氨制冷裝置特種設備的損傷模式及定期檢驗

王鋒淮，王其波，葉宇峰，趙　磊，蔡剛毅

(1 浙江省特種設備檢驗研究院，浙江　杭州　310020；2 舟山市特種設備檢測院，浙江　舟山　316000)

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化工機械

氨制冷裝置特種設備的損傷模式及定期檢驗

王鋒淮1，王其波2，葉宇峰1，趙磊1，蔡剛毅1

(1 浙江省特種設備檢驗研究院，浙江杭州310020；2 舟山市特種設備檢測院，浙江舟山316000)

氨制冷系統廣泛應用于食品、化工、制藥等行業。目前，主要用于制冷、制冰、冷藏的中小型制冷系統普遍使用壓縮式制冷裝置，如何安全使用和維修保養氨制冷壓力容器和壓力管道成為越來越值得關注的話題。本文從氨制冷壓力容器和壓力管道常見的失效機理入手，探討氨制冷系統壓力容器和壓力管道的檢驗策略。

氨制冷；失效；壓力容器；壓力管道

氨是一種廣泛應用于各類大小型冷庫的制冷劑。在常溫下，氨是一種無色、有強烈刺激臭味的有毒氣體。與其它制冷劑相比，用氨作為冷媒的裝置制冷效果好、污染小、經濟性高。利用液氨作制冷劑已有一百多年歷史，在我國氨制冷技術廣泛應用于醫藥、制冰、冷庫、水產加工等行業，極大地促進了工業、農業、醫療和物流業的發展，改善人民生活質量。

氨制冷系統由壓力容器和壓力管道相連而成，其中壓力容器主要有貯氨器、低壓循環貯液桶、中間冷卻器、油分離器、冷凝器和集油器等，系統的工作壓力一般小于2.0 MPa。在我省實際應用中的制冷系統一般有蒸發溫度為-5～-20 ℃的一級壓縮制冷系統和蒸發溫度為-40～-20 ℃的二級壓縮制冷系統。

氨制冷系統具有需要長周期連續運行的工藝特點、裝置中壓力容器和壓力管道內的主要介質是氨和部分壓縮機油。氨制冷裝置的運行工藝和介質屬性決定了其特有的損傷機理和失效模式[1-2,4-5]。

1　氨制冷系統的損傷模式

1.1氨制冷系統壓力容器的損傷模式

氨制冷系統一般為單系統運行，工藝條件也要求系統進行長周期運行，因此裝置內的壓力容器有其特有的損傷模式。

1.1.1帶隔熱層容器的外表面腐蝕

在相對濕度RH<70%的環境條件下，氨制冷系統內壓力容器就有可能產生化學腐蝕。氨制冷系統的中間冷卻器、低壓循環儲液桶等容器內的氨液都處于低溫工況下，工藝要求加隔熱層，且隔熱層應具有一定的厚度，隔熱層應整體完整、嚴密。隔熱層對容器有保冷和防潮作用，如果壓力容器的外部隔熱層完好，一般認為隔熱層內壓力容器的外壁腐蝕少，如果隔熱層疏松或有破損，則在潮濕空氣的影響下，在系統循環運行時，隔熱層疏松或有破損部位筒體外壁和隔熱層之間容易出現結霜-溶化-結霜循環，在大氣中氧的侵蝕下，引起壓力容器的外壁發生腐蝕。

另外，含有隔熱層壓力容器的銘牌位置，空氣中水汽容易在銘牌下面積聚，造成銘牌底下的筒體長期處于潮濕環境中造成腐蝕的發生。還有壓力容器筒體的支座附近和接管周圍等幾何不連續處，因為隔熱層在這些部位包裹不嚴，也容易引起水汽凝結積聚，造成隔熱層下的腐蝕。

