螺桿冷凍機氨蒸發器的泄漏原因和解決對策

李祥榮

(福建古雷石化有限公司，福建 漳州 363200)

0 引言

在化工生產的制冷系統中，冷凍機的氨蒸發器為整個冷卻循環系統的關鍵設備，一旦出現泄漏情況將給供氨系統運行帶來安全威脅。氨蒸發器反復出現泄漏問題，頻繁開展設備檢修工作，將造成系統無法連續運行，導致生產效益下降。因此結合螺桿冷凍機氨蒸發器泄漏實例，通過查找泄漏原因提出有效設備管理對策，為生產系統可靠運轉提供有力技術支撐。

1 螺桿冷凍機氨蒸發器泄漏現象

氨(NH3) 有單位制冷量大、成本低、壓力適中、與油不相溶且易分離、泄漏易發現等優勢，被廣泛用于工業制冷系統中。某化工企業考慮到單位需要的冷量較大，配備了一套以氨為制冷劑，以鹽水為載冷劑的螺桿壓縮制冷系統，其工作流程如圖1 所示。合成氨系統通過氨冷器實現工藝氣的氣液分離，分離出的氣氨部分進入到制氨水系統中，剩余進入到冷凍系統中。冷凍系統由連接的冰機和氨蒸發器構成，出口與冷凍液氨小槽連接，液氨管道上安裝有調節閥。氣氨進入到冷凍機后，經過螺桿壓縮和換熱器冷凝后，將產生高壓液體，進入蒸發器實現熱交換。在氨水需求量較大時，液氨球罐為制氨水系統液氨蒸發器補充液氨，并關斷多余氣氨進入冷凍系統的通路，載冷劑將通過外部儲罐進入到蒸發器管束中。氨合成工藝為放熱過程，利用氨介質和鹽水實現熱交換，能夠促進合成氨反應進行，并實現冷媒循環利用。利用氨冷器分離出的氣氨制備氨水，可以降低冷凍機功耗，提高氨水制備效率。

圖1 氨水制冷工藝流程

冷凍機型號為SRSW-8500，包含兩臺設備，每臺設備配備2 個半封閉式螺桿壓縮機頭，殼程內通入液氨制冷，冰點為-77.7 ℃，管程內通入鹽水，冰點為-18 ℃，設備制冷量達805 kW。使用的氨蒸發器為列管式熱交換器，設備主要參數如表1 所示，內部包含直徑25 mm×2 mm 的6 850 根換熱管。

表1 氨蒸發器參數表

設備于2021 年3 月投產，運行不到一年氨蒸發器多次發生泄漏，造成機組停機檢修，嚴重影響生產效率。2022 年5 月，機組冷媒發生了明顯泄漏，檢查發現一處爆管，更換后累計運行60 h 后設備進入到低壓聯鎖狀態，無法啟動。再次檢修發現氨蒸發器輸出位置出現裂紋現象，如圖2 所示，造成冷凍水系統倒空，停止循環作業。

圖2 氨蒸發器管束低溫脆性斷裂

2 螺桿冷凍機氨蒸發器泄漏原因

2.1 外觀檢驗

為確定導致蒸發器管束爆裂和斷裂的根本原因，對氨蒸發器進行解體檢查，確定筒體外觀是否存在裂縫等缺陷，并通過對殼程加水完成泄漏量檢查。經過撿漏后，確認存在21 根列管泄漏，漏點在靠近蒸發器出口端位置。換熱管兩端使用管板固定，通過密封焊形式連接管道。檢查兩端列管口，均能發現內側存在銹斑，發生輕度腐蝕。在氨水隨著循環水進入敞開循環水池后，氨與水產生放熱反應，溫度迅速升高，促使蒸發器內部液氨氣化，涌入吸氨器，吸收大量熱[1]。氨通過空氣吸熱，造成周圍溫度迅速下降，空氣中水凝結在管外壁上，導致出口端管束脆性斷裂。

