通過分析影響真空度的主要因素及其影響規律,針對不同的影響因素提出了各自有利真空獲取和維持的解決方案,并將各措施具體地與抽真空工藝過程控制各環節相匹配,從而制定出較為科學的現行抽真空工藝流程。通過剖析現有工藝的局限性和研究成果,對抽真空工藝的現狀、發展趨勢提出建議。

1、引言

　　隨著低溫絕熱儲運行業的發展日趨成熟,對影響低溫絕熱貯運的各項研究也蓬勃開展起來。低溫絕熱主要分堆積絕熱、真空粉末(纖維)絕熱、高真空多層絕熱和高真空多屏絕熱幾種絕熱形式。其中高真空多層絕熱因絕熱性能好、工藝簡便獲得青睞,在小型低溫絕熱容器,乃至低溫槽車等領域廣泛運用,并具有逐步擴大應用領域的趨勢。

　　在影響多層絕熱性能的諸多因素中,真空度起到十分關鍵的作用。研究表明,當真空度較低即P > 10Pa時,真空度變化對熱導率的影響不大;當真空度為10 - 10^{- 2} Pa區間,隨著真空度的提高,熱導率急速下降;當真空度優于10^-3 Pa時,熱導率趨近恒定值。因此,一般夾層的表觀真空度要優于10^{- 2} Pa,多層絕熱才能充分發揮效果,達到良好的絕熱目的,如圖1所示。

　　獲取好的真空度成為制造優質高真空多層絕熱容器的關鍵之一,這就對抽真空工藝提出了苛刻的要求。抽真空過程不僅要求對夾層結構及內部各材料的物性和功能有全面的認識和理解,還要求確保工藝本身的科學性及穩定性。分析了影響真空的主要因素,就目前的抽真空工藝現狀進行了闡述,通過剖析現有工藝的局限性和研究成果,對抽真空工藝的發展提出了新看法。

圖1　多層絕熱的表觀真空度與有效熱導率的關系

2、影響真空的主要因素

2.1、多層絕熱材料

　　在高真空多層絕熱系統中,多層絕熱材料多采反射材料與間隔物相交替的組合方式。反射材料大多采用高反射率的鍍鋁薄膜等,充分利用其高反射率來減少輻射傳熱。而間隔物則用熱導率小的材料如尼龍網、玻璃纖維等,以增大接觸熱阻。同時還可將絕熱材料波紋化形成多層膜�；蛞詼炀]薄膜為基體,一面鍍鋁作為反射層,另一面涂以熱導率小的顆粒狀無機物SiO2 作為屏間隔物,以減小固體導熱,以上方法從不同程度上都能提高了絕熱性能。

　　多層絕熱材料的纏繞和包扎對抽真空的影響十分明顯。層數及密度過少不利于絕熱性能,但層數及密度的增加會造成抽真空阻力的增大,層間氣體不易被抽走,亦會由于層間真空度不佳而影響絕熱性能。常用的纏繞方法有兩種,其一是“螺旋”式纏繞法,其二是“筒體竹節”式纏繞法,真空技術網曾經有一文中對第一種方法給出了詳細描述。無論采用何種方法,都要求包扎均勻,并控制理想的層密度。

　　抽真空前的多層絕熱材料應進行規�；�干燥處理。目的是除去材料中的水分,脫除材料生產過程中附著的油脂、蠟、堿等影響抽空的物質,加快材料放氣,縮短將來的抽空時間。將經烘烤反射材料的放氣特性與未烘烤前進行實驗比較后,得出材料經烘烤后更容易抽至高真空,提高層間真空度。

2.2、筒體漏放氣

　　除了筒體自身會和多層絕熱材料一樣發生放氣現象外,通過筒體的漏氣速率對真空度的影響也不可忽視。通過筒體漏入的氣體主要是空氣,盡管其中含有少量的He, Ne, H2 , 但這些氣體都極不易被吸附�？諝庵饕�通過焊縫和各與夾層連通的密封結構等渠道進入夾層。因而在抽真空前,必須檢漏,確保真空夾層具有優良的密封性,從源頭上杜絕筒體漏氣對真空度的影響。