1.1.2無隔熱層容器的外表面腐蝕

氨制冷系統中的氨油分離器、立式冷凝器、貯氨器和集油器等壓力容器一般無隔熱層，但一般均放置于室外，易遭受潮濕的空氣、雨水侵蝕，在長時間運行后，如果設備表面的防腐層有破損，容易在設備的外表面產生電化學腐蝕。在相對濕度接近100%時,由于隔熱層破損處設備表面結露或雨水落于筒體表面形成水膜；當相對濕度小于100%時，設備表面無結露條件的，筒體表面會通過毛細凝聚、化學凝聚、吸附凝聚等方式形成水膜。氨制冷系統壓力容器在工作環境中易發生電化學腐蝕的另一個重要的原因是，氨制冷裝置工作環境一般比較潮濕，環境內空氣中含水份多，濕度大，同時，云中中的壓力容器筒體各部位溫度不同、設備筒體各部分材料化學成分也不均勻、容器在制造過程中形成的各部位應力應變不均、設備表面保護膜不完整等原因，設備本身產生腐蝕電池。氨制冷壓力容器表面一旦形成水膜，就會溶解環境中大氣里的CO2從而形成電解質溶液，具有極好的溶解氧條件，形成一方面水膜中始終為氧飽和，另一方面氧又極易到達金屬表面。由于金屬表面的電化學不均勻性，就會構成各種腐蝕電池，產生腐蝕。

1.1.3氨對壓力容器的應力腐蝕

很多氨制冷企業沒有提供氨液成分分析報告，無法控制氨液中的氧、水分、油等含量，加上貯存液氨的各壓力容器，在氨液充裝、設備檢修維護的過程中，容器打開時受到空氣等外界的污染，碳鋼及低合金鋼在這種環境下均易產生應力腐蝕。而空氣中的O2、CO2、N2都會促進液氨對各壓力容器筒體的腐蝕。無論是在筒體氣相或液相中，氨液、氧氣和氮氣與碳鋼或低合金鋼均能組成應力腐蝕環境，造成應力腐蝕。其腐蝕機理為：在含氧氣的液氨中,容器表面吸附氧氣形成氧化膜,從而使腐蝕電位變為正值。當壓力容器受拉力產生應變后，氧化膜被破壞,暴露出來的鋼材新鮮表面與附近有氧化膜的金屬表面組成微電池，產生快速溶解。在沒有其他雜質存在時,氧氣能在裸露金屬表面上再次形成氧化膜,抑制應力腐蝕的產生。但是當液氨中溶有氮氣時,氮氣會與氧氣在滑移階上產生競爭吸附,阻止部分裸露滑移階的再鈍化,從而增加了鋼的應力腐蝕斷裂敏感性。只要缺少上述任何一種條件,應力腐蝕均不能發生[3-4,6]。

碳鋼暴露于液氨中，未經過熱處理的焊縫金屬和熱影響區可能發生應力腐蝕開裂。NB/T47012附錄F(規范性附錄)中規定，對于鋼制氨制冷壓力容器的液氨，應滿足以下條件之一：①含氨量應大于99.995%，②含氨量應不小于99.6%，且其中含水量應大于0.2%。因為當滿足這兩項條件之一時，氨液對鋼的應力腐蝕的敏感度較低。在TSG R7001-2013附件C中對于應力腐蝕敏感較低和較高的情況分別提出了不同的檢驗項目，也是基于可能由氨應力腐蝕開裂引起的設備失效模式的考慮。

1.2氨制冷裝置管道的失效模式

氨制冷系統壓力管道管徑一般為57～219 mm之間，介質有液氨和氨氣。工作壓力低壓側一般在1.2 MPa以下，高壓側一般在2 MPa以下。工作溫度低壓側在-18 ℃以上，高壓側在150 ℃以下。氨制冷管道的主要失效模式有泄漏失效、剛度失效和強度失效等。

1.2.1管路系統泄漏

包括管道、閥門、連接法蘭、泵的密封等設備及部位。由于壓力管道無專業設計，安裝時不規范，安裝質量無法得到有效的保證，有些投時間長的冷庫，由于使用單位對氨制冷系統未實施有效的維保，導致設備老化速度快，有些使用單位在未經設計驗證的情況下對裝置進行維修、改造壓力管道，由于改造單位的能力不足和不規范施工，導致官道上形成新的缺陷和損傷等。典型的有融霜管道漏氨，即在融霜工藝操作過程中，容易造成蒸發器等管道及閥門內前后壓差過大。管內冷凍機油及氨液急速運動而產生撞擊，致使管道及閥門等爆裂而發生跑氨事故。

