高純氣體長管拖車結(jié)構(gòu)特點及定期檢驗問題
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駱輝1 薄柯1李邦憲1 張君鵬1黃強(qiáng)華2
(1．中國特種設(shè)備檢測研究院北京 100029)(2.全國氣瓶標(biāo)準(zhǔn)化委員會北京 100029)
摘要：介紹高純氣體長管拖車的結(jié)構(gòu)特點以及使用特點，氣瓶和管路技術(shù)特性與普通長管拖車區(qū)別，在運(yùn)行中存在充裝介質(zhì)無腐蝕性、充裝次數(shù)少等特點，指出當(dāng)前檢驗方法基于普通長管拖車失效模式制定，不適應(yīng)與高純氣體長管拖車檢驗，會對設(shè)備造成極大破壞，并且檢驗方法不科學(xué)，應(yīng)根據(jù)高純氣體長管拖車失效模式以及結(jié)構(gòu)特點，制定適應(yīng)于高純氣體長管拖車檢驗方法，保障設(shè)備的安全運(yùn)營。
關(guān)鍵詞：長管拖車高純氣體定期檢驗 中圖分類號：X933.4
文章編號：1673-257X(2016)03-0035-05 DOI：10.3969/j .issn.1673-25 7X．2016. 03. 008
長管拖車用于高壓永久氣體運(yùn)輸，在天然氣、氫氣、氦氣儲運(yùn)方面有著廣泛應(yīng)用，目前在我國已有近20年的運(yùn)行歷史，保有量近萬輛。目前，該類型設(shè)備按照TSG R7001-2013《壓力容器定期檢驗規(guī)則》附件D.長管拖車、管束式集裝箱定期檢驗專項要求進(jìn)行定期檢驗，該檢驗標(biāo)準(zhǔn)實施，排除設(shè)備安全隱患，保障長管拖車安全運(yùn)行，長管拖車運(yùn)行至今未發(fā)生重大特種設(shè)備安全事故。
高純氣體長管拖車，用于充裝純度大于99.999%且氣體含水量小于1mg/L的氣體，如NF3、SiH4、N2O、H C l等。該類型氣體應(yīng)用在集成電路、芯片、半導(dǎo)體、太陽能等領(lǐng)域，為提高產(chǎn)品性能，對氣體純度、干燥度、潔凈度等方面有極高的要求，為保證充裝氣體純度及穩(wěn)定性，避免儲運(yùn)設(shè)備對氣體造成污染，該類型設(shè)備和普通長管拖車相比，雖然整體機(jī)構(gòu)類似，但在很多技術(shù)特性方面極大不同。根據(jù)用戶調(diào)查，目前該類型設(shè)備市場保有量在100臺，伴隨我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級，對該類型設(shè)備的需求也在增加，預(yù)計將來保有量在250臺。
該類型設(shè)備同樣用于高壓氣體儲運(yùn)，某些氣體介質(zhì)易燃、易爆、劇毒，為保障其安全運(yùn)行，需要定期檢驗，由于該類型設(shè)備結(jié)構(gòu)、使用特點，如按照現(xiàn)有法規(guī)進(jìn)行定期檢驗，給設(shè)備帶來極大損傷，檢驗成本巨大，某些檢驗項目也不適應(yīng)該類型設(shè)備，因此需要分析該類型設(shè)備結(jié)構(gòu)、使用情況，研究檢驗方法。
1普通長管拖車結(jié)構(gòu)
通常，長管拖車由8～12只大容積無縫氣瓶，管路、管件、閥門、安全裝置、框架等部分組成，見圖1，分別為框架式和捆綁式長管拖車。
鋼瓶由無縫鋼管經(jīng)旋壓、熱處理制成，設(shè)計、制造標(biāo)準(zhǔn)同為DOT 3AAX或者DOT 3T，表面狀態(tài)為噴丸。管路由不銹鋼無縫鋼管經(jīng)氬弧焊焊接而成，管路材料通常為304，316L，OCr18Ni9等，管徑通常為1／4"/～1"，采用承插焊或?qū)雍附咏Y(jié)構(gòu)，管路、閥門、端塞、管件之間聯(lián)系采用螺紋方式連接。閥門結(jié)構(gòu)采用球閥或者截止閥，對于普通長管拖車，充裝天然氣車輛，只需要控制處于開或者關(guān)，因此主要采用材質(zhì)為316L的球閥，充裝氫氣、氦氣介質(zhì)的車輛，需要控制流速，防止氣流速度過快，多采用材質(zhì)為黃銅的截止閥。
