深冷設備LNG冷箱內漏的分析及處理

周躍輝

摘 要：針對深冷設備YT-20型焦爐氣制天然氣液化冷箱2016年3月份泄露的故障現象，通過分析、判斷，最終找到了引起冷箱內混合制冷劑泄漏故障的原因，并從檢修和日常管理等方面提出了技術性改進建議。

關鍵詞：深冷設備;冷箱;混合制冷劑;內部泄漏

中圖分類號： TQ116.34 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ?文章編號： 1673-1069（2017）01-166-2

1 ?設備簡介

河南京寶新奧新能源有限公司YT-20型焦爐氣制天然氣液化冷箱深冷設備由四川空分設備（集團）有限責任公司設計、制造。原料天然氣流量809kmol/h，混合劑流量2254kmol/h，液化LNG產量540kmol/h，原料天然氣壓力1.82MPa，混合制冷劑壓力2.8MPa，液化LNG壓力0.4MPa。于2013年9月建成投產，各項技術參數均達到設計指標。在設備運行期間考慮到冷箱的特殊性，故每次大修和日常維護期間都對冷箱視為重點。而在2016年3月份的制冷劑補充量有所增加，并且補充量成逐漸上升趨勢，取樣化驗分析發現冷箱內部有重組分，經分析斷定冷箱內部混合制冷劑管道發生泄漏。

2 ?流程簡介

混合制冷液化流程簡稱MRC，即Mixed Refrigerant Cycle.MRC是以C1和C5的碳氫化合物及N2等五種以上的多組分混合制冷劑為工質，進行逐級的冷凝、蒸發、節流膨脹得到不同溫度水平的制冷量，以達到逐步冷卻和液化天然氣的目的。MRC既達到類似級聯式液化流程的目的，又克服了其系統復雜的缺點。

冷箱實際上是鋁板翅式換熱器加上鋼殼保溫箱。核心部分是鋁板翅式換熱器，設計和制造的難點易在于此。多股持壓的物流在其中按化工工藝條件和參數進行復雜的、有相變的換熱過程，其操作溫度一般為+30℃至-196℃，最高操作壓力約為5MPa。

冷箱技術關鍵有三個方面：一是正確、精密的板翅式換熱器原件設計;二是專用制造技術和嚴謹的工藝程序;三是嚴格的質量監控和先進的測試技術。

河南京寶新奧新能源有限公司YT-20型焦爐氣制天然氣液化冷箱中混合制冷劑包括五種組分：分別是氮氣（N2/12.99%）、甲烷（CH4/37.67%）、乙烯（C2H4/25.15%）、丙烷（C3H8/16.10%）、異戊烷（i-C5H12/8.09%）。

冷箱制冷劑系統隔離：關閉離心機入口大閥，關閉一段、二段防喘振前后手閥，二級液相制冷劑去冷箱、二級氣相制冷劑去冷箱閥后加盲板，關閉一級液相制冷劑進冷箱閥門及一段入口分離器加熱管線閥門。

冷箱制冷劑管道置換：利用制冷劑補氮氣閥門向制冷劑系統沖壓，從二級氣相進冷箱管線導淋、二級液相進冷箱管線導淋、離心機入口分離器底部導淋及冷箱內部混冷高溫分離器和混冷低溫分離器底部放空泄壓。

3 ?故障現象

2016年3月在日常的維護檢修中發現，冷箱有異常現象發生。

①制冷劑補充液量加大;

②經分析化驗發現冷箱內有重組分;

③冷箱外部閥門及法蘭連接處有結冰現象;

④冷箱內部測溫點溫度有異常;

⑤冷箱底部有積液微量漏出。

冷箱的所有異常的表現引起了工藝和設備人員的高度重視，設備部門有關領導組織維修人員，開始逐步的查找原因。經過圖紙結合實際觀察分析確定，是冷箱內部混合制冷劑管道泄露所制。

