液氮凍結制冷技術研究

周學斌

（青海鹽湖工業股份有限公司，青海格爾木 816099）

液氮凍結技術由英國工程師南威爾首次使用，德國工程師P.H.Poetsch經過技術總結形成了發明專利，并成功應用于阿爾里的9號立井的鑿井工程。這項專利的發明使世界工程建設獲得了巨大發展，使凍結技術為世界工程項目服務。這些年來，隨著力學、熱力學、凍土力學等其他基礎科學的不斷發展，推動了凍結技術應用的范圍，全世界各個國家和地區都對該項技術進行了研究探索。

1 我國技術現狀

1955年我國開始引入了凍結技術，該技術已經在我國發展了六十多年，在此期間有無數科研工作者付出了艱辛的工作，同時也取得了重要成果，為我國的經濟建設作出了應有貢獻。這項技術在礦山井筒施工中的應用，創造出了753.95m的世界沖積層凍結記錄，此外，這項技術為我國重大工程建設提供了重要支撐，這些項目包括港珠澳大橋拱北隧道工程、川氣東輸武漢段穿江隧道以及各大城市的地鐵建設工程。

現代城市建設工程對工期、作業空間和施工質量的要求極為嚴苛，傳統的循環制冷工藝已經不能滿足施工需求，而液氮制冷工藝系統因其具有廣泛的實用性，成為凍結施工中不可缺少的工藝，這項技術具有如下優勢：第一，結構簡單、設備使用少；第二，該技術凍結速度快，形成的凍土強度高；第三，土體凍漲融沉比鹽水凍結系統小得多；第四，液氮使用后揮發進入大氣，沒有污染。液氮凍結制冷工藝原理是相同的，但因使用方式不同，存在多種形式。本文結合了液氮凍結施工的經驗，探討了液氮凍結制冷技術。

2 液氮凍結制冷系統安裝和工藝流程

2.1 液氮制冷系統安裝

液氮系統安裝工藝比較簡單，主要設備包括液氮運輸槽車、液氮罐、液氮分配器和制冷管路。

液氮運輸槽車和儲液罐都屬于液氮壓力容器，應有隔熱功能，同時應在出口位置安裝控制閥門、壓力表等，從而通過閥門調節壓力大小來控制液氮輸出流量。液氮運輸槽車和儲液罐都應該符合低溫絕熱壓力容器標準GB18442要求。壓力容器工作壓力應大于10MPa，儲液罐容積應大于20m3。運輸槽車應符合運輸化學直接車輛要求，運輸容積應能滿足施工需要。運輸槽車在運輸過程中容量控制在80%以下，防止路途的顛簸撞擊。儲液罐在運輸過程中應做好固定保護，裝卸時不能使罐體損傷，影響使用壽命。罐體到達施工現場應避免暴曬，應放置在通風陰涼位置。罐體放置時不能傾斜、倒置或與其他物品碰撞。根據液氮的使用特點，應選用立式儲液罐體，有效提高罐體容積的使用效率[1]。

液氮供液分配器能夠把液氮平均分配到不同的凍結器中，還可以監測系統壓力流量等參數。液氮分配器一般采用奧氏體不銹鋼制作，制作的大小應根據施工量進行控制。液氮制冷系統連接完成后，需要進行氣體壓力密閉性試驗，試驗壓力為正常工作壓力的1.2倍，試驗檢測漏點使用肥皂水，如發現泡沫應重新安裝。

2.2 液氮凍結系統工藝流程

液氮凍結制冷工藝的原理比較簡單，液氮失去壓力后會氣化，氣化后的氣體排入到空氣，與此同時帶走周圍的熱量。在這過程中，液氮既是制冷劑，也是載冷劑，是單向循環的流動方式。裝有液氮的槽車被運到施工現場后，使用承壓管道將液氮輸送至儲液罐內，輸送完成后斷開連接管。液氮通過閥門進入分配器，供給不同的凍結器。根據工程設計情況，每組凍結器可以串聯1～3個凍結器，每組凍結器都設置一個排氣管道對外排出氮氣，整個制冷凍結過程按照這個流程進行[2]。

