焊接绝热气瓶静态蒸发率定压测量

李 斌李正清，李小金，罗 云，蔡宇宏，马 鑫

（1.重庆市特种设备检测研究院，重庆 401120；2.兰州空间技术物理研究所，兰州 730000）

0 引言

天然气等清洁能源的发展得到了国家的大力提倡，获得了快速发展机会，天然气在汽车领域以CNG及LNG的形式进行贮存并作为汽车燃料。在同等体积下LNG具有贮存量大，使用安全等特点，使其迅速得到了推广应用。目前国内以LNG为燃料的公交车、客车及卡车在经济发达省份获得了快速的发展，因此LNG贮存容器——焊接绝热气瓶也在国内快速发展，但国内焊接绝热气瓶性能的定检测试相对滞后。焊接绝热气瓶的定检测试可以进行真空性能测量或静态蒸发率测量，其中静态蒸发率测量是一种相对比较简单可行的测试方法，而且测试结果反映了焊接绝热气瓶的整体综合性能，可以有效确保LNG为燃料的公交车、客车及卡车焊接绝热气瓶的使用安全。

1 静态蒸发率定压测试方法

目前焊接绝热气瓶静态蒸发率定检性能测量参照国标GB/T 18443-2010.5执行，测试过程要求气瓶放气至环境压力，然后静置48 h以上，测试时间不少于24 h，使得静态蒸发率的测试过程繁琐，耗时长，且该项标准制定是针对新研制产品，不适合LNG为燃料的公交车、客车及卡车的焊接绝热气瓶进行大规模的定检，因此对于焊接绝热气瓶静态蒸发率定检测量需要设计新的测试手段或方法，以便更加适用于市场上广泛使用LNG为燃料的公交车、客车及卡车的焊接绝热气瓶静态蒸发率的定检测量。

1.1 焊接绝热气瓶特点

LNG为燃料的公交车、客车及卡车的焊接绝热气瓶相对于新研产品型式试验使用的焊接绝热气瓶具有的特点：（1）热稳定状态。新研产品型式试验使用的焊接绝热气瓶为新品，在进行静态蒸发率测试前没有充装过液氮或其他低温介质，测量静态蒸发率时为首次充装，因此需要充分的时间使其进入热稳定状态；定检焊接绝热气瓶使用规程中一直在充装低温介质，本身就处于热稳定状态。（2）盛装低温介质，新制型式试验进行静态蒸发率的测量一般使用液氮，定检焊接绝热气瓶使用范围很广，贮存的低温介质有LNG、液氮、液氧、液氩等。若按照型式试验的要求执行需要将在用气瓶内的液体进行置换，而气瓶低温介质置换流程是较为繁琐的。（3）测试状态，新制型式试验使用焊接绝热气瓶进行试验在车间，气瓶为单独放置的新品，易于进行各项测试；定检焊接绝热气瓶一般安装在使用的设备上，如公交车、卡车等，拆卸是非常不方便的。

2 焊接绝热气瓶静态蒸发率定压测量实验装置

根据定检焊接绝热气瓶的特点设计如图1所示静态蒸发率定压方案。方案由：气瓶、阀门、压力测量、升温器、质量流量计、调压阀门、阻火器等组成。其中气瓶为实验测试对象；阀门用于整个测试过程的启停；压力测试为整个测试过程中压力的监量，监测在定压测试工程中压力的变化在要求范围内；升温器使得测试过程中气瓶内的低温气体在流经此管道时与环境换热，确保流进流量的气体温度满足使用要求；调节阀门用于测试中调节整个测试系统的压力，确保测试过程中压力的稳定。该测量方案中利用焊接绝热气瓶本身处于热稳定状态的特点，可以减少静置热稳定过程的时间，有效缩短测量准备时间；对于被测低温介质为可燃气体的，设置了阻火器和甲烷报警器，可直接在使用场地进行现场测量，无需进行低温介质的置换以及焊接绝热气瓶从使用现场拆卸。

2.1 气体质量流量计

根据焊接绝热气瓶的测试条件要求可选用普通气体质量流量计（热式）或湿式气体质量流量计。由于湿式气体质量流量计测试过程中需要进行加湿处理，设备体积较大，因此试验中选用普通气体质量流量计进行定压条件下静态蒸发率的测试。根据国家标准规定，焊接绝热气瓶的最大容积为450 L，要求其静态蒸发率不超过1.8%/d，以液氮为例，经换算其对应的气体质量流量为3.62 L/min，按照定期检测规范要求定检焊接绝热气瓶静态蒸发率不大于出厂值的2倍，因此在合格的情况下，定检焊接绝热气瓶静态蒸发率测量上限为7.24 L/min，同时考虑到其他一些气瓶可能存在性能不符合要求的情况，将量程适当增大，因此选用测量上限为10 L/min的质量流量计，精度要求优于1.0%。

2.2 调节阀门

调节阀门用于控制和调节整个系统的测试压力，实现焊接绝热气瓶在工作压力下静态蒸发率的定压测试。为了降低压力波动对测试过程的影响，对比常压测试中一般环境压力在24 h内的波动在1.4 kPa以内，要求在定压测试过程中系统稳定后，压力传感器测试到的压力波动在1.0 kPa以内，确保测试中蒸发率的稳定。

