真空測量裝置的流導對測量真空度的影響

李安康，譚 浩，黃歡明

（1.海軍駐上海711所軍事代表室，上海 201108；2.上海船用柴油機研究所，上海 201203）

0 引言

真空絕熱裝置是低溫深冷液化氣體儲運容器絕熱裝置的一種，廣泛應用于裝載LNG、液氮、液氧等船用低溫容器上。夾層的真空度是影響低溫容器真空絕熱性能的主要因素。一旦低溫容器的夾層真空喪失或者不夠，內罐儲存的深冷液體吸熱氣化導致內罐壓力急劇上升，嚴重威脅到容器的安全使用[1]。因此，真空絕熱容器的夾層真空度必須保持在標準規定的范圍內并且要定期檢驗。目前一般利用安裝在容器上的真空計規管直接測量夾層的真空度[2]。

大多低溫絕熱容器與真空規管采用焊接連接，一旦規管損壞則很難進行更換，且規管破損后會造成漏氣，破壞夾層的真空度，給容器帶來很大的安全隱患[3]。改變低溫容器與真空規管的連接方式，合理設計真空測量裝置愈發重要。真空度測量結果不僅取決于真空計規管本身的測量精度及“氣沉效應”與“氣源效應”等因素[4]，還與真空測量裝置的流導有關，但缺乏相關的試驗研究。所以開展真空測量裝置的流導對真空度影響的試驗研究，對設計真空測量裝置具有指導意義。

模擬了高真空多層絕熱低溫容器真空測量系統的實際工況，對比兩種不同真空測量裝置的真空度測量結果，以此驗證增大真空測量裝置的流導能提高真空度的測量精度。

1 流導對真空度測量的影響分析

若管路元件的兩端存在壓力差p1-p2，則元件中將有氣流從高壓側流向低壓側。流經元件的流量大小與元件兩端壓力差成正比如式（1）。

式中：Q為流經元件的流量，Pa·m3/s；C為比例常數，稱為流導，m3/s。流導是表征真空管道傳輸氣體的能力，真空管道的流導越大，在一定的氣體抽速下，管道兩端的壓差越小。

如圖1所示，真空規管通過導管與被測系統相連，規管的抽氣或放氣引起的壓力變化速率為：

式中：V為規管的容積，m3；C為導管流導，m3/s；Q為規管的抽（放）氣量，Pa·m3/s，Q＞0，規管放氣，Q＜0，規管抽氣。當壓力平衡時，只要真空規管存在抽氣和放氣作用，測量值會因為Q/C的不同而帶來誤差，由式（3）可以看出對于真空測量系統，系統配備的真空導管的流導越大，其真空規管測得真空度和真空室內真空度越接近。

圖1 真空測量系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of the vacuum measurement system

2 真空測量裝置設計

為了驗證增大真空測量裝置的流導能提高真空度的測量精度，設計兩種真空測量裝置，裝置一（原裝置）由一段Ф40直管、一支超高真空角閥、一支三通、一段Ф20彎頭和一段Ф20直角彎頭等管路及閥件串聯而成，如圖2所示。裝置二（為改進裝置）是在真空角閥的出口連接一個內徑Ф60 mm小容器，在小容器的筒體上開兩個孔Ф30 mm，每個孔分別連接一支真空規管，如圖3所示。

圖2 原真空測量裝置圖Fig.2 Diagram of the original vacuum measurement structure

圖3 改進真空測量裝置圖Fig.3 Diagram of the improved vacuum measurement structure

2.1 原裝置的流導計算

假設夾層及管道內為20℃的空氣，計算以上各管路及閥件的流導[5]。

（1）Φ40直管的流導

該管的內徑40 mm，長度238.33 mm，在分子流下該管的流導為式（4）：

式中：α為克勞辛系數，α=0.172；A為該管道橫截面積，m2。經計算，Uf1=0.024 75 m3/s。

（2）超高真空角閥的流導

該閥門型號為Series57/54032-GE02，通過查詢其產品手冊，該閥門的流導為Uf2=0.050 m3/s。

（3）三通的流導

由于該三通為直角三通，可等效為一段直角管道進行計算，因此該三通的等效長度Lst為式（5）：

式中：L1為三通豎直段長度，m；L2為三通水平段長度，m；d為管道的內徑，m。經計算Lst=97.166 7×10-3m；按式（4）計算該段的流導Uf3=0.007 512 m3/s。

