深冷真空絕熱容器標準技術發展與展望

真空標準 周偉明 全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會

  深冷真空絕熱容器包括固定式深冷容器和移動式深冷容器二大類,結構型式多種多樣,深冷容器的規范設計和制造,以及安全運行,需要多項關鍵技術,包括結構設計技術、低溫絕熱技術和標準化技術。深冷真空絕熱容器的標準化技術發展可為我國低溫儲運行業快速規范發展起到一定的促進作用。

  引言

  伴隨著低溫技術發展的100 多年歷程,以及低溫技術的不斷進步,氣體工業取得了快速發展。液氧、液氮、液氬、液氦、液氫、液化天然氣等低溫液體的應用已從機械、石油、化工等行業,擴展到了能源、環保、造船、交通、生物、航天等領域,需求量也在逐年快速遞增。同時,隨著世界各國對能源需求的不斷增長和環境保護意識的日益增強,液氫、液化天然氣等清潔能源的推廣與應用已成當今社會能源領域的發展重點。隨著低溫液體的廣泛應用,帶動了深冷真空絕熱容器( 以下簡稱“深冷容器”) 的快速發展,目前深冷容器已經發展成為壓力容器行業增速最快、發展最有前景的產業。

  為了確保我國深冷容器行業快速、健康的發展,在國際貿易全球化趨勢下,我國需要加強對ISO、歐盟和美國深冷容器標準體系及相關標準的分析研究,掌握世界深冷容器標準化技術發展方向; 并且,通過相關的基礎技術研究工作,建立和完善我國深冷容器標準體系。

1、深冷容器產業現狀

  從深冷容器行業現狀來看,歐盟、俄羅斯、美國和日本等發達國家代表了國際深冷容器的發展前沿,在歐洲有15 個主要的深冷容器制造商,俄羅斯有7 個主要的深冷容器制造商,美國有3 個主要的深冷容器制造商,澳大利亞也有3 個主要的深冷容器制造商。美國查特、俄羅斯ISC 深冷機械和日本AW 等均代表規模較大的深冷容器制造企業。同樣,隨著我國國民經濟的快速發展,以及法液空、梅塞爾、林德、BOC、普萊克斯、AGA、日酸、APCI 等世界上八大著名的跨國氣體公司進駐中國市場,中國已成為了深冷容器的制造和使用大國,具有深冷容器制造能力的大小制造商近百家,除了中集安瑞科集團下屬四家企業( 中集圣達因、石家莊安瑞科、南通中集和荊門宏圖) 、富瑞特裝、杭氧、南京晨光、川空等國內大型制造企業之外,美國查特和泰勒華頓分別在中國有制造工廠。據不完全統計,在世界范圍內固定式真空絕熱容器在役數量已超過了27 萬臺,移動式真空絕熱容器在役數量已超過了3 萬臺。近年來,中國深冷真空絕熱容器的市場需求以每年15% 左右的速度增長,2011 年銷售額已達到50 億元以上,約占世界同類產品銷售額的1 /3。

  從深冷容器的制造能力來看,世界上固定式真空絕熱容器的最大容積已達到了1000 m3,在美國、俄羅斯,已使用真空絕熱技術制造深冷球罐,特別在火箭發射場用于盛裝液氧、液氫等深冷液體,其容積最大可做到2500 m3。然而,我國固定式真空絕熱容器目前在工廠完成制造的最大容積為500 m3,以容積在250 m3及以下的立式容器為主,我國只有少量真空粉末絕熱的球罐案例。并且,其固定式真空絕熱容器的工作壓力一般在0.8 ~ 1.6 MPa,為了滿足氣瓶充裝或高壓供氣的需求,也會把工作壓力要求提高到3. 5 MPa左右。固定式真空絕熱容器的絕熱方式以真空粉末絕熱為主,有關真空纖維絕熱和高真空多層絕熱的應用將逐漸增多。

  移動式深冷容器按運輸方式,將其分為:鐵路罐車、汽車罐車、罐式集裝箱、船用深冷容器、航天深冷容器等。在美國、日本、俄羅斯等發達國家,鐵路罐車是長途運輸低溫液體和LNG 的重要工具。如俄羅斯JSC“Cryogenmash”生產的鐵路罐車,其容積可達108 m3

  但是,目前我國民用低溫液體尤其是液化天然氣還不允許在鐵路進行運輸,因此,汽車罐車成為了我國低溫液體以及LNG 運輸主流。目前我國真空絕熱汽車罐車的最大容積僅能做到55 m3左右。

