關(guān)于氨制冷管道低壓側(cè)設(shè)計有關(guān)問題的探討

李隆駿 盧 沛

（臺州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗中心 臺州 318000）

關(guān)于氨制冷管道低壓側(cè)設(shè)計有關(guān)問題的探討

李隆駿 盧 沛

（臺州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗中心 臺州 318000）

對氨制冷系統(tǒng)的實際工況和特殊工況進行了分析，通過對目前國內(nèi)在用的幾個設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準的對比，和國內(nèi)沿用幾十年的制造、安裝經(jīng)驗的分析，提出了在氨制冷管道低壓側(cè)的設(shè)計環(huán)節(jié)，必須明確“低溫低應(yīng)力”工況；對于采用熱氨融霜工藝的氨制冷系統(tǒng)，必須考慮短時的“低溫高應(yīng)力”工況，并在設(shè)計上采取相應(yīng)的對策，以確保運行安全。

氨制冷管道 低壓側(cè) 設(shè)計標(biāo)準 低溫低應(yīng)力 低溫高應(yīng)力 溫控電磁閥

氨制冷系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于冷凍行業(yè)和化工行業(yè)，氨制冷系統(tǒng)最主要的組成部分就是管道，用于循環(huán)輸送氨制冷劑，伴有高低溫轉(zhuǎn)變和氣液兩相轉(zhuǎn)變。近期氨制冷事故頻發(fā)，氨制冷系統(tǒng)的安全性引起了廣泛關(guān)注。國務(wù)院安委會發(fā)布了安委〔2013〕6號“關(guān)于深入開展涉氨制冷企業(yè)液氨使用專項治理的通知”；國家質(zhì)檢總局發(fā)布了質(zhì)檢特函〔2013〕61號“關(guān)于氨制冷裝置特種設(shè)備專項治理工作的指導(dǎo)意見”，可見國家對氨制冷行業(yè)安全的高度重視。其中質(zhì)檢特函〔2013〕61號規(guī)定：“涉氨壓力管道設(shè)計文件的內(nèi)容應(yīng)符合TSG D0001—2009《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程—工業(yè)管道》[1]的規(guī)定，壓力管道的設(shè)計應(yīng)按GB 50072—2010 《冷庫設(shè)計規(guī)范》[2]執(zhí)行”。

1 氨制冷管道實際工況

1.1 普通工況

氨制冷系統(tǒng)包括蒸發(fā)、壓縮、冷凝、節(jié)流四個過程，制冷劑氨在系統(tǒng)中經(jīng)過四個過程的循環(huán)進行，氣液狀態(tài)不斷變化，與外界進行熱量交換，達到制冷目的。氨制冷系統(tǒng)壓力管道分為低壓側(cè)和高壓側(cè)，壓縮機出口到節(jié)流閥入口之間的管道稱為高壓側(cè)，節(jié)流閥出口到壓縮機入口之間的管道稱為低壓側(cè)。雙級壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)的中間冷卻器所屬管道也算是低壓側(cè)。高壓側(cè)的工作壓力小于1.45MPa，工作溫度為40～140℃。低壓側(cè)管道根據(jù)使用條件不同一般分為冷藏、冷凍和速凍（包括單凍機）管道，依照《冷庫設(shè)計規(guī)范》，對應(yīng)的最低工作溫度分別為-15℃、-35℃和-48℃；對應(yīng)的工作壓力（絕對壓力）分別為0.236MPa、0.093MPa和0.046MPa。

1.2 特殊工況——熱氨融霜

熱氨融霜在氨制冷企業(yè)中比較常見。冷庫內(nèi)的管道表面在使用過程中會大量結(jié)霜，若不及時清除會影響制冷效果。特別是速凍（包括單凍機）管道，由于速凍工藝需要更低的溫度，也更容易結(jié)霜。熱氨融霜效率高，效果好，是把經(jīng)過油分離器濾油后的熱氨氣通過回氣調(diào)節(jié)站逆向沿回氣總管分別引入蒸發(fā)器的管路系統(tǒng)中，利用熱氨氣的熱量使蒸發(fā)器外表面的凝霜融化。熱氨氣經(jīng)過冷卻后變成液氨，通過氨液調(diào)節(jié)站輸送至低壓循環(huán)桶或排液桶。

