高纯气体长管拖车结构特点及定期检验问题

2016-04-22辉薄柯李邦宪张君鹏黄强华

中国特种设备安全 2016年3期

关键词：定期检验

骆辉薄柯李邦宪张君鹏黄强华

（1.中国特种设备检测研究院北京 100029)(2.全国气瓶标准化委员会北京 100029）

高纯气体长管拖车结构特点及定期检验问题

骆辉1薄柯1李邦宪1张君鹏1黄强华2

（1.中国特种设备检测研究院北京 100029)
(2.全国气瓶标准化委员会北京 100029）

摘要：介绍高纯气体长管拖车的结构特点以及使用特点，气瓶和管路技术特性与普通长管拖车区别，在运行中存在充装介质无腐蚀性、充装次数少等特点，指出当前检验方法基于普通长管拖车失效模式制定，不适应与高纯气体长管拖车检验，会对设备造成极大破坏，并且检验方法不科学，应根据高纯气体长管拖车失效模式以及结构特点，制定适应于高纯气体长管拖车检验方法，保障设备的安全运营。

关键词：长管拖车高纯气体定期检验

Structure Features and Periodic Inspection Problem of High Purity Gases Tube Trailer

Luo Hui1Bo Ke1Li Bangxian1Zhang Junpeng1Huang Qianghua2
(1. China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)
(2. National Standardization Administration of Gas Cylinders Beijing 100029)

Abstract This paper introduces the structure features and service condition of tube trailer fi lled with high purity gases, the technical requirements on cylinder and pipeline is different from that of normal tube trailer. In service of high purity gases tube trailer, fi lled medium is non-corrosion, fi lling frequency is low, current periodic inspection technology is based on failure model of normal trailer, so the technology is not fit for inspection of high purity gases tube trailer with great harm to the tube trailer. It is necessary to establish periodic inspection technology based on failure model of high purity gases tube trailer, to keep safety for equipment operation.

Keywords Tube trailer High purity gases Periodic inspection

长管拖车用于高压永久气体运输，在天然气、氢气、氦气储运方面有着广泛应用，目前在我国已有近20年的运行历史，保有量近万辆。目前，该类型设备按照TSG R7001—2013《压力容器定期检验规则》附件D.长管拖车、管束式集装箱定期检验专项要求进行定期检验，该检验标准实施，排除设备安全隐患，保障长管拖车安全运行，长管拖车运行至今未发生重大特种设备安全事故。

高纯气体长管拖车，用于充装纯度大于99.999%且气体含水量小于1mg/L的气体，如NF3、SiH4、N2O、HCl等。该类型气体应用在集成电路、芯片、半导体、太阳能等领域，为提高产品性能，对气体纯度、干燥度、洁净度等方面有极高的要求，为保证充装气体纯度及稳定性，避免储运设备对气体造成污染，该类型设备和普通长管拖车相比，虽然整体机构类似，但在很多技术特性方面极大不同。根据用户调查，目前该类型设备市场保有量在100台，伴随我国产业结构升级，对该类型设备的需求也在增加，预计将来保有量在250台。

该类型设备同样用于高压气体储运，某些气体介质易燃、易爆、剧毒，为保障其安全运行，需要定期检验，由于该类型设备结构、使用特点，如按照现有法规进行定期检验，给设备带来极大损伤，检验成本巨大，某些检验项目也不适应该类型设备，因此需要分析该类型设备结构、使用情况，研究检验方法。