2.3、吸附劑

　　再好的絕熱容器也不可避免地存在一定程度上的材料和筒體漏放氣。使用吸附劑對于獲得并保持夾層在低溫下的真空度起到重要作用。夾層真空度壽命在很大程度上取決于吸附劑的特性、裝入量及其作用是否充分發揮。活性碳和5A 分子篩是低溫絕熱真空夾層中常用的兩種吸附劑,國內外許多學者給出了兩者在低溫低壓下吸附N2、O2、Ar, H2、He、Ne等氣體的吸附等文獻。N2、O2、Ar是空氣的主要成分,He、Ne在空氣中含量極少,但對高真空多層絕熱的危害不容忽視; H2 則是夾層放氣的主要組分。在漏氣(N2、O2、Ar)和材料放氣(主要是H2 )的兩個因素中,考慮到現有吸附劑在液氧、液氮溫度下不能吸附H2(吸附容量極小) ,目前常采用吸H2 劑(例如一氧化鈀)。

3、現行的主要抽真空工藝

　　目前,低溫高真空多層絕熱容器主要采取加熱和置換相結合的抽真空工藝。圖2給出了一套抽真空工藝流程。從中不難看出加熱爐I用來對絕熱容器進行加熱,而加熱爐II和III則用來加熱置換氣體,置換氣體選用氮氣。

圖2　抽真空工藝流程示意圖(范例)

3.1、抽真空工藝對設備的基本要求

　　抽真空系統一般由抽空工裝、抽空裝置、真空測量、溫度測量和控制等組件組成。抽空裝置一半包括抽氣管路、閥門、真空泵或真空機組等。真空測量主要指真空計。對于主泵和前級泵的選配主要根據所需抽速和時間來選取。抽真空涉及的管路所用材料應滿足以下條件:

　　(1)氣密性好;

　　(2)內部表面吸氣量盡量少,若有吸氣應易于除氣;

　　(3)化學性能穩定;

　　(4)熱穩定性好;

　　(5)避免能儲氣的死角。

3.2、夾層加熱

　　加熱可以活化吸附劑,釋放被吸附劑吸附的殘余氣體。在高溫下,氣體的分子動能加強,有利于被抽吸。同時高溫加速了材料的放氣速率,為日后真空度的維持提供了保障。對夾層的加熱可通過兩種途徑實現:外加熱和內加熱方式。圖2中所選用的為外加熱方式。外加熱方式通常在絕熱容器外筒體上包裹加熱毯,而內加熱方式則是向內容器內放入加熱棒。兩種方式都無法直接加熱內容器壁面和夾層多層絕熱材料。通常多層絕熱材料貼附在內筒體外壁面上,當夾層壓力較低時,外筒體壁面經過夾層傳遞到絕熱材料上的熱量很少,主要通過輻射換熱。相比較,采用內加熱時,內容器內受熱氣體與內壁面對流換熱,再經由固體導熱將熱量傳遞給絕熱材料,這種方式加熱更為直接。對內加熱抽空方式的容器內筒體進行了溫度場測量,研究結果表明,盡管內部氣體溫度分層十分明顯,但內筒體受熱較為均勻,這也就意味絕熱材料受熱均勻。

　　實踐證明,在抽真空過程中加熱,升高材料的溫度是加速材料表面出氣、縮短排氣時間的最有效的方法。但真空絕熱容器的加熱不能過高,因為絕熱材料、容器中的一些釬焊件,以及一些密封元件等不能經受高的溫度。通常,鍍鋁滌綸薄膜在空氣環境下的加熱溫度不能高于100 ℃,在真空或氮氣氣氛中的加熱溫度以小于150 ℃為宜�？梢�,高真空多層絕熱低溫容器的加熱溫度不能高于150 ℃。因而有必要制定合適的加熱方法,以提高容器的抽氣質量和縮短抽氣時間。