4 ?查找漏點

冷箱內部制冷劑管道泄露的事實一經確定，設備部領導班子召開緊急會議，研究查漏、除漏的處理方案。

首先，公司領導組織了冷箱除漏小組，針對提出的冷箱壁打孔尋找漏點的方案進行深入討論，尋找漏電的原理是：通過冷箱壁打孔觀察內部珠光砂的物理狀態情況，再結合冷箱圖紙來判斷冷箱內部混合制冷劑漏點的部位。其次，領導小組針對冷箱壁打孔存在的危險進行了充分的考察論證，最終確定冷箱壁打孔存在的危險是在可控范圍之內的：保證冷箱內部處于正壓狀態，做好防爆消防防護措施，即使冷箱內部可燃氣體引燃也不會發生爆炸，配備相應的滅火器可以即時的把火撲滅。綜上所述，冷箱壁打孔尋找漏點的方案是相對安全可行的。除漏的方案確定后，領導小組就積極的組織檢修人員，對冷箱內部漏點部位進行查找、確定，其次確定漏點部位后，根據漏點情況用什么有效的快速處理方法，盡最大可能減少停車除漏的時間，使停車損失減少到最小。

按照傳統的冷箱泄露處理方法，在對冷箱檢修期間，全廠要停車把冷箱切出，對冷箱內的珠光砂進行徹底清除，經置換合格后檢修人員方可從人孔進入，對制冷劑管道進行一一排查，找出漏點確定處理方案。

經過公司領導及設備、工藝工程師的縝密討論，公司決定采用邊生產邊查漏的方案。具體方案是：在安全部門及公司領導的監督下，檢修工用磁力鉆（鉆頭Φ16mm）在冷箱的可疑部位鉆孔，從冷箱高層向下鉆孔排查，通過鉆孔觀察冷箱該層內部珠光砂的狀態來判斷漏點部位（混合制冷劑中異戊烷是液態，如果該層珠光砂抱團，說明該處存在漏點）。

在該方案實施前應先做到檢修前確認：

①確認冷箱開始檢修前，工藝處理已經完成，閥門已經確認完畢，盲板已安裝完成，置換完成，壓力已排至0;

②確認條件，工具準備齊全，如：墊片、盲法蘭、冷箱堵頭、檢漏工具、各種型號扳手，備用螺栓、吊葫蘆等足夠;

③確認踏板牢固可靠，作業票辦理完整，安全防護措施落實到位，勞保用品穿戴齊全，作業必須使用防爆工具;

④確認檢修項目負責人、人員分組情況、小組人員已確定，分工明確。

5 ?漏點確定及處理

檢修及工藝人員經過對冷箱的逐層鉆孔分析，通過圖紙結合冷箱實際情況逐步分析推斷。在距冷箱頂部6米處冷箱中珠光砂出現抱團現象，初步判斷漏點位置，在該層多次鉆孔觀察確定漏點位置。領導及參加維修人員積極提出處理意見，對漏點處周圍處進行連續鉆孔，然后用直徑Φ8mmx3長度分為1.7m、1.4m、0.8m的鋼管，對漏點四周不同深度打入發泡劑筑成一個密閉空間，把漏點處隔離出來。在對應的漏點處開一個人孔，進入發泡劑隔離的空間查找漏點出的準確位置。見圖1（冷箱夾層中存有易燃易爆氣體，在此期間要特別注意隨時檢測周圍氣體的成分，并隨身攜帶可燃氣體報警儀，所有工具均符合防爆標準。）

在隔離的漏點處人孔打開后，檢修人員穿戴氧氣呼吸器從人孔進入隔離空間內，查找漏點具體位置。經檢修人員的細心檢查，在混冷高溫分離器出口，Φ125mm×5的彎管拐角處發現漏點，漏點直徑有1.0mm左右。漏點直徑計算過程如下：