2 “低溫低應(yīng)力”工況的提出

2.1 氨制冷壓力管道相關(guān)規(guī)范及設(shè)計標(biāo)準對“低溫低應(yīng)力工況”的定義及差別

依據(jù)在用的安全技術(shù)規(guī)范及設(shè)計標(biāo)準如TSG D0001—2009《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程—工業(yè)管道》[1]、GB/T 20801—2006《壓力管道規(guī)范—工業(yè)管道》[3]、GB 50316—2000《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范》[4]和GB 50072—2010 《冷庫設(shè)計規(guī)范》[2]等，對“低溫低應(yīng)力”工況的描述是不同的。國內(nèi)也有文獻[5]將制冷管道設(shè)計標(biāo)準進行過對比分析。

對于壓力不高、應(yīng)力不大、工作溫度低于-20℃的制冷管道，《壓力管道規(guī)范—工業(yè)管道》和《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范》均提出了對處于低溫低應(yīng)力工況的管道，在特定條件下可免做沖擊試驗、允許降低材料的使用溫度下限。而對于“低溫低應(yīng)力”工況的定義，各標(biāo)準有所不同。

1）GB/T 20801—2006 《壓力管道規(guī)范—工業(yè)管道》對“低溫低應(yīng)力”工況的定義為“低溫低應(yīng)力”工況系指同時滿足下列各項條件的工況：（1）低溫下的最大工作壓力不大于常溫下最大允許工作壓力的30%；（2）管道由壓力、重量及位移產(chǎn)生的軸向拉（應(yīng)力）總和不大于10%材料標(biāo)準規(guī)定最小抗拉強度值（計算位移應(yīng)力時，不計入應(yīng)力增大系數(shù)）；（3）僅限于GC2級管道，且最低設(shè)計溫度不低于-101℃[3]。按此三條定義，冷凍、速凍及單凍機管道低溫下的工作壓力遠小于常溫下最大允許工作壓力的30%；軸向拉應(yīng) 力： σL= PD/ 4 δ = 0 . 0 9 3 × 2 19 / (4 × 8) = 0.6 3 6MPa （回氣總管尺寸按φ219進行計算）均遠小于GB/T 8163—2008《輸送流體用無縫鋼管》規(guī)定的20號鋼最小抗拉強度410MPa的10%。因此，符合“低溫低應(yīng)力”工況的條件，使用溫度符合要求。

2）GB 50316—2000 《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范》[4]對“低溫低應(yīng)力”工況的定義為：設(shè)計溫度低于或等于-20℃的受壓的管道組成件，其環(huán)向應(yīng)力小于或等于鋼材標(biāo)準中屈服點的1/6，且不大于50MPa的工況。

比較兩個標(biāo)準，對“低溫低應(yīng)力”工況的定義是有不同的，《壓力管道規(guī)范—工業(yè)管道》對低溫下的最大工作壓力也做出了限制，且按照理論公式計算，直管段的環(huán)向應(yīng)力一般為軸向應(yīng)力的兩倍，從應(yīng)力數(shù)值看，要求的差別也較大。

而由于國家質(zhì)檢總局的壓力管道安全技術(shù)規(guī)范：《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程—工業(yè)管道》對《壓力管道規(guī)范—工業(yè)管道》的引用，使其從原來的推薦性標(biāo)準變成了部分條款為強制性的標(biāo)準。且第51條規(guī)定：“管道組成件的設(shè)計和選用應(yīng)當(dāng)符合GB/T 20801的規(guī)定”。因此，如果在用氨制冷管道屬于特種設(shè)備目錄壓力管道的范疇，當(dāng)?shù)蛪簜?cè)按常規(guī)與習(xí)慣選用20號鋼時，采用《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范》作為設(shè)計標(biāo)準已不合適。

3）GB 50072—2010 《冷庫設(shè)計規(guī)范》雖未明確提及“低溫低應(yīng)力工況”，但對氨制冷系統(tǒng)壓力管道的設(shè)計參數(shù)做了規(guī)定，氨制冷系統(tǒng)低壓側(cè)的設(shè)計壓力規(guī)定為1.5MPa，設(shè)計溫度規(guī)定為43℃。由此可見，低壓側(cè)也不是按低溫管道進行設(shè)計的。且標(biāo)準規(guī)定低壓側(cè)最低工作溫度可達-48℃，在此條件下，管材允許使用GB/T 8163 《輸送流體用無縫鋼管》[6]標(biāo)準的10號、20號鋼，且標(biāo)準條文中對管材的壁厚與工作溫度的關(guān)系未作進一步闡述。