（4）彎管的流導

計算彎管流導時，可以用一段等效的直管流導來代替，其等效長度Lwg為式（6）：

式中：L3為彎管的軸長，m；經計算得Lwg=86.356 9×10-3m；按式（4）計算該段的流導Uf4=0.008 107 m3/s。

（5）直角彎頭的流導

按式（5）計算該直角彎頭的等效長度Lzj，經計算Lzj=112.666 7×10-3m；按式（4）計算該段的流導，Uf5=0.006 666 m3/s。

（6）真空測量系統總流導

以上的管道和閥件之間的連接方式為串聯，因此總流導為式（7）：

經計算原裝置的流導UfA=0.002 142 m3/s。

2.2 改進裝置的流導計算

從計算可以看出，三通、彎頭和直角彎頭的流導較小，遠小于直管和角閥的流導，導致真空測量系統的總流導偏小。因此在設計上減少彎頭的數目并且增大管徑可以提升真空測量系統的總流導。

改進裝置的流導為直管、直管和小容器連接的孔以及小容器中心至規管測量口長度的直管三者之和。其中，直管流導U′f1和小容器中心至規管測量口長度的直管的流導U′f2按式（4）可計算得U′f1=0.084 9 m3/s，U′f2=0.161 8 m3/s?？s孔的流導計算按式（8）計算：

式中：d1為直管的直徑；d2為小孔的直徑。經計算U′f3=0.026 2 m3/s。因此，總流導UfB=0.013 14 m3/s，改進裝置的流導遠大于原裝置的流導。

3 試驗系統

3.1 試驗裝置

真空測量試驗系統原理如圖4所示，真空試驗筒的夾層真空室作為參試的真空室；原裝置和改進裝置各一套，分別通過一支真空角閥和真空室連通，每套測量裝置上裝有ZJ10型高真空電離規管、ZJ27高真空電離規管和復合真空規管，具有105～10-5Pa的真空測量范圍。該規管僅通過一支真空角閥和真空室連通；高真空抽氣機組通過一支真空角閥和真空室連通，因此可以通過開關真空角閥來實現抽氣機組和真空室之間的通斷。

圖4 真空測量試驗系統原理圖Fig.4 Schematic diagram of the vacuum measurement experiment system

3.2 試驗過程

試驗過程模擬高真空多層絕熱低溫容器真空測量系統主要包括三個部分：（1）熱罐、抽氣部分。將真空試驗筒的夾層真空室連接抽真空系統，開始抽氣。另外連接一套機組對被測真空測量系統進行抽真空，當被測真空測量系統內真空度優于1.0×10-1Pa后開啟連通角閥和真空室連通并關停該機組。每隔一段時間分別記錄各真空計數據。以復合真空規管的測試值為基準值，將被測真空測量系統上ZJ10型真空規管、ZJ27型真空規管的測試值和復合真空規管的測試值比較。真空度測量方法按國家標準GB/T18443.2-2010“真空度測量”進行；（2）冷罐、抽氣部分。接杜瓦瓶進行液氮加注，并維持抽真空系統，真空度測量試驗方法同上；（3）冷罐、靜置部分，關閉抽真空閥門以隔斷真空室和抽真空系統，真空度測量試驗方法同上，靜置時間達24 h。

4 試驗結果及討論

4.1 熱罐、抽氣部分下夾層真空度試驗結果

圖5是熱罐、抽氣狀態下原裝置真空測量試驗結果。當抽氣2 h真空室達到7.7×10-3Pa時，原裝置上的兩支規管測試值均與真空室的測試值有較大的偏差。當抽氣72 h真空室達到4.8×10-3Pa時，原裝置上的ZJ10的測試值和復合規管的測試值偏差達到-16%，而ZJ27的測試值和復合規管的測試值偏差較大，達到129%。當抽氣552 h真空室達到2.9×10-3Pa時，原裝置上的兩支規管測試值均與真空室的測試值已基本接近。

圖5 熱罐、抽氣狀態下原裝置真空測量試驗結果曲線Fig.5 Experiment results of the original vacuum measurement structure under the hot tank and pumping conditions

圖6是熱罐、抽氣狀態下改進裝置真空測量試驗結果。當抽氣2 h真空室達到4.7×10-3Pa時，改進裝置上的兩支規管測試值均比較接近真空室的測試值。當抽氣336 h真空室達到2.8×10-3Pa時，改進裝置上的ZJ10比較接近真空室的測試值，而ZJ27的測試值則與真空室的測試值存在較大偏差，達到125%。當抽氣456 h真空室達到2.9×10-3Pa時，改進裝置上的兩支規管測試值均比較接近真空室的測試值。