2.2 失效分析

對可能造成氨蒸發器換熱管失效的原因展開分析，可知包含設計、制造和使用3 個層面的多重因素。

首先，換熱管失效可能與氨蒸發器設計不合理有關。如列管工作壓力發生波動，將導致液氮蒸發溫度超出材料設計溫度下限，引發列管脆性斷裂風險。而設備底部積液罐容積過大，聚集大量液氮，在液位計難以精準反映真實液位時，系統停車后液氨排不干凈，也將引起列管斷裂。

其次，換熱管失效可能與列管制造因素相關。在設備殼程中含有液氨介質的情況下，不會給碳鋼、低合金鋼等材料帶來嚴重腐蝕，但可能導致局部鈍化膜被破壞，引發管道腐蝕問題[2]。受管道加工和檢修帶來的殘余應力影響，管道局部可能存在應力集中點，如列管和折流板交接位置容易發生應力集中問題，造成管道受拉應力、腐蝕性介質的作用，發生脆性破壞、應力腐蝕，引發細小裂紋等缺陷產生。

最后，換熱管失效可能與操作習慣不良有關。在螺桿冷凍機運行期間，氨蒸發器并非不間斷的工作，每次結束階段性工作時要求殼程內液氨全部蒸發，循環水全部排出。每天多次開停車，停車時間在2～3 h之間，容易給操作人員帶來錯誤認知，在停車后未排出循環水，蒸發器內也賦存少量液氨，后續則容易發生脆性斷裂情況。在循環水系統中，溫度最低點為出口端，因此在循環水停止流動后該處最容易發生脆性裂紋。此外，操作人員憑借經驗反復操作進液氨閥門，調整氨蒸發器內介質液位，將導致交變操作壓力產生，引發機械應力、操作溫度和熱應力交變[3]。在多重荷載作用下，列管將出現脆性裂紋，出現失效問題。

2.3 材質檢測

采用光譜分析儀對失效管道化學成分進行檢測，結果如表2 所示，可知換熱管材質符合10 號碳鋼管生產標準要求。對失效鋼管進行打磨、拋光后，利用金相顯微鏡觀察，發現管道帶有塊粒狀鐵素體，呈現出片狀珠光體結構，各位相晶粒大小相同，等級為8 級。

表2 失效蒸發器換熱管化學成分

使用掃描電鏡對鋼管開裂斷口進行微觀形貌檢查，如圖3 所示，呈現河流狀花樣，裂紋在不同結晶面解理擴展，相連形成臺階，不存在韌性斷裂痕跡，判斷為脆性開裂。

圖3 換熱管斷口微觀形貌

2.4 原因判定

在綜合考量導致氨蒸發器換熱管失效的因素后，對管道材質展開分析，確定均為鐵素體和珠光體，不存在材質問題。氨蒸發器底部積液罐經過檢查和試驗后，確認符合系統運行規范要求，不存在引發管道斷裂的隱患。換熱管內、外表面僅存在輕微銹蝕，同時管壁平整、光滑，不存在減薄情況，基本可以排除腐蝕因素。裂紋沿著管壁厚方向擴展，不具備應力腐蝕裂紋特征，能排除應力腐蝕導致管道開裂的可能性。從斷口裂紋形貌來看，不具備海灘或貝殼狀條紋，判斷裂紋并未由疲勞腐蝕導致。從裂口微觀特征來看，裂開金屬件不存在金屬片連接，且塑性開裂管道裂口較短，由此可排除因管道超壓而引發的裂紋。

通過反復分析后，初步鎖定管道裂紋由設備工藝操作引發。對設備工藝運行情況展開分析，結合氨蒸發器技術特性可知，殼程介質為液氨，一旦工藝操作期間出現壓力下降情況，將造成蒸發溫度隨之下降，超出-20 ℃將造成材料韌性、塑性迅速下降，脆性隨之增加，無法有效抑制裂紋產生和擴展。觀察爆裂管道內、外表面，發現啟裂的裂紋數量主要分布與外表面，與外表面接觸溫度更低有關。隨著管道承載力下降，受到工作壓力作用，管道將沿著軸向由內向外破裂。此外，氨蒸發器列管也存在少數因應力腐蝕而出現的細小裂紋，盡管未給管道表面整體帶來破壞，但反映出管道長期受介質沖擊腐蝕作用[4]。采用焊接堵管方式修復，焊口周圍列管將受到高溫應力作用，發生輕微變形，可能出現新的漏洞。

