高纯气体长管拖车结构特点及定期检验问题

 骆辉1  薄柯1李邦宪1  张君鹏1黄强华2

 (1．中国特种设备检测研究院北京  100029)(2.全国气瓶标准化委员会北京  100029)

摘要：介绍高纯气体长管拖车的结构特点以及使用特点，气瓶和管路技术特性与普通长管拖车区别，在运行中存在充装介质无腐蚀性、充装次数少等特点，指出当前检验方法基于普通长管拖车失效模式制定，不适应与高纯气体长管拖车检验，会对设备造成极大破坏，并且检验方法不科学，应根据高纯气体长管拖车失效模式以及结构特点，制定适应于高纯气体长管拖车检验方法，保障设备的安全运营。

  关键词：长管拖车高纯气体定期检验 中图分类号：X933.4

文章编号：1673-257X(2016)03-0035-05 DOI：10.3969/j .issn.1673-25 7X．2016. 03. 008

 长管拖车用于高压永久气体运输，在天然气、氢气、氦气储运方面有着广泛应用，目前在我国已有近20年的运行历史，保有量近万辆。目前，该类型设备按照TSG R7001-2013《压力容器定期检验规则》附件D.长管拖车、管束式集装箱定期检验专项要求进行定期检验，该检验标准实施，排除设备安全隐患，保障长管拖车安全运行，长管拖车运行至今未发生重大特种设备安全事故。

 高纯气体长管拖车，用于充装纯度大于99.999%且气体含水量小于1mg/L的气体，如NF3、SiH4、N2O、H C l等。该类型气体应用在集成电路、芯片、半导体、太阳能等领域，为提高产品性能，对气体纯度、干燥度、洁净度等方面有极高的要求，为保证充装气体纯度及稳定性，避免储运设备对气体造成污染，该类型设备和普通长管拖车相比，虽然整体机构类似，但在很多技术特性方面极大不同。根据用户调查，目前该类型设备市场保有量在100台，伴随我国产业结构升级，对该类型设备的需求也在增加，预计将来保有量在250台。

 该类型设备同样用于高压气体储运，某些气体介质易燃、易爆、剧毒，为保障其安全运行，需要定期检验，由于该类型设备结构、使用特点，如按照现有法规进行定期检验，给设备带来极大损伤，检验成本巨大，某些检验项目也不适应该类型设备，因此需要分析该类型设备结构、使用情况，研究检验方法。

1普通长管拖车结构

 通常，长管拖车由8～12只大容积无缝气瓶，管路、管件、阀门、安全装置、框架等部分组成，见图1，分别为框架式和捆绑式长管拖车。

 钢瓶由无缝钢管经旋压、热处理制成，设计、制造标准同为DOT 3AAX或者DOT 3T，表面状态为喷丸。管路由不锈钢无缝钢管经氩弧焊焊接而成，管路材料通常为304，316L，OCr18Ni9等，管径通常为1／4"/～1"，采用承插焊或对接焊接结构，管路、阀门、端塞、管件之间联系采用螺纹方式连接。阀门结构采用球阀或者截止阀，对于普通长管拖车，充装天然气车辆，只需要控制处于开或者关，因此主要采用材质为316L的球阀，充装氢气、氦气介质的车辆，需要控制流速，防止气流速度过快，多采用材质为黄铜的截止阀。

 通过阀门和管路将钢瓶并联成整体，每只气瓶可以单独使用，也可以整体使用，该类型长管拖车用来充装工业纯气，含水量要求通常在5mg/L以下，如氢气、氦气、天然气等。

2高纯气体长管拖车特点

2.1高纯气体长管拖车结构特点

 和普通长管拖车类似，高纯气体长管拖车由8～12只大容积无缝气瓶、管路、阀门、安全装置、框架等部分组成，见图2，由于充装介质的特殊要求，这些零部件结构、性能特点和普通长管拖车差异很大。

 ●2.1.1气瓶部分

 高纯气体长管拖车用大容积无缝气瓶，其材料、加工工艺、热处理状态、结构形式等方面和普通长管拖车用大容积无缝气瓶相同，不同地方在于气瓶内部状态。普通钢瓶内部状态为喷丸表面，满足纯度在99.99%以下介质充装需求。如气瓶需要充装高纯气体，由于钢材表面细小颗粒、毛刺等存在，一方面会吸附水分等杂质，在一定条件下会从基体中析出，进入充装介质，使介质中水粉含量超标，另一方面，在颗粒、毛刺等尖端部分和充装介质发生复杂、缓慢化学反应，如长时间存放介质，使得介质中金属离子含量超标。

