關于氨制冷管道低壓側設計有關問題的探討

李隆駿 盧 沛

（臺州市特種設備監督檢驗中心 臺州 318000）

關于氨制冷管道低壓側設計有關問題的探討

李隆駿 盧 沛

（臺州市特種設備監督檢驗中心 臺州 318000）

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

氨制冷管道 低壓側 設計標準 低溫低應力 低溫高應力 溫控電磁閥

氨制冷系統廣泛應用于冷凍行業和化工行業，氨制冷系統最主要的組成部分就是管道，用于循環輸送氨制冷劑，伴有高低溫轉變和氣液兩相轉變。近期氨制冷事故頻發，氨制冷系統的安全性引起了廣泛關注。國務院安委會發布了安委〔2013〕6號“關于深入開展涉氨制冷企業液氨使用專項治理的通知”；國家質檢總局發布了質檢特函〔2013〕61號“關于氨制冷裝置特種設備專項治理工作的指導意見”，可見國家對氨制冷行業安全的高度重視。其中質檢特函〔2013〕61號規定：“涉氨壓力管道設計文件的內容應符合TSG D0001—2009《壓力管道安全技術監察規程—工業管道》[1]的規定，壓力管道的設計應按GB 50072—2010 《冷庫設計規范》[2]執行”。

1 氨制冷管道實際工況

1.1 普通工況

氨制冷系統包括蒸發、壓縮、冷凝、節流四個過程，制冷劑氨在系統中經過四個過程的循環進行，氣液狀態不斷變化，與外界進行熱量交換，達到制冷目的。氨制冷系統壓力管道分為低壓側和高壓側，壓縮機出口到節流閥入口之間的管道稱為高壓側，節流閥出口到壓縮機入口之間的管道稱為低壓側。雙級壓縮制冷循環系統的中間冷卻器所屬管道也算是低壓側。高壓側的工作壓力小于1.45MPa，工作溫度為40～140℃。低壓側管道根據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《冷庫設計規范》，對應的最低工作溫度分別為-15℃、-35℃和-48℃；對應的工作壓力（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中比較常見。冷庫內的管道表面在使用過程中會大量結霜，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，也更容易結霜。熱氨融霜效率高，效果好，是把經過油分離器濾油后的熱氨氣通過回氣調節站逆向沿回氣總管分別引入蒸發器的管路系統中，利用熱氨氣的熱量使蒸發器外表面的凝霜融化。熱氨氣經過冷卻后變成液氨，通過氨液調節站輸送至低壓循環桶或排液桶。

2 “低溫低應力”工況的提出

2.1 氨制冷壓力管道相關規范及設計標準對“低溫低應力工況”的定義及差別

依據在用的安全技術規范及設計標準如TSG D0001—2009《壓力管道安全技術監察規程—工業管道》[1]、GB/T 20801—2006《壓力管道規范—工業管道》[3]、GB 50316—2000《工業金屬管道設計規范》[4]和GB 50072—2010 《冷庫設計規范》[2]等，對“低溫低應力”工況的描述是不同的。國內也有文獻[5]將制冷管道設計標準進行過對比分析。

對于壓力不高、應力不大、工作溫度低于-20℃的制冷管道，《壓力管道規范—工業管道》和《工業金屬管道設計規范》均提出了對處于低溫低應力工況的管道，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“低溫低應力”工況的定義，各標準有所不同。

1）GB/T 20801—2006 《壓力管道規范—工業管道》對“低溫低應力”工況的定義為“低溫低應力”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、重量及位移產生的軸向拉（應力）總和不大于10%材料標準規定最小抗拉強度值（計算位移應力時，不計入應力增大系數）；（3）僅限于GC2級管道，且最低設計溫度不低于-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 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》規定的20號鋼最小抗拉強度410MPa的10%。因此，符合“低溫低應力”工況的條件，使用溫度符合要求。

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

比較兩個標準，對“低溫低應力”工況的定義是有不同的，《壓力管道規范—工業管道》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，直管段的環向應力一般為軸向應力的兩倍，從應力數值看，要求的差別也較大。

而由于國家質檢總局的壓力管道安全技術規范：《壓力管道安全技術監察規程—工業管道》對《壓力管道規范—工業管道》的引用，使其從原來的推薦性標準變成了部分條款為強制性的標準。且第51條規定：“管道組成件的設計和選用應當符合GB/T 20801的規定”。因此，如果在用氨制冷管道屬于特種設備目錄壓力管道的范疇，當低壓側按常規與習慣選用20號鋼時，采用《工業金屬管道設計規范》作為設計標準已不合適。

3）GB 50072—2010 《冷庫設計規范》雖未明確提及“低溫低應力工況”，但對氨制冷系統壓力管道的設計參數做了規定，氨制冷系統低壓側的設計壓力規定為1.5MPa，設計溫度規定為43℃。由此可見，低壓側也不是按低溫管道進行設計的。且標準規定低壓側最低工作溫度可達-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]標準的10號、20號鋼，且標準條文中對管材的壁厚與工作溫度的關系未作進一步闡述。

如此一來，三個設計標準對氨制冷管道低壓側的設計產生了一些矛盾，當屬于特種設備目錄的壓力管道范疇時，必須要遵循《壓力管道安全技術監察規程—工業管道》，因此判斷管道是否屬于“低溫低應力”工況是低壓側冷凍、速凍（包括單凍機）壓力管道選材的關鍵，影響到整個氨制冷系統的經濟性和安全性。因此，應慎重考慮設計標準的選取。不同的設計標準在“低溫低應力”工況的處理上也應該統一。

