Вакуумирование криогенных сосудов

Криогенные сосуды используются для хранения жидких газов при чрезвычайно низких температурах. Так, например, температура кипения жидкого азота при нормальных условиях, та температура, при которой он начинает активно переходить из жидкой фазы в газообразную, равна -196 °C. Для других распространенных технических газов – кислорода и аргона температура кипения составляет -183°C и -186°C. Сжиженный природный газ (СПГ) требует поддержание температуры для хранения не выше -162°C. Самыми низкокипящими газами являются водород и гелий, для хранения которых требуется поддерживать температуру внутри резервуара –253°C и – 269°C соответственно.

Вакуум как теплоизоляция

Поддержание таких низких температур требует использования специальной конструкции криогенных резервуаров для их хранения и специальных мер для экранирования от теплопритока из внешней среды.

Конструктивно криогенные сосуды в большинстве случаев являются двустенным. Внутренний сосуд используется непосредственно для хранения жидкого газа, а внешний – является защитным кожухом, который служит для защиты от воздействия окружающей среды, механических повреждений, и выполняет несущую роль. Внутренний сосуд установлен в кожухе на специальных опорах.

Для снижения теплопритока из внешней среды полость между внутренним сосудом и кожухом выполнена герметичной и находится под вакуумом. Это позволяет минимизировать теплоперенос от внутренней поверхности кожуха к внешним стенкам внутреннего сосуда за счет снижения давления газа в межстенном пространстве. Дополнительно полость заполняют теплоизоляционным материалом. В сочетании с вакуумом это дает многократное снижение теплового потока и обеспечивает хранение криогенного продукта в течение длительного времени без использования дополнительных систем охлаждения.

Межстенное пространство в больших стационарных емкостях, как правило, заполняют вспученным перлитовым песком, который обладает низкой теплопроводностью и дополнительно адсорбирует молекулы оставшихся газов. Такой тип изоляции получил название перлито-вакуумной. В транспортных ИСО-контейнерах и цистернах, а также в криоцилиндрах и сосудах небольшой емкости 0,2 -3 м3, все чаще используется другой тип теплоизоляции – многослойная пленочная изоляция, которая представляет собой слои полиэтиленовой пленки с металлизированным покрытием, обычно алюминиевым. Внутренний сосуд и подводящие патрубки многократно обернуты такой пленкой, которая работает как многослойный радиационный экран, защищающий внутренний сосуд от инфракрасного излучения извне. Такой тип изоляции получил название экранно-вакуумной. Экранно-вакуумная изоляция считается более эффективным способом и имеет меньший вес, но она дороже.

На практике, эффективность хранения криогенного продукта, главным образом, зависят от состояния вакуума в межстенном объеме. Производители криогенных сосудов на конечном этапе их изготовления производят вакуумирование до установленного технологией производства и требованиями к такому оборудованию уровня давления. В зависимости от производителя и типа криогенного сосуда степень остаточного вакуума может достигать достигать 10-4Па для криоцилиндров, 10-2 Па для транспортных емкостей с экранно-вакуумной изоляцией, 1~10 Па для стационарных и транспортных емкостей большого объема с перлито-вакуумной изоляцией.

Деградация вакуума в криогенных сосудах

К сожалению, ни одна из криогенных систем не является абсолютно герметичной, и молекулы газов из атмосферы, и водяные пары постепенно проникают в вакуумную полость. Проникновение молекул, в основном, происходит через микродефекты сварочных швов (поры и трещины) и через микрозазоры в уплотнительных соединениях. Через микродефекты материала и сварных соединений также могут проникать молекулы хранимого газа из внутреннего сосуда в межстенную полость. Особенно высокой проникающей способностью обладают молекулы водорода и атомы гелия, которые способны диффундировать непосредственно через кристаллическую структуру материалов.

Дополнительным процессом, приводящим к ухудшению вакуума, является постепенное испарение (десорбция) молекул газа и воды с поверхности внутренних стенок и поверхности теплозащитного материала в самом вакуумном объеме. Эти молекулы неизбежно остаются в некотором количестве на поверхностях после вакуумирования, не смотря на принимаемые меры по отогреву и просушке вакуумной полости и теплозащитных материалов, и постепенно «улетучиваются» в вакуумное пространство в течении длительного времени – происходит дегазация материалов. Также происходит неизбежная постепенная деградация теплозащитных материалов, в результате которой образуются летучие соединения. Параметры натекания в межстенную полость указываются производителями в технической документации.

Несмотря на то, что компании-производители качественного оборудования всегда гарантируют обеспечение необходимой степени вакуума и прилагают к технической документации соответствующие акты с указанием проведенных замеров, в результате неизбежного микронатекания и дегазации материалов, вакуумные условия в межстенном промежутке криососудов медленно, но неотвратимо ухудшаются. Это, в свою очередь, приводит к тому, что тепловой поток к внутреннему сосуду увеличивается, скорость испарение жидкого криогенного продукта возрастает, а срок его хранения снижается. Чтобы снизить опасный рост давления в сосуде пользователям приходится стравливать газ из криососуда в атмосферу с помощью сбросных вентилей или это происходит автоматически, при превышении давлением опасного значения, за счет срабатывания предохранительных клапанов на сосуде. В итоге происходит рост суммарных потерь газа и снижение эффективности хранения.