制冷劑每天泄露補充量：M=1500kg

（補充的液態混合制冷劑主要成分為異戊烷和丙烷，也有少量的乙烯溶入丙烷和異戊烷中，但溶入量很少計算時可忽略不計。）

（在混合制冷劑中丙烷和異戊烷體積比為1：1）

ρ丙烷=600kg·m-3 ?ρ異戊烷=650 kg·m-3 ?ρ混=625 kg·m-3

每天混合制冷劑泄露體積：V=M/ρ混=2.4m3

每秒泄漏量：Q=0.000028m3

混合制冷劑泄露前壓力：P1=300kPa

混合制冷劑泄露后壓力：P2=0.5kPa（計算時可忽略不計）

混合制冷劑泄露前流速可看做零：μ1=0

混合制冷劑泄漏時流速由伯努利方程代入已知數據可得：

gz1+μ12/2+P1/ρ混+ωe=gz2+μ22/2+P2/ρ混

μ2=30.98m/s

漏洞截面積：S=Q/μ2 ? ?S=π·R2

漏洞直徑：d=R=0.00107m

考慮到冷箱內易燃易爆氣體的復雜危險性，公司有關領導及工程師決定，使用抱箍帶壓堵漏的處理方案。

6 ?原因分析

①在DN125的混合制冷劑主管彎頭拐角處有一溶洞沙眼，此洞是安裝過程中遺留的缺陷，而在檢漏過程中該缺陷并沒有表現出來。經過將近3年的運行，小沙眼變成足以破壞運行工況的小洞口。當設備正常運行時，混合制冷劑由小沙眼漏出。

②泄露處位置所制，漏點剛好處于彎管拐角處，正是混合制冷劑改變方向與彎管著力處。彎管拐角處正是受力點，混合制冷劑對彎管拐角處的摩擦力較大，從而增加了管壁的磨損，導致彎管處泄露。

③管道彎管本身質量所制，彎管在焊接出廠時本身就存在缺陷，在所處環境發生變化時缺陷表現出來，就產生了制冷劑泄露。

7 ?經驗與結論

通過對冷箱內泄露故障的處理，深刻認識到深冷設備從設計、安裝、調試到正式投入運行以及正常運行期間的維護保養，都是一項嚴謹細致的工作，在以后的生產過程中應注意以下幾個方面：

①設備安裝、做質檢氣密性實驗時，用戶都要全程跟蹤調查。

②無論設備檢修還是驗收時，都要逐項檢查，不留任何死角。

③冷箱密封要嚴實，其內部密封氣要保持正壓，防止空氣進入冷箱內部，這樣會使冷箱環境發生變化，影響設備狀態。

④在日常工藝操作過程中，嚴格遵守操作規程，嚴格控制各項工藝技術參數，尤其是各項控制點處溫度、壓力不能發生驟變，操作要緩慢。

我公司對深冷設備LNG冷箱故障的檢修，與以往傳統的檢修方式有很大的區別，在處理故障的方案上有技術性的創新。冷箱避打孔是存在很大的安全隱患，但經過技術性論證：只要冷箱內部保持正壓，內部氧含量控制在安全范圍之內，安全防范措施到位，即使所存在的安全隱患也在可控范圍內，所以冷箱壁打孔尋找漏點的處理方案是可行的。其次在處理故障時前期工作比較漫長，在大修停車前準備工作歷時近兩個月之久。但從檢修回復生產的時間上來說，我公司對冷箱的檢修方案確實是個大膽的技術性創新，冷箱內部除漏到恢復生產僅僅用了三天時間，為大修快速恢復生產爭取到了最短的時間。

此次檢修冷箱除漏方案，不僅為公司減少了近百萬元的經濟損失，而且取得了很大的技術性創新，有很多地方值得借鑒。我公司的這次冷箱內部混合制冷劑泄露處理方案，為以后處理冷箱內部泄露積累了寶貴的經驗。