如此一來，三個設(shè)計標(biāo)準對氨制冷管道低壓側(cè)的設(shè)計產(chǎn)生了一些矛盾，當(dāng)屬于特種設(shè)備目錄的壓力管道范疇時，必須要遵循《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程—工業(yè)管道》，因此判斷管道是否屬于“低溫低應(yīng)力”工況是低壓側(cè)冷凍、速凍（包括單凍機）壓力管道選材的關(guān)鍵，影響到整個氨制冷系統(tǒng)的經(jīng)濟性和安全性。因此，應(yīng)慎重考慮設(shè)計標(biāo)準的選取。不同的設(shè)計標(biāo)準在“低溫低應(yīng)力”工況的處理上也應(yīng)該統(tǒng)一。

2.2 管道組成件的選用可以反證“低溫低應(yīng)力”工況

從國內(nèi)設(shè)計、安裝的現(xiàn)狀看，氨制冷管道最常用的管材基本上都是選用GB/T 8163標(biāo)準的20號鋼，這是為制冷行業(yè)所一致認可的，是國內(nèi)氨制冷系統(tǒng)多年成功設(shè)計、運行的經(jīng)驗結(jié)晶，業(yè)界內(nèi)至今沒有人對這一選材提出質(zhì)疑。

●2.2.1 管材的選用——材料的使用溫度

《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：材料的使用溫度，不應(yīng)超出本規(guī)范附錄A所規(guī)定的溫度上下限。對于GB/T 8163中的20號鋼的使用溫度下限為-20℃。

在《壓力管道規(guī)范—工業(yè)管道》中規(guī)定，20號鋼厚度≤15mm時，最低使用溫度＞-20℃；低溫低應(yīng)力工況下，最低使用溫度為-101℃，免除沖擊試驗；無法制備2.5mm×10mm×55mm沖擊試樣時，最低使用溫度為-46℃，免除沖擊試驗。由此可見，兩者對最低使用溫度的規(guī)定差別較大，GB/T 20801對使用溫度的要求放得更寬。

《冷庫設(shè)計規(guī)范》雖然允許管材使用GB/T 8163標(biāo)準的10號、20號鋼，但標(biāo)準條文中對管材的壁厚與工作溫度的關(guān)系未作進一步闡述。這就與上文產(chǎn)生了矛盾，在壓力管道范疇，參照《壓力管道規(guī)范—工業(yè)管道》在特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范中的地位，因此，從管道組成件材料選用的角度出發(fā)，《冷庫設(shè)計規(guī)范》應(yīng)明確提出“低溫低應(yīng)力”工況的概念。

●2.2.2 其他管道組成件的選用——材料的使用溫度

《冷庫設(shè)計規(guī)范》同時規(guī)定：“制冷管道所用的彎頭、異徑管接頭、三通、管帽等管件應(yīng)采用工廠制作件，其設(shè)計條件應(yīng)與其連接管道的設(shè)計條件相同，……”

其他管道組成件舉個閥門的例子，主體材質(zhì)以20號鋼對焊件或WCB鍛件為主，20號鋼對焊管件的使用溫度下限與20管材相同，WCB使用溫度下限一般為-29℃，如果設(shè)計上不能確定為“低溫低應(yīng)力”工況，那上述材質(zhì)的閥門也不適用于材料最低使用溫度以下的冷凍或速凍管道系統(tǒng)。彎頭、管帽、異徑管接頭和三通等其他管件也是同樣道理。

●2.2.3 材料方面的其他佐證

根據(jù)參考文獻[7]的低溫沖擊試驗結(jié)果，20號鋼母材、手工焊縫、氬弧焊焊縫低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度分別約為-35℃、-25℃、-34℃。對于在-35℃工作環(huán)境下服役的管道，已經(jīng)位于向低溫脆性轉(zhuǎn)變的高風(fēng)險，難以確保安全運行。只有在設(shè)計上確定為“低溫低應(yīng)力”工況，方可以不按低溫管道進行設(shè)計，這也是《冷庫設(shè)計規(guī)范》規(guī)定低壓側(cè)設(shè)計溫度取43℃的原因，與NB/T 47012《制冷裝置用壓力容器》[8]低壓側(cè)容器設(shè)計溫度取38℃異曲同工。

2.3 焊材的選用可以反證“低溫低應(yīng)力”工況

據(jù)了解，目前國內(nèi)氨制冷管道常用管20號鋼的焊接方法與焊接材料基本都是按表1選用的，同樣，業(yè)界內(nèi)至今也沒有人對這一選材提出質(zhì)疑。