通過閥門和管路將鋼瓶并聯(lián)成整體，每只氣瓶可以單獨使用，也可以整體使用，該類型長管拖車用來充裝工業(yè)純氣，含水量要求通常在5mg/L以下，如氫氣、氦氣、天然氣等。
2高純氣體長管拖車特點
2.1高純氣體長管拖車結(jié)構(gòu)特點
和普通長管拖車類似，高純氣體長管拖車由8～12只大容積無縫氣瓶、管路、閥門、安全裝置、框架等部分組成，見圖2，由于充裝介質(zhì)的特殊要求，這些零部件結(jié)構(gòu)、性能特點和普通長管拖車差異很大。
●2.1.1氣瓶部分
高純氣體長管拖車用大容積無縫氣瓶，其材料、加工工藝、熱處理狀態(tài)、結(jié)構(gòu)形式等方面和普通長管拖車用大容積無縫氣瓶相同，不同地方在于氣瓶內(nèi)部狀態(tài)。普通鋼瓶內(nèi)部狀態(tài)為噴丸表面，滿足純度在99.99%以下介質(zhì)充裝需求。如氣瓶需要充裝高純氣體，由于鋼材表面細(xì)小顆粒、毛刺等存在，一方面會吸附水分等雜質(zhì)，在一定條件下會從基體中析出，進(jìn)入充裝介質(zhì)，使介質(zhì)中水粉含量超標(biāo)，另一方面，在顆粒、毛刺等尖端部分和充裝介質(zhì)發(fā)生復(fù)雜、緩慢化學(xué)反應(yīng)，如長時間存放介質(zhì)，使得介質(zhì)中金屬離子含量超標(biāo)。
因此，為避免氣瓶對氣體污染而影響純度，氣瓶首先經(jīng)過研磨處理，去除表面顆粒物、毛刺等，研磨分為粗磨和精磨兩個過程，使用不同磨料，經(jīng)數(shù)十小時研磨，表面粗糙度達(dá)到3S，達(dá)到鏡面效果，見圖3，其次進(jìn)行清洗，清洗介質(zhì)為高溫去離子水，水溫通常為70℃，以避免水中各種離子吸附在金屬表面，如充裝介質(zhì)具有強(qiáng)氧化性，例如N，O，還要進(jìn)行脫脂處理，最后，為清除已吸附在鋼材基體中的水分，還需要對鋼瓶進(jìn)行加熱、抽真空、置換等處理，將水分排盡，最終氣瓶介質(zhì)含水量達(dá)到小于1mg/L。在投入使用前，根據(jù)充裝介質(zhì)，還需要在氣瓶內(nèi)充入相應(yīng)氣體介質(zhì)，形成鈍化層，避免充裝介質(zhì)和鋼材產(chǎn)生作用，影響純度。
●2.1.2管路系統(tǒng)部分
高純氣體長管拖車管路材料為304，316L，和普通長管拖車管路相比，不同之處在于．1）對管路表面狀態(tài)要求，采用的管路為拋光管，管路經(jīng)過拋光、鈍化處理，表面粗糙度在0.4μm以下。2）管路、閥門、端塞之間連接方式，全部采用對接焊接，見圖4，采用焊接方式，降低泄漏風(fēng)險，一方面降低有毒介質(zhì)泄漏造成危害的風(fēng)險，另一方面避免因泄漏點存在，造成環(huán)境中水分滲透，導(dǎo)致介質(zhì)純度降低。3）管路成型方式，高純氣體長管拖車管路切割、彎管、邊角處理都有特殊要求，避免對管道光潔度造成破壞，要求在高純氬氣吹掃下進(jìn)行，焊接接頭采用夾具對齊，接頭為對接形式，焊縫兩側(cè)采用丙酮清洗，且焊接接頭在全封閉條件下進(jìn)行，焊接過程以及焊接前、后使用高純氬氣吹掃，防止空氣混入，為自熔全焊透焊縫。4）管路安全檢測，普通長管拖車管路采用水壓進(jìn)行檢測，而該管路系統(tǒng)采用高純氣體進(jìn)行氣壓試驗，試驗壓力一般為設(shè)計壓力的1.25倍，嚴(yán)禁采用水壓試驗，此外，高純氮氣管路系統(tǒng)還有進(jìn)行氮氣吹掃，氦檢漏，含氧量檢測，以及微粒子檢測等。
●2.1.3閥門部分