3 液氮凍結制冷技術的工藝技術

液氮凍結制冷技術系統流程相對簡單，主要有三個步驟，首先進行系統的預冷，其次進行制冷凍結，最后進行維護凍結工作。

3.1 系統預冷

在對整個管路系統進行試壓檢查后，需要對全部管路進行預冷，使管路溫度下降避免金屬管路因為快速冷區發生收縮變形。操作方法是，緩慢打開儲液罐出液總閥門，控制液氮的輸出壓力小于0.2MPa，經過2h后測量凍結器出口溫度，使其溫度達到-60℃。降溫完成后調大供給閥門，使系統運行壓力保持在0.5MPa，經過一段時間后再次測量凍結器排氣口溫度，最終使其保持在-80℃，觀察出氣口白色霧氣保持2m左右，記錄系統各個閥門開啟位置，檢查管路凍結器部件是否正常[3]。檢查無誤后保持系統正常運轉，可以進行凍結制冷。

3.2 凍結制冷

液氮凍結制冷過程中要保證凍結器排出的氮氣溫度不高于-60℃，排氣口上方有加蓋篷布，防止雨水淋入影響排氣。凍結制冷工作運行期間，全程監控壓力、溫度、流量以及凍土施工工作進度，根據施工需要及時調整液氮閥門，控制制冷系統液氮供給量。把各個凍結器的入口和出口的閥門進行串聯，使各個位置的液氮供給量趨于平衡，從而使凍土工程的圓柱狀態更加穩定。

凍結制冷過程開始后，要根據液氮流量監測數據估算系統運轉過程中液氮消耗速度，通過計算估測出液氮罐剩余液氮量的使用時間，以便能夠使出液罐有足夠的時間進行液氮補給，使凍結過程能夠連續進行。

凍土的發展速度是預測凍結帷幕結構形成的關鍵數據。所以應該在液氮凍結制冷階段內，時隔2h進行一次溫度變化的監測，根據溫度對凍結帷幕結構的形成時間做出準確判斷，這樣能夠為施工開挖創造更好的條件，也能對控制液氮閥門調節提供有效依據。

3.3 維護凍結

通過對凍土監測數據的分析，能夠判斷出凍結帷幕結構的厚度，使其達到工程設計標準，強度能夠符合工程要求，這時就可以開挖施工永久結構。此時應該對凍土結構面的形狀進行監測，防止發生變形或凍結溫度場變化過大，保證相關數據能夠在安全的區間內，凍土溫度不能快速升高。這時應該調整液氮的供給量，使凍結器的排氣溫度低于-30℃。

在整個液氮制冷凍結過程中，凍結器的排氣溫度是關鍵參數，可以根據這個溫度參數對其他過程進行有效控制。

4 安全操作技術要求

液氮的氣化過程溫度極低，氮氣也容易在封閉空間造成窒息，所以液氮凍結制冷過程中應制定安全操作規范，這其中包括了人員安全防護和安全操作規范。

液氮凍結制冷過程應有至少兩人進行，一人負責工藝操作，另一人負責安全防護。操作過程中，工作人員應穿戴防凍服裝、防護手套，嚴禁徒手接觸液氮罐、管道、閥門、儀表設備等低溫設備部件。工作過程要佩戴防噴的護目鏡，防止意外傷害。施工現場要準備呼吸自救設備，操作場所應懸掛安全警示牌，張貼安全操作規程。

現場的壓力設備容器要符合技術要求，施工現場應準備局部通風風機，防止缺氧窒息。操作人員做好應急培訓，提前對危險情況做應急演練。

5 總結

液氮屬于制氧和化工企業生產副產品，比較容易獲得，所以成本相對較小。液氮凍結制冷技術使用在地下工程中取得了優良的成果，適合在相似工程項目中進行推廣，有著光明的應用前景。

1）液氮制冷系統的操作工藝比較簡單、效率極高、使用安全，適合進行大范圍推廣使用。

2）在工況比較復雜的含水軟弱地層中的地下工程中，無法使用一般施工方法，這時可以考慮液氮凍結的方式。

3）液氮制冷在使用過程中的排氣溫度為-30～-80℃，有潛力提高其制冷效率，進一步發揮該工藝的優勢。

4）液氮制冷技術的工藝原理雖然發明時間較早，但廣泛使用在工程建設中的時間很短，液氮制冷技術還有很多需要改進的技術工藝，還需要投入更多的精力對這項工藝進行深入鉆研，使其能夠更好地為地下工程建設服務。