1 普通长管拖车结构

通常，长管拖车由8～12只大容积无缝气瓶，管路、管件、阀门、安全装置、框架等部分组成，见图1，分别为框架式和捆绑式长管拖车。

图1　普通长管拖车结构（框架式、捆绑式）

钢瓶由无缝钢管经旋压、热处理制成，设计、制造标准同为DOT 3AAX或者DOT 3T，表面状态为喷丸。管路由不锈钢无缝钢管经氩弧焊焊接而成，管路材料通常为304，316L，0Cr18Ni9等，管径通常为1/4''～1''，采用承插焊或对接焊接结构，管路、阀门、端塞、管件之间联系采用螺纹方式连接。阀门结构采用球阀或者截止阀，对于普通长管拖车，充装天然气车辆，只需要控制处于开或者关，因此主要采用材质为316L的球阀，充装氢气、氦气介质的车辆，需要控制流速，防止气流速度过快，多采用材质为黄铜的截止阀。

通过阀门和管路将钢瓶并联成整体，每只气瓶可以单独使用，也可以整体使用，该类型长管拖车用来充装工业纯气，含水量要求通常在5mg/L以下，如氢气、氦气、天然气等。

2 高纯气体长管拖车特点

2.1 高纯气体长管拖车结构特点

和普通长管拖车类似，高纯气体长管拖车由8～12只大容积无缝气瓶、管路、阀门、安全装置、框架等部分组成，见图2，由于充装介质的特殊要求，这些零部件结构、性能特点和普通长管拖车差异很大。

图2　高纯气体长管拖车

●2.1.1 气瓶部分

高纯气体长管拖车用大容积无缝气瓶，其材料、加工工艺、热处理状态、结构形式等方面和普通长管拖车用大容积无缝气瓶相同，不同地方在于气瓶内部状态。普通钢瓶内部状态为喷丸表面，满足纯度在99.99%以下介质充装需求。如气瓶需要充装高纯气体，由于钢材表面细小颗粒、毛刺等存在，一方面会吸附水分等杂质，在一定条件下会从基体中析出，进入充装介质，使介质中水粉含量超标，另一方面，在颗粒、毛刺等尖端部分和充装介质发生复杂、缓慢化学反应，如长时间存放介质，使得介质中金属离子含量超标。

因此，为避免气瓶对气体污染而影响纯度，气瓶首先经过研磨处理，去除表面颗粒物、毛刺等，研磨分为粗磨和精磨两个过程，使用不同磨料，经数十小时研磨，表面粗糙度达到3S，达到镜面效果，见图3，其次进行清洗，清洗介质为高温去离子水，水温通常为70℃，以避免水中各种离子吸附在金属表面，如充装介质具有强氧化性，例如N2O，还要进行脱脂处理，最后，为清除已吸附在钢材基体中的水分，还需要对钢瓶进行加热、抽真空、置换等处理，将水分排尽，最终气瓶介质含水量达到小于1mg/L。在投入使用前，根据充装介质，还需要在气瓶内充入相应气体介质，形成钝化层，避免充装介质和钢材产生作用，影响纯度。

图3　高纯气体长管拖车气瓶内部图

●2.1.2 管路系统部分

高纯气体长管拖车管路材料为304，316L，和普通长管拖车管路相比，不同之处在于：1）对管路表面状态要求，采用的管路为抛光管，管路经过抛光、钝化处理，表面粗糙度在0.4μm以下。2）管路、阀门、端塞之间连接方式，全部采用对接焊接，见图4，采用焊接方式，降低泄漏风险，一方面降低有毒介质泄漏造成危害的风险，另一方面避免因泄漏点存在，造成环境中水分渗透，导致介质纯度降低。3）管路成型方式，高纯气体长管拖车管路切割、弯管、边角处理都有特殊要求，避免对管道光洁度造成破坏，要求在高纯氩气吹扫下进行，焊接接头采用夹具对齐，接头为对接形式，焊缝两侧采用丙酮清洗，且焊接接头在全封闭条件下进行，焊接过程以及焊接前、后使用高纯氩气吹扫，防止空气混入，为自熔全焊透焊缝。4）管路安全检测，普通长管拖车管路采用水压进行检测，而该管路系统采用高纯气体进行气压试验，试验压力一般为设计压力的1.25倍，严禁采用水压试验，此外，高纯氮气管路系统还有进行氮气吹扫，氦检漏，含氧量检测，以及微粒子检测等。