2.3 安全系统

为了整个测试过程中的安全，设置的安全设施主要有：阻火器、可燃气体探测报警器、现场配备灭火器等组成。

阻火器的功能是阻止火焰的传播，在测试排放出口如果出现明火在管道内进行燃烧传播时，及时的阻止火焰，使得火焰在阻火器内部熄灭。可燃气体报警器需要根据不同的可燃气体进行选取对应的报警器，设置报警上线，在可燃气体发生泄露的情况下，及时的进行报警提醒，以便采取应对措施，目前焊接绝热气瓶贮存的可燃气体主要是LNG，因此在测试现场选用甲烷报警器。灭火器是在发生意外着火的情况下，测试人员及时的使用灭火器扑灭明火，确保测试现场的安全。

3 实验结果及分析

3.1 实验数据处理

焊接绝热气瓶的静态蒸发率定检测量过程中，采集的数据主要有焊接绝热气瓶压力pw（Pa）、环境温度ta（℃）、气体质量流量计累计流量Vc（m3），测试时长t（min）。焊接绝热气瓶的测试静态蒸发率α0（%/d）由式（1）[6]计算：

式中：ρl为标准大气压下饱和液体的密度；V为被测焊接绝热气瓶有效容器；ψ为气体质量流量计校准系数，标定时给定值；qm为蒸发气体质量流量日平均值，根据国标要求，测试静态蒸发率值进行温度及压力修正，修正后的测试静态蒸发率值为焊接绝热气瓶静态蒸发率最终值α20，由式（2）[6]计算：

式中：h为焊接绝热气瓶内实验压力下饱和液体的气化潜热；hfg为标准大气压下饱和液体的气化潜热；Ts为标准大气压下饱和液体温度；T1为试验时平均环境温度；T2为试验时焊接绝热气瓶日平均压力对应的液体饱和温度。

3.2 实验结果及分析

测试中使用的气瓶容器175 L，分别在0.1 MPa、0.3 MPa、0.8 MPa及1.0 MPa压力下进行了测量，实验使用低温介质为液氮，测试结果如表1所列。测试过程中流量与压力随时间的变化如图2所示。

通过表1可以看到，随着压力的升高，测试静态蒸发率增加，而且压力越高增加越为明显，原因是由于随着压力的升高，液氮的气化潜热明显下降，使得吸收同样热量需要的气体量显著增加，使得蒸发量出现增加，同时压力升高使得气瓶内部饱和液体的温度升高，导致内部与环境之间的温差减小，从而使得静态蒸发率降低；在气化潜热和温差两者的共同作用下，最终导致气瓶的静态蒸发率升高。

表1 焊接绝热气瓶静态蒸发率测试值Table1 Welded Insulated Cylinders Static Evaporation rate Measure Results

图2 焊接绝热气瓶定压测试流量及压力的变化曲线Fig.2 The profile of flow rate and pressure in using welded insulated cylinders static evaporation rate measuring

图2显示了测试气瓶压力及流量随着测试时间的变化。可以看到在压力较低时，测试压力的波动很小，如图2（a）所示，但是当压力增加至0.8 MPa时，如图2（c）所示，压力的波动增加，这是由于随着压力的增加，气瓶内部气体的流动变得复杂和剧烈，也使的在压力较高的条件下，系统稳定的时间进一步的增加。同时随着压力的增加，测试流量的变化表现的更为稳定，体现了压力增加使得气瓶内部气相空间气体的质量增加，致使测试中流出气瓶的气体仅占焊接绝热气瓶内气体质量的很小一部分，从而使得气体的流动显得更加稳定。从图2（b）～（d）可以看到，静态蒸发率测量中压力稳定后，流量随之稳定，时间均在200 min左右，可见在定压测试中可以根据压力稳定后继续测试2～3 h，测试的结果直接作为气瓶静态蒸发率的计算值，使得整个测试时间不长于8 h，相对于传统的测试方法有效的缩短了测试时间，提高了测试效率。

4 结论

焊接绝热气瓶静态蒸发率测量是定检规范规定的必测项目之一，实现焊接绝热气瓶的定压测量相对于目前正在执行的国标测试流程，焊接绝热气瓶静态蒸发率的定检定压测量充分利用了焊接绝热气瓶热稳定性的特点，在实际应用测试时焊接绝热气瓶定压测量过程中不需要进行放气至常压状态，可以直接在气瓶的工作压力下进行静态蒸发率的测量。对于测试中可能存在危险的低温介质，配备安全系统，当测试存在危险时，能够及时报警并处理，在完成静态蒸发率测试的同时确保测试人员及设备的安全。可以看到静态蒸发率定压测试可以有效减少测试气体的排放，缩短测试时间，提高定检的测试效率，对于提高行业检测焊接绝热气瓶静态蒸发率效率具有重要意义。

[1]黄永华，陈国邦.低温流体热物理性质[M].北京：国防工业出版社，2014.

[2]郑建朋，崔晨，陈六彪，等.低温推进剂贮箱绝热性能实验研究[J].真空与低温，2016，22（1），26-29.

[3]华自强，张忠进.工程热力学[M].北京：高等教育出版社，2004.

[4]陈国邦，包锐，黄永华.低温工程技术[M].数据卷.北京：化学工业出版社，2006.

[5]朱保国，李晓明，宋启祥，等.液化天然气储罐安全技术分析[J].石油化工设备，2010，39（1）：86-89.

[6]中国锅炉压力标准化委员会.GB/T18443-2010.5.静态蒸发率测量[S].北京：中国标准出版社，2010.

[7]陈叔平，任永平，殷劲松，等.撬装式LNG汽车加气站的应用[J].燃气与热力，2010，30（10）：11-14.

[8]中国国家标准化管理委员会.GB24159-2009.焊接绝热气瓶[S].北京：中国标准出版社，2009.