1.2.2管道腐蝕

氨制冷系統壓力管道由于腐蝕而引起的破壞的形態主要有局部腐蝕引起壁厚減薄、應力腐蝕造成開裂和腐蝕疲勞引起開裂等。局部腐蝕主要是管道外表面直接受到大氣腐蝕侵蝕，對于使用年限較長的回氣管道，由于防腐層的老化和脫落表現尤其突出，在周圍環境的影響下，嚴重時會造成管道腐蝕穿孔漏氨；氨管道的應力腐蝕主要由于管道在安裝時焊接和冷加工帶來的殘余應力和管內的氨介質共同作用引起。氨管道的腐蝕疲勞是管道運行情況下承受的交變應力與管內介質共同作用下發生的腐蝕開裂。氨制冷裝置的疲勞源有壓縮機引起的機械激振、介質流動引起流體喘振、交變運行工況下交變熱應力、壓力循環等。交變載荷也會導致管道組成件和焊縫內部原有缺陷的擴大和管道連接接頭的泄漏。

1.2.3脆性斷裂

由于壓力管道在安裝時安裝單位安裝不規范，焊接工藝不符合要求，未進行無損檢測。或者檢測比例不夠。焊接缺陷主要有焊縫幾何成形偏差過大、焊縫表面缺陷、埋藏缺陷、未焊透等。在氨制冷的低溫工況下在應力集中部位產生低溫脆斷。另外，壓縮機、泵作為振動源使得其進、出口部位及近處焊縫、管件及管道易產生振動疲勞裂紋，當裂紋擴展后，導致管道開裂失效。

2　檢驗措施

氨制冷管道需要進行長周期的運行，一般不允許進行停機排液檢驗。同時結合氨制冷裝置壓力容器和壓力管道的失效形式。因制定針對性的檢驗策略，壓力容器和壓力管道的定期檢驗需注意如下幾點：

2.1根據使用單位情況選擇檢驗項目和比例

目前，我省已建設的氨制冷裝置參差不齊，有些廠建設已超過20多年，壓力容器和壓力管道的相關建設資料已經遺失，氨機房的布置比較緊湊，冷庫離城市較近。設備的隔熱層也有破損。有些廠建設后投用時間不長，設備資料齊全，管道安裝資料詳細，設備隔熱層完好。

結合對浙江省內氨制冷裝置企業的摸查結果，認為對于2000年之前建設的氨制冷裝置，檢驗時應拆除低壓側壓力容器和壓力管道上部分隔熱層，檢查壓力容器筒體的焊縫布置、外觀成形，抽查筒體壁厚，焊縫表面缺陷，如果發現焊縫表面缺陷，視情況增加焊縫埋藏缺陷檢測，或者利用生發射檢測技術確認存在的缺陷是否有活性。對于資料遺失的設備，進行光譜分析，必要時進行強度校核。檢查低壓側管道的壁厚，及焊縫質量檢測，對發現的缺陷進行評價，如果超過允許范圍，則進行返修。對于2000年之后建設的氨制冷裝置，我們建議可不拆除隔熱層或部分拆除隔熱層檢驗，對壓力容器和壓力管道的主要進行資料審查，壁厚抽查、隔熱層完整性檢查、閥門和接管法蘭處泄漏檢查，安全附件是否可靠。當發現設備隔熱層有破損處，則需拆除破損的隔熱層進行壁厚抽查，是抽查結果確定是否進行擴檢。對設備損壞的隔熱層應及時修補，隔熱層使用超過一定年限后，應更換。

2.2對氨液成分分析

氨液成分對壓力容器和壓力管道的腐蝕和開裂均有較大的影響，因此，在氨制冷裝置檢驗時，如果具備條件，則對氨液成分進行分析，如果不具備條件，則審查氨液充裝記錄及氨液提供商的氨液成分分析報告。一般來說，氨制冷系統中的氨在系統內封閉循環，經過相態變化把冷庫中的熱量帶到環境中來，系統內的氨基本是穩定的，但是管道上閥門和壓縮機連接管道的法蘭面因密封原因會有輕微的氨泄漏，這也導致了大多少氨制冷系統的氨機房一般有一股氨味，因此，在系統長時間運行后，需要對系統進行充氨。使用單位對購置的氨要嚴格把控，無水液氨只對鋼產生輕微的均勻腐蝕。但對儲存液氨的容器，在充裝排料及檢修的過程中，容器受到空氣的污染，碳鋼及低合金鋼在液氨環境中都具有應力腐蝕敏感性。溫度、液氨純度、鋼的化學成分和力學性能都對抗應力腐蝕性能有一定影響。液氨對鋼制容器的應力腐蝕的敏感溫度為-5～30 ℃。同時，液氨中存在微量的氧就能能促進鋼表面的保護膜破裂，但若同時存在少量水或機油，則可防止應力腐蝕破裂。一般鋼的含碳量越高，強度、硬度越高，破裂敏感性越大。因此，使用單位應提供氨液成分檢查記錄，嚴格控制氨液中的氧、水分、油等含量，以減少應力腐蝕。