表1 氨制冷管道常用管材20號鋼的焊接方法、焊接材料、標(biāo)準及沖擊試驗溫度

目前用于碳鋼及低合金低溫用鋼的焊絲主要有含Ni焊絲，如ER55-Ni1，ER55-Ni2等，標(biāo)準規(guī)定的沖擊試驗溫度見表2。

表2 用于碳鋼及低合金低溫用鋼的焊絲

GB/T 5117—2012標(biāo)準規(guī)定的用于碳鋼及低合金低溫用鋼的焊條及沖擊試驗溫度見表3。

表3 用于碳鋼及低合金低溫用鋼的焊條

表 4是 符 合 NB/T 47018.2—2011（ 在 GB/T 5118—1995的基礎(chǔ)上）的低溫用鋼的焊條及沖擊試驗溫度，當(dāng)時GB/T 5118—1995還沒有更新，所以兩個標(biāo)準的型號有所差異。

表4 低溫用鋼的焊條（NB/T 47018.2—2011）

規(guī)定了沖擊試驗溫度等于規(guī)定了焊材的使用溫度下限，低溫焊材是和相應(yīng)強度的低溫母材相配合使用的，如果屬于低溫管道，則只能選用表3、表4的焊材，它們均是50kg或者是55kg級別的含Ni焊材，配常用的20號鋼強度是偏高的，焊條有高一個級別的，焊絲更是要高兩個級別，且焊材合金成分均增加了Ni，價格也比普通焊材高不少。目前氨制冷行業(yè)無人用此低溫焊材，即匹配性、經(jīng)濟性均不可能為行業(yè)所接受。

所以，根據(jù)表1焊材的選用也可以反證氨制冷管道低壓側(cè)設(shè)計時必須明確“低溫低應(yīng)力”工況。

3 特殊工況：“低溫高應(yīng)力”及設(shè)計建議

3.1 短時“低溫高應(yīng)力”工況

在熱氨融霜時，若操作不當(dāng)，也就是打開閥門速度過快，即未充分“暖管”，熱氨氣逆向進入回氣總管速度過快，將會出現(xiàn)一種極危險的工況，可將之稱為“低溫高應(yīng)力”，以冷凍、速凍管道為例，按文獻[5]，正常管道內(nèi)的過冷氨氣最低工作溫度可達-35℃以下；熱氨融霜時，先開啟融霜回液閥，與循環(huán)桶或排液桶連通，循環(huán)桶的壓力在0.2～0.3MPa左右，蒸發(fā)器內(nèi)的液氨在壓差作用下，向回氣總管流動，壓力平衡到0.2MPa左右，造成回氣總管氣液共存。此時，當(dāng)熱氨進氣閥快速開啟時，熱氨的壓力約0.7MPa，溫度在80℃左右，冷熱氨氣混合凝結(jié)成液氨，在壓差Δp≈0.5MPa作用下，管內(nèi)液氨直接不斷快速累積，壓力急速變大，并形成具有沖擊破壞力的液錘。按照《壓力管道規(guī)范—工業(yè)管道》的定義，低溫下的工作壓力已經(jīng)超過了常溫下最大允許工作壓力的30%，已經(jīng)不屬于低溫低應(yīng)力工況了。而此時，管道材質(zhì)因為熱交換時間過短仍處于相對低溫狀態(tài)，所以，可以將這短時的狀態(tài)稱之為“低溫高應(yīng)力”工況，這是一種最危險的工況，按上文2.2.3，此時管道材料處于低溫脆性狀態(tài)，極容易在高應(yīng)力（內(nèi)壓加液錘）下直接導(dǎo)致脆性斷裂。

3.2 防止“低溫高應(yīng)力”工況的設(shè)計建議

根據(jù)國家質(zhì)檢總局特種設(shè)備安全監(jiān)察局質(zhì)檢特函〔2013〕61號文件的規(guī)定，如果需要采用熱氨融霜工藝，必須設(shè)置有效地防止產(chǎn)生超壓、液擊的控制裝置。根據(jù)文件要求，在進行氨制冷壓力管道設(shè)計時建議采取以下措施：融霜管的熱氨進口處應(yīng)當(dāng)設(shè)置減壓閥，保證減壓閥后的熱氨工作壓力≤0.6MPa，減壓閥后應(yīng)當(dāng)設(shè)置壓力表、安全閥；回氣調(diào)節(jié)站的熱氨總管和沖霜回液的總管也應(yīng)當(dāng)上設(shè)置壓力表和安全閥；熱氨融霜的管子規(guī)格不宜過大，應(yīng)盡量降低熱氨氣的流量。

設(shè)計單位該當(dāng)充分考慮到最危險的工況，不能將安全責(zé)任寄托于使用單位的“安全操作規(guī)程”。在此提出了一個熱氨融霜的回路設(shè)計方案，如圖1所示。