图4　高纯气体长管拖车管路系统结构

●2.1.3 阀门部分

高纯气体工业中，主要采用隔膜阀或者波纹管阀，高纯气体长管拖车中的阀门选用隔膜阀，图5为用于充装高纯气体气瓶的隔膜式瓶阀，主要有手动和气动两种类型。该阀门依靠金属膜片实现阀腔和外界完全隔离，保证了密封可靠性，为提高密封性，对零部件加工工艺、弹簧精度、组装也有很高要求，为提高抗吸附能力，该类型阀门部分组件经过抛光、喷涂处理，该类型阀门死区较小，避免部分气体残存，为避免空气或外界颗粒物、粉尘影响，阀门组装、维修、包装都在洁净车间内进行，对阀门的试验，使用高纯气体进行。到目前为止，我国还不具备对该类型阀门的生产、维修能力，高纯气体工业用阀门，全部依赖进口。

图5　手动、气动隔膜瓶阀

●2.1.4 其他部分

端塞和气瓶连接采用螺纹连接，为提高密封性，采用多道密封，通常为3道，见图6，第1、2道为O型圈，不同充装介质采用不同材料，如SiH4采用氟橡胶，N2O采用硅橡胶，NH3采用乙丙橡胶等，而普通长管拖车，根据目前使用情况，普遍采用氟橡胶。第3道密封结构在端面处，为聚四氟乙烯垫片。

普通长管拖车，通过快装接头、螺纹和充气气源相连，而高纯气体长管拖车接头型式普遍采用CGA标准，根据不同介质、压力、纯度，CGA规定了200多种接头类型，避免不同介质混装，如SiH4采用CGA-350，N2O采用CGA-326，NH3采用CGA-705/240。

在安全泄放装置方面，普通长管拖车根据《移动式压力容器安全技术监察规程》要求，除充装高度危害介质以外，在气瓶一端或者两端装有安全泄放装置，通常为爆破片或者爆破片易熔合金塞组合结构，爆破片结构形式便于爆破片更换。高纯气体长管拖车进口国外，制造企业按照CGA S 1-1要求配置安全装置，部分高纯气体长管拖车安全泄放装置配置不符合我国安全法规要求，如充装NF3长管拖车，按照我国规范要求，必须安装安全装置，而CGA S1-1规定该类型车辆可以不安装安全装置。此外，为降低泄漏风险，安全装置采用焊接结构，使得爆破片更换非常困难。

图6　高纯气体长管拖车密封及接头

2.2 高纯气体长管拖车使用特点

高纯气体长管拖车，充装是高纯气体，由于气体纯度高，含水量很低，因此气体对气瓶基本无腐蚀，根据检验经验，该类型长管拖车气瓶，在运行3年后，气瓶内表面依然保持金属光泽。高纯气体长管拖车充装次数少，据统计，每月充装次数不超过3次，而普通长管拖车，设计、计算模型基于寿命周期内15000次，每天充装2次，我国目前长管拖车使用寿命20年，在高纯气体长管拖车寿命周期内，充装次数在720次，因此不会发生疲劳现象。此外，高纯气体长管拖车气瓶公称工作压力为2400×0.006895MPa=16.5MPa，其附件按照该压力选型，而运行压力较低通常不超过12MPa，因此该类型设备运行压力低于气瓶公称工作压力，因此该类型设备安全性较高。

3 长管拖车定期检验技术

我国运行的长管拖车按照TSG R7001—2013进行定期检验，该标准规定的检验方法，基于普通长管拖车的结构特点、失效模式、损伤机理和使用工况制定，而高纯气体长管拖车结构形式、失效模式和普通长管拖车有很大区别，因此部分检验方法不适应与高纯气体长管拖车。