高純氣體工業(yè)中，主要采用隔膜閥或者波紋管閥，高純氣體長管拖車中的閥門選用隔膜閥．圖5為用于充裝高純氣體氣瓶的隔膜式瓶閥，主要有手動和氣動兩種類型。該閥門依靠金屬膜片實現(xiàn)閥腔和外界完全隔離，保證了密封可靠性，為提高密封性，對零部件加工工藝、彈簧精度、組裝也有很高要求，為提高抗吸附能力，該類型閥門部分組件經(jīng)過拋光、噴涂處理，該類型閥門死區(qū)較小，避免部分氣體殘存，為避免空氣或外界顆粒物、粉塵影響，閥門組裝、維修、包裝都在潔凈車間內(nèi)進(jìn)行，對閥門的試驗，使用高純氣體進(jìn)行。到目前為止，我國還不具備對該類型閥門的生產(chǎn)、維修能力，高純氣體工業(yè)用閥門，全部依賴進(jìn)口。
●2.1.4其他部分
端塞和氣瓶連接采用螺紋連接，為提高密封性，采用多道密封，通常為3道，見圖6，第1、2道為O型圈，不同充裝介質(zhì)采用不同材料，如SiH4采用氟橡膠，N，O采用硅橡膠，NH3采用乙丙橡膠等，而普通長管拖車，根據(jù)目前使用情況，普遍采用氟橡膠。第
3道密封結(jié)構(gòu)在端面處，為聚四氟乙烯墊片。
普通長管拖車，通過快裝接頭、螺紋和充氣氣源相連，而高純氣體長管拖車接頭型式普遍采用CGA標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)不同介質(zhì)、壓力、純度，CGA規(guī)定了200多種接頭類型，避免不同介質(zhì)混裝，如SiH4采用CGA-350，N2O采用CGA-326，NH3采用CGA-705/240。
在安全泄放裝置方面，普通長管拖車根據(jù)《移動式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》要求，除充裝高度危害介質(zhì)以外，在氣瓶一端或者兩端裝有安全泄放裝置，通常為爆破片或者爆破片易熔合金塞組合結(jié)構(gòu)，爆破片結(jié)構(gòu)形式便于爆破片更換。高純氣體長管拖車進(jìn)口國外，制造企業(yè)按照CGA S l-1要求配置安全裝置，部分高純氣體長管拖車安全泄放裝置配置不符合我國安全法規(guī)要求，如充裝NF3長管拖車，按照我國規(guī)范要求，必須安裝安全裝置，而CGA Sl-1規(guī)定該類型車輛可以不安裝安全裝置。此外，為降低泄漏風(fēng)險，安全裝置采用焊接結(jié)構(gòu)，使得爆破片更換非常困難。
2.2高純氣體長管拖車使用特點
高純氣體長管拖車，充裝是高純氣體，由于氣體純度高，含水量很低，因此氣體對氣瓶基本無腐蝕，根據(jù)檢驗經(jīng)驗，該類型長管拖車氣瓶，在運(yùn)行3年后，氣瓶內(nèi)表面依然保持金屬光澤。高純氣體長管拖車充裝次數(shù)少，據(jù)統(tǒng)計，每月充裝次數(shù)不超過3次，而普通長管拖車，設(shè)計、計算模型基于壽命周期內(nèi)15000次，每天充裝2次，我國目前長管拖車使用壽命20年，在高純氣體長管拖車壽命周期內(nèi)，充裝次數(shù)在720次，因此不會發(fā)生疲勞現(xiàn)象。此外，高純氣體長管拖車氣瓶公稱工作壓力為2400×0.006895MPa=16.5MPa，其附件按照該壓力選型，而運(yùn)行壓力較低通常不超過12MPa，因此該類型設(shè)備運(yùn)行壓力低于氣瓶公稱工作壓力，因此該類型設(shè)備安全性較高。
3長管拖車定期檢驗技術(shù)
我國運(yùn)行的長管拖車按照TSG R7001-2013進(jìn)行定期檢驗，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢驗方法，基于普通長管拖車的結(jié)構(gòu)特點、失效模式、損傷機(jī)理和使用工況制定，而高純氣體長管拖車結(jié)構(gòu)形式、失效模式和普通長管拖車有很大區(qū)別，因此部分檢驗方法不適應(yīng)與高純氣體長管拖車。
3.1普通長管拖車定期檢驗