2.2 管道組成件的選用可以反證“低溫低應力”工況

從國內設計、安裝的現狀看，氨制冷管道最常用的管材基本上都是選用GB/T 8163標準的20號鋼，這是為制冷行業所一致認可的，是國內氨制冷系統多年成功設計、運行的經驗結晶，業界內至今沒有人對這一選材提出質疑。

●2.2.1 管材的選用——材料的使用溫度

《工業金屬管道設計規范》規定：材料的使用溫度，不應超出本規范附錄A所規定的溫度上下限。對于GB/T 8163中的20號鋼的使用溫度下限為-20℃。

在《壓力管道規范—工業管道》中規定，20號鋼厚度≤15mm時，最低使用溫度＞-20℃；低溫低應力工況下，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定差別較大，GB/T 20801對使用溫度的要求放得更寬。

《冷庫設計規范》雖然允許管材使用GB/T 8163標準的10號、20號鋼，但標準條文中對管材的壁厚與工作溫度的關系未作進一步闡述。這就與上文產生了矛盾，在壓力管道范疇，參照《壓力管道規范—工業管道》在特種設備安全技術規范中的地位，因此，從管道組成件材料選用的角度出發，《冷庫設計規范》應明確提出“低溫低應力”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

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

其他管道組成件舉個閥門的例子，主體材質以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℃，如果設計上不能確定為“低溫低應力”工況，那上述材質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。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

根據參考文獻[7]的低溫沖擊試驗結果，20號鋼母材、手工焊縫、氬弧焊焊縫低溫脆性轉變溫度分別約為-35℃、-25℃、-34℃。對于在-35℃工作環境下服役的管道，已經位于向低溫脆性轉變的高風險，難以確保安全運行。只有在設計上確定為“低溫低應力”工況，方可以不按低溫管道進行設計，這也是《冷庫設計規范》規定低壓側設計溫度取43℃的原因，與NB/T 47012《制冷裝置用壓力容器》[8]低壓側容器設計溫度取38℃異曲同工。

2.3 焊材的選用可以反證“低溫低應力”工況

據了解，目前國內氨制冷管道常用管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，業界內至今也沒有人對這一選材提出質疑。

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，標準規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標準規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的基礎上）的低溫用鋼的焊條及沖擊試驗溫度，當時GB/T 5118—1995還沒有更新，所以兩個標準的型號有所差異。

表4 低溫用鋼的焊條（NB/T 47018.2—2011）

規定了沖擊試驗溫度等于規定了焊材的使用溫度下限，低溫焊材是和相應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。目前氨制冷行業無人用此低溫焊材，即匹配性、經濟性均不可能為行業所接受。

所以，根據表1焊材的選用也可以反證氨制冷管道低壓側設計時必須明確“低溫低應力”工況。

3 特殊工況：“低溫高應力”及設計建議

3.1 短時“低溫高應力”工況

在熱氨融霜時，若操作不當，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，將會出現一種極危險的工況，可將之稱為“低溫高應力”，以冷凍、速凍管道為例，按文獻[5]，正常管道內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，與循環桶或排液桶連通，循環桶的壓力在0.2～0.3MPa左右，蒸發器內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，冷熱氨氣混合凝結成液氨，在壓差Δp≈0.5MPa作用下，管內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《壓力管道規范—工業管道》的定義，低溫下的工作壓力已經超過了常溫下最大允許工作壓力的30%，已經不屬于低溫低應力工況了。而此時，管道材質因為熱交換時間過短仍處于相對低溫狀態，所以，可以將這短時的狀態稱之為“低溫高應力”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，極容易在高應力（內壓加液錘）下直接導致脆性斷裂。

3.2 防止“低溫高應力”工況的設計建議

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

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

圖1 熱氨融霜回路設計方案

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置一個電磁閥，當油分側截止閥開啟時，此時，與電磁主閥配套的溫度導閥將回氣總管側金屬溫度傳導給主閥，該電磁主閥的工作原理是根據溫度差自動控制閥門開度。當溫差過大時，閥門開度小，當溫差縮小時，閥門開度適當增大，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，電磁主閥的開度調節由設計方提出，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“低溫高應力”工況。當然，電磁主閥的開度如何科學地調節，值得行業各方進一步思考。

4 結論與建議

針對氨制冷管道低壓側的設計環節，設計標準必須明確“低溫低應力”工況；國內多年來在氨制冷管道設計安裝使用上的實際安全經驗、管道組成件材質的選用、焊材的選用也反過來證明設計規范或標準必須明確“低溫低應力”工況；

國內設計標準對氨制冷管道低壓側的設計存在矛盾，建議在“低溫低應力”工況的處理上應該統一；對于采用熱氨融霜工藝的氨制冷系統，必須考慮短時的“低溫高應力”工況，并在設計上采取相應的對策，以確保運行安全。建議在油分與回氣總管間設置一個溫控電磁閥，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“低溫高應力”工況。

[1]TSG D0001—2009 壓力管道安全技術監察規程—工業管道[S].

[2]GB 50072—2010 冷庫設計規范[S].

[3]GB/T 20801—2006 壓力管道規范—工業管道[S].

[4]GB 50316—2000 工業金屬管道設計規范(2008年版) [S].

[5]熊從貴.冷庫制冷壓力管道設計標準的對比分析[J].冷藏技術，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 承壓設備用焊接材料訂貨技術條件[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 “low 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 “low 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，從事承壓類特種設備的監督檢驗與檢測技術研究工作。

李隆駿，E-mail： 13857677129@163.com。

2017-03-20）