 因此，为避免气瓶对气体污染而影响纯度，气瓶首先经过研磨处理，去除表面颗粒物、毛刺等，研磨分为粗磨和精磨两个过程，使用不同磨料，经数十小时研磨，表面粗糙度达到3S，达到镜面效果，见图3，其次进行清洗，清洗介质为高温去离子水，水温通常为70℃，以避免水中各种离子吸附在金属表面，如充装介质具有强氧化性，例如N，O，还要进行脱脂处理，最后，为清除已吸附在钢材基体中的水分，还需要对钢瓶进行加热、抽真空、置换等处理，将水分排尽，最终气瓶介质含水量达到小于1mg/L。在投入使用前，根据充装介质，还需要在气瓶内充入相应气体介质，形成钝化层，避免充装介质和钢材产生作用，影响纯度。 

 ●2.1.2管路系统部分

 高纯气体长管拖车管路材料为304，316L，和普通长管拖车管路相比，不同之处在于．1）对管路表面状态要求，采用的管路为抛光管，管路经过抛光、钝化处理，表面粗糙度在0.4μm以下。2）管路、阀门、端塞之间连接方式，全部采用对接焊接，见图4，采用焊接方式，降低泄漏风险，一方面降低有毒介质泄漏造成危害的风险，另一方面避免因泄漏点存在，造成环境中水分渗透，导致介质纯度降低。3）管路成型方式，高纯气体长管拖车管路切割、弯管、边角处理都有特殊要求，避免对管道光洁度造成破坏，要求在高纯氩气吹扫下进行，焊接接头采用夹具对齐，接头为对接形式，焊缝两侧采用丙酮清洗，且焊接接头在全封闭条件下进行，焊接过程以及焊接前、后使用高纯氩气吹扫，防止空气混入，为自熔全焊透焊缝。4）管路安全检测，普通长管拖车管路采用水压进行检测，而该管路系统采用高纯气体进行气压试验，试验压力一般为设计压力的1.25倍，严禁采用水压试验，此外，高纯氮气管路系统还有进行氮气吹扫，氦检漏，含氧量检测，以及微粒子检测等。

●2.1.3阀门部分

高纯气体工业中，主要采用隔膜阀或者波纹管阀，高纯气体长管拖车中的阀门选用隔膜阀．图5为用于充装高纯气体气瓶的隔膜式瓶阀，主要有手动和气动两种类型。该阀门依靠金属膜片实现阀腔和外界完全隔离，保证了密封可靠性，为提高密封性，对零部件加工工艺、弹簧精度、组装也有很高要求，为提高抗吸附能力，该类型阀门部分组件经过抛光、喷涂处理，该类型阀门死区较小，避免部分气体残存，为避免空气或外界颗粒物、粉尘影响，阀门组装、维修、包装都在洁净车间内进行，对阀门的试验，使用高纯气体进行。到目前为止，我国还不具备对该类型阀门的生产、维修能力，高纯气体工业用阀门，全部依赖进口。

 ●2.1.4其他部分

 端塞和气瓶连接采用螺纹连接，为提高密封性，采用多道密封，通常为3道，见图6，第1、2道为O型圈，不同充装介质采用不同材料，如SiH4采用氟橡胶，N，O采用硅橡胶，NH3采用乙丙橡胶等，而普通长管拖车，根据目前使用情况，普遍采用氟橡胶。第

3道密封结构在端面处，为聚四氟乙烯垫片。

 普通长管拖车，通过快装接头、螺纹和充气气源相连，而高纯气体长管拖车接头型式普遍采用CGA标准，根据不同介质、压力、纯度，CGA规定了200多种接头类型，避免不同介质混装，如SiH4采用CGA-350，N2O采用CGA-326，NH3采用CGA-705/240。

 在安全泄放装置方面，普通长管拖车根据《移动式压力容器安全技术监察规程》要求，除充装高度危害介质以外，在气瓶一端或者两端装有安全泄放装置，通常为爆破片或者爆破片易熔合金塞组合结构，爆破片结构形式便于爆破片更换。高纯气体长管拖车进口国外，制造企业按照CGA S l-1要求配置安全装置，部分高纯气体长管拖车安全泄放装置配置不符合我国安全法规要求，如充装NF3长管拖车，按照我国规范要求，必须安装安全装置，而CGA Sl-1规定该类型车辆可以不安装安全装置。此外，为降低泄漏风险，安全装置采用焊接结构，使得爆破片更换非常困难。