根據(jù)我國法規(guī)要求，普通長管拖車定期檢驗分為瓶體檢驗、附件檢驗、安全附件檢驗。瓶體主要缺陷類型有瓶體應(yīng)力腐蝕、疲勞裂紋，腐蝕，機(jī)械、熱損傷，氣瓶螺紋磨損等，針對該類型缺陷，氣瓶檢驗分為拆卸檢驗和不拆卸檢驗，拆卸檢驗進(jìn)行宏觀檢查、測厚、自動超聲、磁粉和水壓試驗，不拆卸檢驗進(jìn)行宏觀檢查、測厚和聲發(fā)射檢驗，而首次定期檢驗需進(jìn)行拆卸檢驗。附件主要為端塞、管路、閥門系統(tǒng)，主要缺陷類型為裝配應(yīng)力引起管件開裂、螺紋損傷、磨損等，以及非法維修引起的焊縫開裂等，檢驗中進(jìn)行宏觀檢查、滲透檢測和水壓試驗，閥門主要失效模式是泄漏，檢驗過程中進(jìn)行氣密試驗，維修或者更換失效閥門。安全附件部分，主要包含安全裝置、壓力表等，由于爆破片充裝過程中發(fā)生疲勞，在定期檢驗中全部進(jìn)行更換，此外，壓力表進(jìn)行校驗。
3.2高純氣體長管拖車定期檢驗問題
由于高純氣體長管拖車結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點，如按照目前規(guī)范進(jìn)行定期檢驗，既不科學(xué)也不經(jīng)濟(jì)。在氣瓶方面，由于該氣瓶內(nèi)表面經(jīng)過特殊處理，水壓試驗將給內(nèi)表面帶來極大破壞，內(nèi)表面發(fā)生銹蝕，水分重新吸附金屬基體，需要投入巨大成本重新進(jìn)行處理才能達(dá)到使用要求。在管路方面，對管路進(jìn)行水壓試驗，同樣會污染管路，水分、水分中雜質(zhì)滯留管路中，很難清除，會對充裝氣體純度造成很大影響。對于閥門，常規(guī)進(jìn)行氣密試驗，由于高純氣體對泄漏性要求更高，氣密試驗的精密度不能滿足高純氣體長管拖車需要，此外，氣密試驗所用介質(zhì)中的固體微粒還會損傷閥門密封面，影響閥門密封性。在安全裝置方面，為減少泄漏點，爆破片和夾持裝置采用焊接連接，而安全裝置夾持裝置和長管拖車端塞焊接連接，更換爆破片需拆卸、更換大部分附件。另外，由于高純氣體長管拖車密封性要求較高，各連接部位大部分采用焊接結(jié)構(gòu)，管路系統(tǒng)內(nèi)部、管路和端塞、管路和閥門都采用焊接連接，導(dǎo)致該類型設(shè)備不容易拆卸。據(jù)估算，如按照現(xiàn)有規(guī)范進(jìn)行檢驗，單次檢驗成本以及由檢驗引起的間接成本占到整個設(shè)備價值1／3。
另一方面，由于高純氣體長管拖車運(yùn)行特點，充裝介質(zhì)無腐蝕，充裝次數(shù)少，無疲勞發(fā)生，管路系統(tǒng)采用對接焊縫連接，無組裝應(yīng)力，因此高純氣體長管拖車失效模式和普通長管拖車也不同，按照現(xiàn)有檢驗方法也不科學(xué)。
4結(jié)論
目前長管拖車檢驗規(guī)范不適應(yīng)于高純氣體長管拖車檢驗，我國缺少該類型設(shè)備既科學(xué)又經(jīng)濟(jì)的檢驗規(guī)范。高純氣種類較多，不同氣體之間性質(zhì)差異較大，國外根據(jù)充裝氣體種類和檢驗周期采用不同檢驗方法，以及對應(yīng)的維保措施，目前普遍采用無損檢驗和水壓試驗相結(jié)合的檢驗方法，如DOT規(guī)定可以用聲發(fā)射替代水壓試驗。在管路附件、安全附件方面，采用定期更換，根據(jù)充裝介質(zhì)不同，采用一個檢驗周期更換或者兩個檢驗周期全部更換，包括管路、閥門、安全裝置、端塞等，保障該類型車輛在國外長期運(yùn)行。
5發(fā)展和展望
針對高純氣體長管拖車制造、結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行特點，設(shè)備應(yīng)力循環(huán)次數(shù)少，不會發(fā)生腐蝕損傷，但是高純氣體長管拖車密封性要求高，針對該類型設(shè)備可能發(fā)生失效模式以及特點，結(jié)合該類型設(shè)備國外運(yùn)行檢驗方法以及使用經(jīng)驗，積累高純氣體長管拖車失效模型，完善失效理論，建立以宏觀檢查、自動超聲、測厚、聲發(fā)射、硬度等項目為主的檢驗方法，采用開罐和不開罐相結(jié)合的檢驗方式，延長水壓試驗間隔，制定科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)的檢驗方法，保障該類型設(shè)備的安全運(yùn)行。