　　抽真空過程開始前,應使容器夾層空間所有元件(構成夾層空間的器壁表面、吸附劑、玻璃紗、鍍鋁薄膜以及玻璃布) ,最均衡地加熱到可能的最高溫度,并且要在整個抽空過程中維持這個溫度。這就是在抽空前要實行預熱。假若是在抽空過程中將夾層空間的元件加熱到給定的溫度,則要費很長的時間才能達到所需溫度,因為隨著真空度提高,絕熱性能改善,普通雙層容器即變成杜瓦容器 。

3.3、夾層置換

　　在多層絕熱材料中吸附了大量的不凝性氣體,這些氣體的不斷釋放會使絕熱空間的真空變惡劣,并使絕熱性能降低。由于這些氣體也不易被吸附劑吸附,只有通過抽離夾層空間才能確保維持夾層真空度。通過通入大量干燥高純度易冷凝或易吸附氣體進行置換可實現該目的。目前常用的高純度干燥氣體為CO2 和N2。

　　CO2 冷凝真空是向真空夾層中充入常壓CO2 ,在低溫工作時CO2 冷凝結霜以獲得真空的一種方法。早在20世紀60年代,美國國家標準局進行了冷凝真空的試驗研究,認為CO2、SO2 和NO是3種較為適用的氣體,最后選用CO2 作為冷凝真空用氣體,因為CO2 易于獲得相當純的狀態,價格低,無毒性,其窒息性低于SO2 和NO。除了CO2 外,高純度干燥N2也是常用的置換氣體。高純度干燥N2 造價低,易于獲取,且對環境無害,同時,在低溫環境下,吸附劑可大量吸附N2 ,從而維持真空度。

　　在向夾層空間通入置換氣體時,應注意以下幾點:

　　(1)置換氣體必須相當干燥(如干燥的高純氮氣、高純度二氧化碳氣等) ;

　　(2)置換氣體放進絕熱腔時速度要緩慢,否則容易會沖壞多層絕熱材料而惡化絕熱性能;

　　(3)盡可能采用經加熱的氣體進行置換,這樣既可以防止水汽生成,又可以進一步活化吸附劑;

　　(4)通入置換氣體后,應關閉各閥門,停止抽真空一段時間,使得夾層內充分換熱及置換。研究表明, CO2 置換抽真空方法的抽真空時間雖然較長,但在日蒸發率、冷態真空度和日蒸發率這幾個方面的表現都優于單純的抽真空方法。配合加熱環節后,能縮短抽空時間。

4、抽真空工藝總結與展望

　　抽真空工藝的好壞直接影響真空度的獲得與維持�，F行的抽真空工藝利用加熱與置換相結合的方式,可以較好較快地實現高真空,但在應用上也存在一定的局限性。

　　(1)加熱方式的選擇。對于小型立式低溫絕熱容器,可以采用推薦的內加熱抽真空工藝,但對于臥式儲罐或大型低溫容器,主要采用外加熱方式,若采用合理的內筒內管路布置,同樣可以采用內加熱抽空。

　　(2)夾層溫度的控制。夾層吸附劑除氣溫度越高越容易活化,而過高的溫度對容器釬焊部分以及多層絕熱材料的性能都不利,因而選取理想的加熱最高溫度很關鍵。其次,目前對夾層內的溫度難以監控,無法判定夾層實際溫度,所以在加熱時如何控制確保夾層溫度恒定及加熱氣體的流場分布處于合理狀態也是日后研究的一個方向。

　　(3)抽真空工藝的規�；�設計。在低溫絕熱容器批量生產流水線上,要實現規�；�抽真空工藝,則要求對工藝流程進行合理設計,包括置換氣體加熱系統、氣體流量控制系統、夾層加熱系統等的規劃。隨著對真空理論的完善和對抽真空工藝認識的深入,工藝中現有的問題和限制會隨著理論和經驗的積累逐步得到解決和完善,進一步解決低溫壓力容器制造過程中抽真空的瓶頸問題和降低抽空過程的能耗。