Контроль и восстановление вакуума

По этим причинам, контроль и восстановление вакуума является одной из важных задач эксплуатации криогенных сосудов. Контроль и восстановление вакуума может производится пользователями как самостоятельно, так и с привлечением специализированных организаций, которые предлагают такие услуги.

Для контроля вакуума используется вакуумметры, оснащенные советующими датчиками вакуума. Для вакуумирования используется вакуумные откачные насосы или посты. На рынке существует большое количество моделей вакуумметров и вакуумных постов. Выбор вакуумного оборудования должен опираться на уровень вакуума (уровень остаточного давления), который необходимо контролировать и поддерживать, а также от объема межстенной полости обслуживаемого резервуара (собственно, от размеров криососуда). Уровень необходимого остаточного давления и объем межстенного пространства обычно указан в документации производителя, либо предоставляется по запросу.

Для вакуумирования на кожухе криоцилиндров предусмотрен специальный вакуумный узел, который представляет собой короткий патрубок, вваренный в кожух и соединенный с вакуумной полостью. С внешней стороны вакуумный узел закрыт противопылевой пластиковой крышкой. Внутри узла находится металлическая вакуумная пробка с кольцевыми уплотнениями. В больших стационарных емкостях и контейнерах аналогичный по конструкции вакуумный узел также герметично заглушен, а для контроля вакуума на кожухе смонтирован дополнительный разъем с приборным вентилем для присоединения вакуумметра. Это позволяет проводить замеры вакуума без манипуляций с вакуумным узлом. Криоцилиндры такой возможности лишены.

Периодичность контроля вакуума на больших стационарных и транспортных емкостях, как правило, рекомендуется производить не реже, чем раз в год, для чего вакуумметр подсоединяют к вакуумметрическому разъему. В случае обнаружения, что уровень давления вырос выше допустимых значений необходимо провести процедуру восстановления вакуума. Частота проведения вакуумирования зависит от модели криогенного сосуда, его технического состояния и рекомендаций производителя. Современные производители гарантируют сохранение рабочих значений вакуума для новых сосудов на срок до пяти лет.

Косвенными показателями нарушения условия вакуума являются усиление роста обледенения на поверхности кожуха, частое срабатыванию предохранительных клапанов, возросшие суммарные потери газа. Для криоцилиндров, на практике, косвенные показатели, зачастую являются определяющими для пользователей, т.к. процессы в них происходят быстрее и нет технической возможности оперативно проводить замеры уровня вакуума.

Для осуществления процедуры восстановления вакуума и регенерации (обезгаживания) теплоизолирующего материала к вакуумному узлу присоединяют специальный адаптер, к которому, в свою очередь подключают вакуумный насос либо вакуумный пост. Вакуумные адаптеры приобретаются дополнительно у компаний-производителей криогенных сосудов, и могут быть несовместимы с сосудами других производителей. Конструкция вакуумного адаптера позволяет производить излечение вакуумной пробки в процессе вакуумирования без отсоединения или останова откачки, а после завершения вакуумирования, обеспечивать возврат ее в исходное положение для восстановления герметичности межстенного объема. Для этого в адаптере смонтирован подвижный шток, который может перемещаться без нарушения герметичности системы. Шток вкручивается в резьбовое отверстие в пробке и позволяет производить ее перемещение вручную, в осевом направлении, внутри вакуумного пространства.

Типовой алгоритм заключается в подсоединения адаптера и вакуумного откачного агрегата к вакуумному узлу криогенного сосуда. На первом этапе вакуум создается в самом адаптере и вакуумной магистрали на входе насоса. После достижения необходимого уровня давления, который контролируется вакуумметром, с помощью подвижного штока извлекается пробка и производится вакуумирование всего межстенного объема криогенного сосуда. Затем пробка возвращается на место.

Процедура восстановления вакуума производится до тех пор, пока уровень статического вакуума (остаточного давления) по замерам будет сохранятся на постоянном уровне в течении от нескольких часов до нескольких дней. В сложных случаях, когда произошла полная разгерметизация и внутрь попала влага, необходимо производить комплексные многодневные работы по восстановлению вакуума и регенерации – обезгаживанию и восстановлению теплоизолирующих свойств теплозащитных материалов.

Вывод

Контроль и восстановление вакуума является важной задачей, которая стоит перед эксплуатантами криогенных сосудов, стремящихся обеспечить их эффективное использование. На практике, у владельцев и пользователей криогенного оборудования не всегда в наличии есть еще и оборудование для вакуумирования, или желание его прибрести. Уменьшить возможные риски и проблемы позволяет подход, который заключается в приобретении нового надежного криогенного оборудования от ведущих мировых производителей у опытных поставщиков, которые отвечают за качество и предоставляют гарантии. Компания КРИОБАК предлагает не только надежные криоцилиндры, транспортные ИСО-контейнеры и стационарные криогенные емкости большого размера, но и оказывает дополнительные услуги по восстановлению вакуума у криогенных сосудов самых разных типов по запросам.