圖6 熱罐、抽氣工況下改進裝置真空測量試驗結果曲線Fig.6 Experiment results of the improved vacuum measurement structure under the hot tank and pumping conditions

由于10-3Pa級別真空度屬于ZJ10和ZJ27兩型規管的有效測量范圍內，而改進裝置的流導設計大于原裝置5倍多，因此該試驗結果說明了真空測量流導大小對該裝置的真空測量有較大影響，流導大的測量裝置需要較短的抽氣時間，就能保證該裝置上規管的測量值有較大的精度。

4.2 冷罐、抽氣狀態下夾層真空度試驗結果

圖7是冷罐、抽氣工況下原裝置真空測量試驗結果。圖8是冷罐、抽氣狀態下改進裝置真空測量試驗結果。從中可以看出真空室內真空度在冷罐初期有所波動，但隨著冷罐時間的增加，真空室內真空度呈逐漸降低趨勢。

在10-4Pa以上級別的真空測試中，ZJ10規管的測試值不論在原裝置還是改進裝置上均與復合規管測試值有較大差別，真空度越高，偏差越大，說明了ZJ10規管由于本身測量性能的原因而無法準確反映10-4Pa以下級別的真空度。

圖7 冷罐、抽氣狀態下原裝置真空測量試驗結果曲線Fig.7 Experiment results of the original vacuum measurement structure under the hot tank and pumping conditions

圖8 冷罐、抽氣狀態下改進裝置真空測量試驗結果曲線Fig.8 Experiment results of the improved vacuum measurement structure under the cold tank and pumping conditions

從改進裝置上ZJ27規管的測試值來看，在真空室內真空度在10-4Pa級別時，改進裝置上的ZJ27測試值和復合規管的測試值比較接近，尤其在冷罐初期真空度波動時，改進裝置的ZJ27均能及時、比較準確的反映真空室內真空度；而當真空室內真空度進入10-5Pa級別時，改進裝置的ZJ27測試值和復合規管的測試值有較大偏差，真空度越高，偏差越大。從原裝置上ZJ27規管的測試值來看，在真空室內真空度進入10-4Pa及以上級別時，原裝置上ZJ27的測試值均與復合規管的測試值有較大偏差，真空度越高，偏差越大。

4.3 冷罐、靜置狀態下夾層真空度試驗結果

圖9是冷罐、靜置狀態下原裝置真空測量試驗結果。圖10是冷罐、靜置工況下改進裝置真空測量試驗結果。

圖9 冷罐、靜置狀態下原裝置真空測量試驗結果曲線Fig.9 Experiment results of the original vacuum measurement structure under the cold tank and standing conditions

圖10 冷罐、靜置狀態下改進裝置真空測量試驗結果曲線Fig.10 Experiment results of the improved vacuum measurement structure under the cold tank and standing conditions

當停止抽氣1 h時，原裝置上的ZJ27的測試值和復合規管測試值的偏差達到212%，而改進裝置上的ZJ27的測試值和復合規管測試值的偏差達到62%；當停止抽氣4 h時，原裝置上的ZJ27的測試值和復合規管測試值的偏差達到190%，而改進裝置上的ZJ27的測試值和復合規管測試值的偏差達到38%；當停止抽氣28 h時，原裝置上的ZJ27的測試值和復合規管測試值的偏差達到75%，而改進裝置上的ZJ27的測試值和復合規管測試值的偏差達到21%。說明隨著停止抽氣時間的增加，原裝置和改進裝置上ZJ27的測量值越接近于復合規管的測量值，但改進裝置的靜置時間遠短于原裝置。在10-4Pa級別的真空測量上，原裝置和新裝置上的ZJ10規管和復合規管的偏差都比較大。

5 結論

設計了兩種不同流導的真空測量裝置，模擬高真空多層絕熱低溫容器真空測量系統的實際狀態，測量這兩種裝置下的真空度進行分析，得到結論：

（1）真空測量裝置的流導大小對該裝置的真空測量有較大影響，流導大的測量裝置需要較短的抽氣時間就能保證該裝置上規管的測量值有較大的精度；

（2）改進型裝置上的ZJ27型真空規管在10-4～10-3Pa級真空度測量值和復合規管測量值偏差基本小于100%，而原裝置上的ZJ27型真空規管在10-4～10-3Pa級真空度測量值和復合規管測量值偏差基本在150%以上。該結果說明在10-4～10-3Pa級真空下，流導較小的測量裝置對真空規管的測量結果影響較大，而反之亦然。

參考文獻：

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