急时可气化应用，估计输液管总长为200m，在采用什么形式输液管时作了一个技术经济分朴[2]。

计算结果如表1。

值得注意的是，由于近几年来真空管制作技术的改进，成本大幅下降，现在比1994年下降35％以上，而液氧液氮价格却有上升。故上表中真空多层绝热管中总投资134．95万元已下降为95万元以下，而增益却再有上升。即采用真空多层绝热形式的输液管所增加的投资仅需一年左右所减少的气化损失就可收回，尚未计及减少了流道阻力所带来的增益。

表1

参考文献

[1] 沈维楞.真空多层绝热采用CO2冷凝的低温液体输送管的设计制造的理论与实践．内部资料

[2] 高正平.液氧液氮输送管道没计选型探讨.深冷技术，1994，(2)

[3] 符锡理.美国肯尼迪航天中心液氢、液氧加注真空多层绝热管路．低温与特气，1995(2)