学文网【摘要】本文通过对高真空多层绝热型式的分析，阐述了大容器高真空多层绝热应用的设计原理以及实际生产制造过程中应注意的问题；并结合实际应用经验，提出为维护大容器的真空使用寿命应采用科学正确的制造和检测方法。
【关键词】冷冻液化气体；绝热材料；真空度；漏放气速率
1 前言
冷冻液化气体是指在运输过程中由于温度低而部分呈液态的气体（临界温度一般低于或者等于-50℃），如LNG、LN2、LAr2、LO2等，这类物质的运输和贮存需要通过高真空多层绝热容器来实现，真空多层绝热容器主要包括冷冻液化气体运输半挂车、罐式集装箱和液化天然气气瓶、真空绝热气瓶，以及立式或者卧式冷冻液化气体储罐等高真空多层绝热容器。高真空多层绝热容器的结构一般分为内容器、夹层绝热空间、外壳、管路系统等。
2 高真空多层绝热
低温绝热主要分堆积绝热、真空粉末绝热、高真空多层绝热和高真空多屏绝热几种绝热形式，其中高真空多层绝热因其绝热性能好、工艺简便获得青睐。它是在绝热空间中安置许多层平行于冷壁的辐射屏来大幅度减少辐射热以达到高效绝热之目的的一种绝热结构。在高真空多层绝热中，热流主要以三种形式进行传递：辐射传热（约占25%）、层间固体导热（约占5%）、残余气体导热（约占70%）。所以影响高真空多层绝热效果有以下因素。
2.1绝热材料
最常用的辐射屏材料有各种金属箔，特别是辐射率低且价廉轻便的铝箔和喷铝涤纶薄膜，而常用的间隔材料有玻璃纤维布、尼龙网、纤维纸、丝绸等。（辐射屏与间隔材料组成了多层绝热材料，以下称绝热材料）。有相关试验说明，绝热材料对绝热的影响是很大的，其影响因素也是很多的，诸如厚度、铝箔的质量、喷铝厚度与质量、间隔物厚度、形状、包扎方法等等。
2.2真空度
真空度对高真空多层绝热的平均有效导热系数有较大的影响，研究表明，只有当压力低于1.33×10-2Pa时，剩余气体的导热才可能消除。所以对高真空多层绝热形式的容器真空度要求应高于此值。
2.3绝热材料的密度
当增加绝热材料的密度，即增加单位绝热层中反辐射层的数目时，辐射热流将减少，相应地增大了固体传导的热流，所以有一个最佳值，成为最佳的每cm屏数，或称多层缠绕的最宜“松紧度”。这一最佳密度一般为每厘米20～40层。
2.4绝热材料总厚度
为了降低通过多层的热流就需要保持一定的多层厚度，根据实验指出，厚度的增加，增大了导热系数值。多层的总厚度应由实际的冷损和成本作综合考虑，通常取18～25mm左右。
2.5机械负荷
绝热材料的导热系数随多层中的机械负荷的增大而增大。这是因为机械负荷引起多层的压缩，增加了固体的传导。故多层中机械负荷随堆积密度的增大而迅速增大，所以多层包扎中不可过紧，多层包扎以后的绝热层严禁过大外力的压缩，在设计多层绝热容器时，应考虑多层与外壳留有一定的间隙，以免在安装时附加过大的机械负荷。
2.6温度
温度对高真空多层绝热效果的影响较大，冷壁温度从76K降到20K时，平均有效导热系数可降低10%～30%。
然而镀铝的塑料薄膜虽然强度较高，但放气很大，铝箔放气虽小但强度很差。多层的间隔物大部分是以玻璃纤维为基体的，这些间隔材料在真空下会放出许多气体的，所以多层绝热的高效能常常遭到破坏。在低温系统中安装后，其绝热性能很难预测。对于绝热空间几何形状非常复杂的情况下造成施工困难。多层绝热各个方向传热性能相异，有时相差很大。多层绝热的热效应对压缩负荷有强烈的依赖性。这些都影响多层绝热的稳定性和工作效果。
3 冷冻液化气体贮运设备
真空多层绝热型式主要应用于冷冻液化气体的贮运设备，为保证该类容器的正常使用，必须保证其绝热效果，以维持真空使用寿命。下面对在制造过程中应注意的工序和节点进行了一些总结。
3.1结构材料的表面处理
前文已提到高真空多层绝热容器的结构，在这类容器中，夹层绝热空间主要是由内容器外壁、外壳内壁以及夹层管路外壁围成，所以在形成夹层空间前相关的部位均应进行清理。奥氏体不锈钢因其在低温下能保持足够的塑性和强度，一般会被选作内容器材料，该材料的清洗方法通常为酸洗钝化法，以去除材料表面的灰尘油脂等。夹层管路因与低温介质直接接触，同样也为奥氏体不锈钢材质，清洗方法同上。注意清洗过后要求除净酸洗膏，防止其残留在夹层空间中影响后续抽真空。外壳一般采用的是碳钢材料，由于其容器壁薄且直径相对较大，导致其容易变形，考虑到外壳的强度和刚度需要，会在外壳内壁焊装加强圈。这给外壳内壁的清理造成一定困难，易形成“死角”。碳钢外壳的内壁一般进行喷砂或者喷丸处理，以去除焊接留下的杂质，如有油脂之类的物质应用丙酮进行清理，防止二次污染。喷砂或喷丸处理后的外壳内壁如还需人工清理时须在工作中佩戴鞋套、着干净工装、手套、口罩等。
3.2绝热材料的处理
缠绕绝热材料也是高真空多层绝热容器制造过程中一个非常重要的工序。该工序需在洁净的缠绕间内进行，操作工人着洁净工装，配鞋套、口罩、手套等防护工具，以防止操作过程中对夹层绝热空间的二次污染，也防止漂浮在空气中的绝热材料的粉末对人体的不良刺激。
有实验证明，绝热材料经烘烤（90℃下烘烤4h）后的放气特性及其对绝热效果对比未烘烤的绝热材料，有一定的差异。由此可见，绝热材料经烘烤后更容易抽至高真空。
从理论上讲，绝热材料的层数及密度增大也会造成抽真空阻力增大，从而造成残余气体导热加剧。同时包缠越密，层间接触面积大，造成固体导热增加，都不利于绝热。层间压紧力越小越有利于绝热，但压紧力过小会造成绝热材料变松脱落，失去绝热作用。故在缠绕绝热材料时要掌握好力量。优良的缠绕效果应是多层绝热材料层相当松软同时又具有较大的缠绕牢固性，在振动冲击下不会脱落。这要靠设计、材料、工艺等共同努力才能达到的高度。
4 总结与展望
高真空多层绝热容器因其各方面的优点在低温贮运领域还会被更大范围的应用，要想获得良好的绝热效果和稳定的真空使用寿命，在设计生产制造过程中的重要工序必然会更受重视，设计方案、制造工艺以及检测方法也一定会更加科学化专业化。
参考文献：
[1]徐烈.低鼐热与贮运技术[M].北京，1999，5
[2]王正兴.高真空多层绝热抽真空工艺研究现状与发展[J].低温工程，2008，4
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