Nguy cơ khi nạp quá đầy nitơ lỏng vào bình lưu trữ Cryogenic Dewar

Đôi khi, khách hàng bày tỏ lo ngại khi một bình Dewar nitơ lỏng (LN₂) bị mất chân không đột ngột. Các bình này được gửi trả về và được kiểm tra ngay lập tức, sau đó tiến hành hút chân không lại và thử nghiệm với nitơ lỏng (LN₂). Kết quả cho thấy nguyên nhân chủ yếu của hiện tượng mất chân không là do quy trình nạp không đúng, điển hình là nạp quá đầy. Bài viết này giải thích vì sao việc tuân thủ nghiêm ngặt quy trình nạp một cách cẩn trọng là hết sức quan trọng, thông qua 2 vấn đề chính:

Vấn đề 1: Xuất phát từ vị trí hút chân không của bình lưu trữ

Vấn đề 2: Xuất phát từ việc nạp nitơ lỏng quá đầy

Vấn đề xuất phát từ vị trí hút chân không của bình lưu trữ

Một trong những vị trí then chốt quyết định khả năng duy trì chân không của bình lưu trữ là cụm cổng hút chân không (pumpout). Nút bịt cổng hút chân không (pumpout plug) có hai chức năng. Thứ nhất và quan trọng nhất là duy trì chân không trong khoang vòng (annular space) giữa hai lớp vỏ của bình. Thứ hai, nút này đồng thời đóng vai trò như một cơ cấu xả áp an toàn trong trường hợp xảy ra rò rỉ nghiêm trọng ở lớp trong, khiến nitơ lỏng xâm nhập vào khoang vòng; khi đó nút có thể bật/rơi ra để giải phóng áp suất tích tụ.

Nắp che mối hàn chân không trên bình lưu trữ

Khi nitơ lỏng bay hơi thành khí và giãn nở, áp suất trong khoang vòng sẽ tăng lên. Hai vòng đệm O-ring đảm nhiệm chức năng làm kín giữa nút và thân cổng hút chân không, đồng thời được phủ một lớp mỡ bôi trơn chân không (vacuum grease) dạng màng mỏng nhằm tăng độ bền và tuổi thọ. Bên ngoài, cụm cổng được che bằng nắp composite mềm, linh hoạt để hạn chế bụi bẩn và các tác nhân gây nhiễm bẩn tiếp xúc, ảnh hưởng đến O-ring.

Vấn đề xuất phát từ việc nạp nitơ lỏng quá đầy

Vấn đề này thường xảy ra khi nitơ lỏng (LN₂) tiếp xúc với nút bịt cổng hút chân không (pumpout plug) hoặc thân cổng (pumpout body) trong một khoảng thời gian dài. Nhiệt độ cực thấp làm các vòng đệm O-ring co lại và trở nên cứng, từ đó có thể khiến O-ring tạm thời mất khả năng làm kín. Do hầu hết các nhà sản xuất đều sử dụng thiết kế O-ring tương tự, tình huống bất lợi này có thể xảy ra với bất kỳ bình Dewar nitơ lỏng nào. Nắp nhựa không thể ngăn hoàn toàn hiện tượng này, nhưng có thể kéo dài thời gian trước khi sự cố bắt đầu phát sinh. Vì vậy, việc duy trì tình trạng cổng hút chân không luôn được che phủ là hết sức quan trọng. Nếu nitơ lỏng bị đổ lên nắp nhựa, nắp có thể bị nứt (đây cũng là dấu hiệu của thao tác nạp không đúng); khi đó cần thay nắp mới cho cổng hút chân không càng sớm càng tốt. Các nắp này có chi phí thấp và MVE sẽ cung cấp nắp thay thế khi cần.

Nhiều năm trước, MVE từng sử dụng nắp kim loại gắn giữ vào thân cổng hút chân không. Mặc dù thiết kế này giúp ngăn bụi bẩn tác động đến O-ring, nhưng lại không đảm bảo xả áp đầy đủ và do đó trở thành một vấn đề về trách nhiệm/an toàn. Trong một thời gian ngắn, chúng tôi chuyển sang dùng nắp nhựa cứng có khả năng xả áp, nhưng lại không bảo vệ nút khỏi bụi bẩn. Thiết kế hiện đang áp dụng được xem là phương án an toàn và thuận tiện nhất để bảo vệ O-ring mà không làm tăng chi phí của bình Dewar nitơ lỏng. Dù kiểu dáng có thể khác nhau tùy nhà sản xuất, đây dường như là thiết kế phổ biến được áp dụng rộng rãi trong ngành.

Biện pháp an toàn trong quá trình nạp này đặc biệt quan trọng đối với các bình vận chuyển dạng hơi nitơ lỏng (liquid nitrogen vapor shippers), nơi “dư địa” để khắc phục khi xảy ra sự cố thường thấp hơn. Các vapor shipper thường ở trạng thái ấm khi cần nạp (charging) LN₂. Do thể tích khoang trong nhỏ hơn và có thêm lớp lót cần được làm lạnh, hiện tượng bốc hơi tức thời ban đầu (initial flash-off) sẽ lớn hơn so với khi bình Dewar đã ở trạng thái lạnh. Vì lý do đó, vapor shipper thường cần được nạp bổ sung trong suốt chu kỳ nạp. Hướng dẫn nạp đúng quy trình được nêu trong tài liệu hướng dẫn đi kèm mỗi bình Dewar nitơ lỏng MVE, áp dụng cho cả dòng bình chứa dạng lỏng và dòng bình vận chuyển dạng hơi.

Biogroup là nhà phân phối chính thức của MVE tại Việt Nam. Bên cạnh việc cung cấp thiết bị, chúng tôi còn hỗ trợ dịch vụ bảo dưỡng bình nitơ lỏng lưu trữ mẫu, đảm bảo thiết luôn vận hành ổn định.

Xem thêm: Hướng dẫn vận hành bình trữ lạnh phôi, tinh trùng MVE XC 47

NGUỒN THAM KHẢO

1. Dangers of overfilling your cryogenic (Part 1)

2. Dangers of overfilling your cryogenic (Part 2)