3 螺桿冷凍機氨蒸發器泄漏應對策略

3.1 泄漏處理

確定螺桿冷凍機氨蒸發器泄漏原因后，應做好泄漏處理，為避免采取焊接堵管方式造成新漏點產生，需直接更換泄漏的21 根列管，并在有條件的情況下完成其他列管更換，全面提升管道運行可靠性。結合化學成分和金相組織檢驗等結果可知，鋼材質基本符合氨蒸發器換熱管使用要求。

3.2 泄漏預防

為防止換熱管泄漏問題反復發生，日常應加強冷凍機操作、檢修等作業監督，要求相關人員熟悉冷凍機性能和聯鎖保護項目，每次開關機前做好出口流量開關等設備檢查，發現異常及時通知專業人員處理。在設備檢修方面，每次應完成冷凍機報警、聯鎖實驗，確認保護裝置完好。為指導人員規范作業，應編寫冷凍機操作卡，并加強人員操作技能培訓，防止因人為操作導致設備損壞。如在設備短期停車過程中，應確認循環水系統不停車，按照流程先將進口液氨位置截止閥關閉，使液氨蒸發壓力維持在0.6 MPa，直至液位下降至零，將底部氣氨出口閥關閉，并將緩沖罐氣氨進口截止閥關閉，維持蒸發器內部壓力穩定，最后關閉蒸發器蒸汽，觀測設備壓力、溫度等參數是否存在異常。在設備長期停車情況下，應確認氨蒸發器內液氨全部蒸發完成，然后循環水才能關閉，直至蒸發器外部不再出現水痕，緩慢泄放氨蒸發器內部壓力，將蒸汽閥組關閉，使用氮氣完成蒸發器和管道內氣體置換。使人員持證上崗，并定期開展工序檢查工作，納入崗位績效考核范疇，能夠提高人員責任意識，督促人員嚴格按照操作卡開閉氨蒸發器，降低換熱管泄漏事件發生幾率。

在短時間內無法完成全部氨蒸發器換熱管更換，在部分管道可能已經發生疲勞應力的情況下，為防止列管發生脆性斷裂，應將蒸發器壓力控制在0.4～0.6 MPa之間，使蒸發溫度達到0 ℃以上。考慮到設備工作壓力、溫度等參數可能發生變化，應配備精準儀表和調節閥，加強配氨操作過程監管。對現有儀表系統進行檢查、調試，確認儀表控制系統可以高效、穩定運行，為人員管理冷凍機提供有力支持。此外，考慮到循環水質較差將引發堵管情況，久而久之將導致列管承受過多介質沖擊，應做好循環水過濾處理，防止管道結垢、堵塞，為氨蒸發器長久可靠運行提供保障。

4 螺桿冷凍機氨蒸發器泄漏處理成效

采取上述措施完成螺桿冷凍機氨蒸發器泄漏處理后，日常加強設備運行管理，規范人員工藝操作，經過為期半年的試運行，發現氨蒸發器并未出現泄漏問題，保證冷卻水循環運行安全性。平時做好循環水過濾處理，避免管道結垢，可以提高氨蒸發器的換熱效率，節省大量循環水，為企業帶來更多效益。

5 結語

螺桿冷凍機氨蒸發器出現泄漏情況，可能與換熱管線設計、制造、設備工藝操作等諸多因素有關，需準確判斷泄漏原因，有效降低安全事故發生幾率，維持設備高效運行。通過外觀檢查和材質分析，可知不同原因造成的管道裂紋擁有各自的特征，根據蒸發器出口端管道裂紋微觀形貌，最終確定管道裂紋產生與工藝操作造成的換熱管溫度過低有關，應通過更換損壞管道處理泄漏管段，并加強日常操作監管杜絕同類事件再次發生。采取嚴格安全生產管理措施，成功解決了氨蒸發器泄漏問題，能夠為螺桿冷卻機安全使用提供保障。