  罐式集裝箱一般以20 英尺的工業氣體罐箱和40 英尺的LNG 罐箱為主,也有30 英尺和43英尺等規格。隨著LNG 清潔能源的推廣應用,船用LNG 燃料罐、加注船用罐、LNG 運輸船等需求量越來越大,目前國內已有產品可做到250 m3 以上。

  移動式深冷容器的工作壓力一般不超過1.6MPa,其絕熱方式以真空纖維絕熱,或纖維與多層復合絕熱的方式為主。為了確保移動深冷容器運輸周期和無損儲存時間,其罐體靜態蒸發率一般控制0.2% /d 以下,維持時間要求在8 周以上,并且,移動容器輕型化設計理念越來越被廣泛接受。

3、我國未來深冷容器標準化工作重點

  (1) 國際化將是我國深冷容器標準的發展方向

  在未來我國深冷容器標準制修訂工作中,將以提高標準的效率和經濟性作為提高競爭能力為手段,充分借鑒國際標準和國外先進標準,確保在材料使用、設計、制造、安全防護、新技術采用等方面接近國際先進水平,確保我國深冷容器產品的質量、成本等諸多方面具有國際競爭力,確保我國由深冷容器制造大國向制造強國發展。

  (2) 進一步梳理我國深冷容器的相關標準

  根據我國深冷容器標準化體系框架,以及新確立的深冷容器標準體系建設要求和原則,對我國現有深冷容器標準進行梳理,將有問題、矛盾或重復的標準進行廢除、修改或整合,消除標準與標準之間存在的不和諧因素。

  (3) 進一步促進相關法規與標準之間的和諧

  在我國深冷容器標準體系的建設上,還需明確和理順法規與標準的相互關系。并且借鑒歐盟的做法,在法律法規方面給出保證深冷容器的基本安全要求,在標準方面給出深冷容器產品的具體的技術指標和要求。標準要求以法律法規的基本要求為前提,產品滿足了相應的標準要求,則能滿足法律法規的基本要求。

  (4) 加快深冷容器的相關標準的制修訂工作

  根據我國實際情況,需加快深冷容器的相關標準的制修訂工作,特別是深冷容器標準在安全運行標準、深冷容器用材料(包括絕熱材料) 標準、低溫系統用安全附件和設備附件以及非真空絕熱容器標準等的修訂。在未來深冷容器領域將有27 項重點標準需要制修訂,其制修訂計劃如表14 所示。

表14 深冷容器重點標準制修訂計劃

深冷容器重點標準制修訂計劃

深冷容器重點標準制修訂計劃

  (5) 按規定做好標準的有效性審查工作

  從我國現有的國家標準和行業標準可以看到,由于沒有統一的標準歸口管理單位,標準的有效性審查和修訂工作比較滯后。因此,需要在國家標準化管理技術委員會領導下,統一歸口單位,建立良好的運作模式,將標準的有效性審查工作應當做到常態化,保證標準的有效性、時代性和先進性。

  (6) 加強深冷容器標準技術的基礎研究

  通過推進深冷容器領域的基礎科研工作,提高標準技術水平,提升我國深冷容器產品的國際競爭能力。如深冷容器- 氣體和材料的相容性試驗方法研究、典型深冷容器用材低溫韌性測試研究、奧氏體不銹鋼低溫性能的提高、奧氏體不銹鋼應變強化制深冷容器技術研究、深冷容器安全閥及爆破片失效原因分析等。在充分掌握相關技術的基礎上,逐步推進相關技術的應用,盡快將相關技術列入相關固定及移動式深冷容器標準中,從而提高我國產品的競爭力。因此,我國未來重點基礎研究課題計劃見表15。

重點基礎研究課題計劃

表15 重點基礎研究課題計劃

  (7) 積極參與國際標準事務,增加對深冷容器國際標準制修訂的影響力

  通過參與ISO/TC 220 國際標準化事務,充分實現我國相關權力和利益,將有利于我國深冷容器行業發展的安全技術要求融入到國際標準的制修訂過程中,逐步加強我國深冷容器行業對國際標準的影響力,提高中國在ISO/TC 220 的地位和話語權。因此,應做好以下幾個方面的工作:

  1) 積極參與由ISO/TC 220 組織制修訂的深冷容器標準的評議和表決;

  2) 組織國內專家參加ISO/TC 220 的年會和專題研討會;

  3) 積極推進國際標準納入我國不銹鋼牌號;

  4) 跟蹤ISO/TC 220 的動態,及時公布相關信息。