2.2高纯气体长管拖车使用特点

 高纯气体长管拖车，充装是高纯气体，由于气体纯度高，含水量很低，因此气体对气瓶基本无腐蚀，根据检验经验，该类型长管拖车气瓶，在运行3年后，气瓶内表面依然保持金属光泽。高纯气体长管拖车充装次数少，据统计，每月充装次数不超过3次，而普通长管拖车，设计、计算模型基于寿命周期内15000次，每天充装2次，我国目前长管拖车使用寿命20年，在高纯气体长管拖车寿命周期内，充装次数在720次，因此不会发生疲劳现象。此外，高纯气体长管拖车气瓶公称工作压力为2400×0.006895MPa=16.5MPa，其附件按照该压力选型，而运行压力较低通常不超过12MPa，因此该类型设备运行压力低于气瓶公称工作压力，因此该类型设备安全性较高。

3长管拖车定期检验技术

 我国运行的长管拖车按照TSG R7001-2013进行定期检验，该标准规定的检验方法，基于普通长管拖车的结构特点、失效模式、损伤机理和使用工况制定，而高纯气体长管拖车结构形式、失效模式和普通长管拖车有很大区别，因此部分检验方法不适应与高纯气体长管拖车。

3.1普通长管拖车定期检验

 根据我国法规要求，普通长管拖车定期检验分为瓶体检验、附件检验、安全附件检验。瓶体主要缺陷类型有瓶体应力腐蚀、疲劳裂纹，腐蚀，机械、热损伤，气瓶螺纹磨损等，针对该类型缺陷，气瓶检验分为拆卸检验和不拆卸检验，拆卸检验进行宏观检查、测厚、自动超声、磁粉和水压试验，不拆卸检验进行宏观检查、测厚和声发射检验，而首次定期检验需进行拆卸检验。附件主要为端塞、管路、阀门系统，主要缺陷类型为装配应力引起管件开裂、螺纹损伤、磨损等，以及非法维修引起的焊缝开裂等，检验中进行宏观检查、渗透检测和水压试验，阀门主要失效模式是泄漏，检验过程中进行气密试验，维修或者更换失效阀门。安全附件部分，主要包含安全装置、压力表等，由于爆破片充装过程中发生疲劳，在定期检验中全部进行更换，此外，压力表进行校验。

3.2高纯气体长管拖车定期检验问题

 由于高纯气体长管拖车结构和运行特点，如按照目前规范进行定期检验，既不科学也不经济。在气瓶方面，由于该气瓶内表面经过特殊处理，水压试验将给内表面带来极大破坏，内表面发生锈蚀，水分重新吸附金属基体，需要投入巨大成本重新进行处理才能达到使用要求。在管路方面，对管路进行水压试验，同样会污染管路，水分、水分中杂质滞留管路中，很难清除，会对充装气体纯度造成很大影响。对于阀门，常规进行气密试验，由于高纯气体对泄漏性要求更高，气密试验的精密度不能满足高纯气体长管拖车需要，此外，气密试验所用介质中的固体微粒还会损伤阀门密封面，影响阀门密封性。在安全装置方面，为减少泄漏点，爆破片和夹持装置采用焊接连接，而安全装置夹持装置和长管拖车端塞焊接连接，更换爆破片需拆卸、更换大部分附件。另外，由于高纯气体长管拖车密封性要求较高，各连接部位大部分采用焊接结构，管路系统内部、管路和端塞、管路和阀门都采用焊接连接，导致该类型设备不容易拆卸。据估算，如按照现有规范进行检验，单次检验成本以及由检验引起的间接成本占到整个设备价值1／3。

 另一方面，由于高纯气体长管拖车运行特点，充装介质无腐蚀，充装次数少，无疲劳发生，管路系统采用对接焊缝连接，无组装应力，因此高纯气体长管拖车失效模式和普通长管拖车也不同，按照现有检验方法也不科学。

4结论

 目前长管拖车检验规范不适应于高纯气体长管拖车检验，我国缺少该类型设备既科学又经济的检验规范。高纯气种类较多，不同气体之间性质差异较大，国外根据充装气体种类和检验周期采用不同检验方法，以及对应的维保措施，目前普遍采用无损检验和水压试验相结合的检验方法，如DOT规定可以用声发射替代水压试验。在管路附件、安全附件方面，采用定期更换，根据充装介质不同，采用一个检验周期更换或者两个检验周期全部更换，包括管路、阀门、安全装置、端塞等，保障该类型车辆在国外长期运行。

5发展和展望

 针对高纯气体长管拖车制造、结构以及运行特点，设备应力循环次数少，不会发生腐蚀损伤，但是高纯气体长管拖车密封性要求高，针对该类型设备可能发生失效模式以及特点，结合该类型设备国外运行检验方法以及使用经验，积累高纯气体长管拖车失效模型，完善失效理论，建立以宏观检查、自动超声、测厚、声发射、硬度等项目为主的检验方法，采用开罐和不开罐相结合的检验方式，延长水压试验间隔，制定科学、合理、经济的检验方法，保障该类型设备的安全运行。