2.3高壓側壓力容器和壓力管道的檢驗

氨制冷裝置檢驗困難主要在于不停機狀態下的低壓側壓力容器和壓力管道檢驗。高壓側壓力容器和壓力管道則相對容易實施檢驗，高壓側壓力容器和壓力管道一般無隔熱層，壓力管道內的氨有氣態和液態，管道溫度為常溫。

高壓側壓力容器主要有貯氨器、油分離器和集油器等，主要進行資料審查、壓力容器宏觀檢查、壁厚檢測和外表面無損檢測。其中宏觀檢查應對壓力容器的各個部位都進行，重點檢查防腐層破損部位和其它可疑部位。對應力集中部位、變形部位、有懷疑的焊接接頭、補焊區、工卡具焊跡、電弧損傷處和易產生裂紋的部位應當進行外表面無損檢測。

壓力管道檢驗主要是進行管件的壁厚抽查，對壓縮機出入口管道，壓力容器出入口管道焊縫的進行無損檢測。壁厚抽查主要是檢驗氨制冷裝置長時間運行后是否存在腐蝕減薄和形狀突變處的沖刷。

壓縮機運行時往往帶動與之相連管道的振動，尤其活塞式壓縮機的一、二級排氣管振動較為嚴重，與之相鄰管道焊縫存在疲勞損傷機理。定期檢驗時，需對管道明顯振動范圍的焊縫進行表面無損檢測和埋藏缺陷檢測。若經檢測發現超標缺陷，則應進行返修，同時對發現缺陷的管道進行管系應力分析，應力分析時應充分考慮管道的各項載荷條件。應力分析合格的管道可以在加強在線監測的條件下使用，在運行中，應對振動管道的焊縫定期進行檢測。應力分析不合格的管道應停止使用，實施壓力管道的改造。

3　結論和建議

通過對氨制冷裝置壓力容器和壓力管道損傷模式的分析，對氨制冷裝置的設備進行區分檢驗具有一定的可行性。制定具體檢驗策略時應考慮氨制冷裝置的運行狀況。

結合氨制冷裝置使用單位的具體情況，氨制冷裝置檢驗時機和檢驗項目選擇需同時考慮壓力容器和壓力管道損傷模式和檢驗的經濟性。

[1]盧均臣,王延平.涉氨企業事故分析與對策[J].廣州化工,2015,43(21):235-237.

[2]朱延煜.氨吸收制冷及壓縮制冷工藝比較[J].廣州化工,2010,38(07):220-221.

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[5]呂文濤,錢英豪,吳曉風.氨制冷系統壓力管道現狀及缺陷研究[J].化工裝備技術,2015,36(5):27-30.

[6]金炳國.氨制冷壓力容器檢驗要點分析[J].科技致富向導,2013(30):105.

Damage Mechanism of Ammonia Refrigeration’s Special Equipment and Periodic Inspection Methods

WANGFeng-huai1,WANGQi-bo2,YEYu-feng1,ZHAOLei1,CAIGang-yi1

(1 Zhejiang Provincial Special Equipment Inspection and Research Institute, Zhejiang Hangzhou 310020；2 Zhoushan City Special Equipment Inspection Institute, Zhejiang Zhoushan 316000, China)

Ammonia refrigeration is widely used in food, chemical, pharmaceutical and other industries. Small ammonia refrigeration system is commonly used in refrigeration, ice, frozen industries. How to use and maintenance of ammonia refrigeration’s pressure vessel and pressure pipeline safely has attracted wide attention. Some inspection methods based on the damage mechanism of ammonia refrigeration’s pressure vessel and pressure pipeline were proposed.

ammonia refrigeration; damage; pressure vessel; pressure pipeline

王鋒淮(1985-)，男，工程師，主要從事壓力容器和壓力管道等特種特備檢驗檢測和相關研究工作。

TQ050.7

B

1001-9677(2016)012-0158-03