圖1 熱氨融霜回路設(shè)計方案

如圖1所示，對采用熱氨融霜工藝的管道，主要措施是在油分與回氣總管間設(shè)置一個電磁閥，當(dāng)油分側(cè)截止閥開啟時，此時，與電磁主閥配套的溫度導(dǎo)閥將回氣總管側(cè)金屬溫度傳導(dǎo)給主閥，該電磁主閥的工作原理是根據(jù)溫度差自動控制閥門開度。當(dāng)溫差過大時，閥門開度小，當(dāng)溫差縮小時，閥門開度適當(dāng)增大，從而控制熱氨氣通過電磁閥進入回氣總管的流量。即必須要給予回氣總管充分的“暖管”的時間，電磁主閥的開度調(diào)節(jié)由設(shè)計方提出，初始階段閥門開度足夠小、熱氨氣流量足夠少，只有當(dāng)回氣總管溫度非常緩慢的回升到-20℃以上才可緩慢地增加閥門開度，回避形成液錘的可能性，就可以避免最危險的“低溫高應(yīng)力”工況。當(dāng)然，電磁主閥的開度如何科學(xué)地調(diào)節(jié)，值得行業(yè)各方進一步思考。

4 結(jié)論與建議

針對氨制冷管道低壓側(cè)的設(shè)計環(huán)節(jié)，設(shè)計標(biāo)準必須明確“低溫低應(yīng)力”工況；國內(nèi)多年來在氨制冷管道設(shè)計安裝使用上的實際安全經(jīng)驗、管道組成件材質(zhì)的選用、焊材的選用也反過來證明設(shè)計規(guī)范或標(biāo)準必須明確“低溫低應(yīng)力”工況；

國內(nèi)設(shè)計標(biāo)準對氨制冷管道低壓側(cè)的設(shè)計存在矛盾，建議在“低溫低應(yīng)力”工況的處理上應(yīng)該統(tǒng)一；對于采用熱氨融霜工藝的氨制冷系統(tǒng)，必須考慮短時的“低溫高應(yīng)力”工況，并在設(shè)計上采取相應(yīng)的對策，以確保運行安全。建議在油分與回氣總管間設(shè)置一個溫控電磁閥，用溫差來控制閥門開度，從而控制熱氨氣流量，以回避最危險的“低溫高應(yīng)力”工況。

[1]TSG D0001—2009 壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程—工業(yè)管道[S].

[2]GB 50072—2010 冷庫設(shè)計規(guī)范[S].

[3]GB/T 20801—2006 壓力管道規(guī)范—工業(yè)管道[S].

[4]GB 50316—2000 工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范(2008年版) [S].

[5]熊從貴.冷庫制冷壓力管道設(shè)計標(biāo)準的對比分析[J].冷藏技術(shù)，2010，132(02)：45-51.

[6]GB/T 8163—2008 輸送流體用無縫鋼管[S].

[7]郭吉林，許林滔，盧沛，等.20#鋼及焊縫低溫沖擊韌性試驗研究[J].能源與環(huán)境，2016，(04)：15-16.

[8]NB/T 47012—2010 制冷裝置用壓力容器[S].

[9]GB/T 8110—2008 氣體保護電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲[S].

[10]NB/T 47018—2011 承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)條件[S].

[11]GB/T 5117—2012 非合金鋼及細晶粒鋼焊條[S].

Discussions on the Design of Low Pressure Side in Ammonia Refrigeration Pipeline

Li Longjun Lu Pei
(Taizhou Special Equipment Supervision and Inspection Center Taizhou 318000)

This paper analyzes the actual working conditions and special conditions in ammonia refrigeration system. Based on the comparison in several design specifications and standards for domestic use, and analysis of decades of experience in manufacturing and installation, a suggestion is put forward that “l(fā)ow temperature and low stress” condition must be considered in the design of the low pressure side of ammonia refrigeration pipeline. For the hot ammonia defrosting process, in order to ensure the safe operation, short-term “l(fā)ow temperature and high stress”conditions must be considered, and corresponding measures should be taken in the design.

Ammonia refrigeration pipeline Low pressure side Design standard Low temperature and low stress Low temperature and high stress Temperature control electromagnetic valve

X933.4

B

1673-257X(2017)09-0010-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.09.003

李隆駿（1971～)，男，本科，總工程師，高級工程師，從事承壓類特種設(shè)備的監(jiān)督檢驗與檢測技術(shù)研究工作。

李隆駿，E-mail： 13857677129@163.com。

2017-03-20）