3.1 普通长管拖车定期检验

根据我国法规要求，普通长管拖车定期检验分为瓶体检验、附件检验、安全附件检验。瓶体主要缺陷类型有瓶体应力腐蚀、疲劳裂纹，腐蚀，机械、热损伤，气瓶螺纹磨损等，针对该类型缺陷，气瓶检验分为拆卸检验和不拆卸检验，拆卸检验进行宏观检查、测厚、自动超声、磁粉和水压试验，不拆卸检验进行宏观检查、测厚和声发射检验，而首次定期检验需进行拆卸检验。附件主要为端塞、管路、阀门系统，主要缺陷类型为装配应力引起管件开裂、螺纹损伤、磨损等，以及非法维修引起的焊缝开裂等，检验中进行宏观检查、渗透检测和水压试验，阀门主要失效模式是泄漏，检验过程中进行气密试验，维修或者更换失效阀门。安全附件部分，主要包含安全装置、压力表等，由于爆破片充装过程中发生疲劳，在定期检验中全部进行更换，此外，压力表进行校验。

3.2 高纯气体长管拖车定期检验问题

由于高纯气体长管拖车结构和运行特点，如按照目前规范进行定期检验，既不科学也不经济。在气瓶方面，由于该气瓶内表面经过特殊处理，水压试验将给内表面带来极大破坏，内表面发生锈蚀，水分重新吸附金属基体，需要投入巨大成本重新进行处理才能达到使用要求。在管路方面，对管路进行水压试验，同样会污染管路，水分、水分中杂质滞留管路中，很难清除，会对充装气体纯度造成很大影响。对于阀门，常规进行气密试验，由于高纯气体对泄漏性要求更高，气密试验的精密度不能满足高纯气体长管拖车需要，此外，气密试验所用介质中的固体微粒还会损伤阀门密封面，影响阀门密封性。在安全装置方面，为减少泄漏点，爆破片和夹持装置采用焊接连接，而安全装置夹持装置和长管拖车端塞焊接连接，更换爆破片需拆卸、更换大部分附件。另外，由于高纯气体长管拖车密封性要求较高，各连接部位大部分采用焊接结构，管路系统内部、管路和端塞、管路和阀门都采用焊接连接，导致该类型设备不容易拆卸。据估算，如按照现有规范进行检验，单次检验成本以及由检验引起的间接成本占到整个设备价值1/3。

另一方面，由于高纯气体长管拖车运行特点，充装介质无腐蚀，充装次数少，无疲劳发生，管路系统采用对接焊缝连接，无组装应力，因此高纯气体长管拖车失效模式和普通长管拖车也不同，按照现有检验方法也不科学。

4 结论

目前长管拖车检验规范不适应于高纯气体长管拖车检验，我国缺少该类型设备既科学又经济的检验规范。高纯气种类较多，不同气体之间性质差异较大，国外根据充装气体种类和检验周期采用不同检验方法，以及对应的维保措施，目前普遍采用无损检验和水压试验相结合的检验方法，如DOT规定可以用声发射替代水压试验。在管路附件、安全附件方面，采用定期更换，根据充装介质不同，采用一个检验周期更换或者两个检验周期全部更换，包括管路、阀门、安全装置、端塞等，保障该类型车辆在国外长期运行。

5 发展和展望

针对高纯气体长管拖车制造、结构以及运行特点，设备应力循环次数少，不会发生腐蚀损伤，但是高纯气体长管拖车密封性要求高，针对该类型设备可能发生失效模式以及特点，结合该类型设备国外运行检验方法以及使用经验，积累高纯气体长管拖车失效模型，完善失效理论，建立以宏观检查、自动超声、测厚、声发射、硬度等项目为主的检验方法，采用开罐和不开罐相结合的检验方式，延长水压试验间隔，制定科学、合理、经济的检验方法，保障该类型设备的安全运行。

参考文献

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收稿日期：（2015-07-28）