氨制冷系统低温压力管道材料问题的探讨

氨制冷系统低温压力管道材料问题的探讨

专业技术 2008-07-22 15:24:51 阅读232 评论3 字号：大中小 订阅

（国内贸易工程设计研究院 黄劲松 申广辉）

四、执行规范中所遇问题

1．按照GB50316-2000《工业金属管道设计规范》4.3.1条规定，（见附录A）。碳素钢钢管（无缝钢管）10号、20号的使用温度下限为-20℃以上，16Mn使用温度下限为-40℃以上，09MnD使用为-50℃以上。

2．制冷压力容器执行JB/T4750-2003《制冷装置压力容器》规范，所以目前大冷、烟冷及国内制冷设备厂商所生产的压力容器，均为用碳素钢钢板。如果按照GB50316-2000《工业金属管道设计规范》要求，最终均不能通过验收。

3．阀门、弯头：在制冷系统中当前生产的阀门均为铸铁和碳素钢所制，弯头也是采用普通碳素钢，且机制弯头R均为1.5D。

4．按照当前市场价，每吨20号碳素钢无缝钢管和16Mn的差价约为3000元，09MnD的差价则更大，在全国范围内其一次投资将是一笔十分巨大的费用。

众所周知商业制冷行业，在过去的几十年里在没执行这些规范之前在低温系统一般都是采用10号、20号碳素钢无缝钢管，经过几十年的实际运行并没出现过因管道破裂而产生制冷剂泄漏事故。在执行

压力管道规范的过程中又遇上压力容器及机压弯头的配套问题，所以对氨制冷系统实际运行工况及管材选用应进行必要的探讨。

五、氨制冷系统中低压管道的应力分析

氨制冷系统管道内工质均为液化气体随着使用温度的降低，其压力（管道内的应力）也随之降低，处于低温低应力工况。低温管道的破坏方式主要是低温下的脆断，构成低温脆断需有个必要且充分的条件，一是材料低温下脆化，二是有足够的应力，二者缺一不可，所谓低温低应力工况就是容器处于低温环境，但由于介质压力随温度的降低而下降，导致应力低于或等于某个量值（材料常温屈服点的，且

不大于50Mpa时），断裂的推动力过小，也不可能发生脆断，也就是说属于低温低应力工况的容器，可不按低温容器对待，可不使用压力容器用低温钢，其设计温度可按使用温度与50℃的代数和。

根据氨制冷系统几十年的实际应用结果以及GB50316-2000《工业金属管道设计规范》和JB/T4750-2003《制冷装置压力容器》中对低温低应力所下的定义，下面我们对制冷系统低温压力管道部分在实际运行中的应力进行计算。

1．JB/T4750-2003《制冷装置用压力容器》3.5.1.2低压侧设计温度中规定，当使用温度低于0℃，若使用温度下一次总体薄膜应力小于或等于材料常温屈服点的，且不大于50Mpa时，则设计温度取使

用温度与50℃的代数和。

当按上述办法得到的设计温度不低于0℃且不高于38℃时其设计温度最终按38℃选取。

2．在食品加工行业，氨制冷系统中的蒸发温度一般在-10℃～﹣45℃范围之内。 3．在氨制冷系统内使用的无缝钢管一般在φ10～φ273范围内。 4．根据JB/T4750-2003《制冷装置用压力容器》中应力的计算公式： ??????????????????（1） 式中：δt——试验压力下圆筒的应力[Mpa] Di——圆筒内直径[mm] PT——试验压力[Mpa] δe——圆筒的有效厚度[mm] δe=δa-C1-C2 φ——圆筒的焊接接头系数。见表3 δa——圆筒的名义厚度[mm] C1——腐蚀裕度，碳素钢和低合金钢取C2≤1 mm，奥体不锈钢当介质的腐蚀性极微时取C2=0 mm。 C2——壁厚减薄量。见表2 表1 氨制冷系统常用蒸发温度加50℃后的温度 蒸发温度 加50℃后的温度 -20℃ 30℃ -25℃ 25℃ -30℃ 20℃ -35℃ 15℃ -40℃ 10℃ -45℃ 5℃ 从上表中可看出从-20℃到-45℃，加上50℃以后的代数和均不低于0℃且不高于38℃，所以其设计温度均按38℃取PT=1.470Mpa。

a）采用φ38×2.5无缝钢管：

C1=0 C2=0.25（2.5×10%=0.25） δe=2.5-0.25=2.25 20号碳素钢屈服应力=

10号碳素钢屈服应力=

16MnR 屈服应力=

40.8 ∴ 34

＞14.4＜50MPa

b）采用φ108×4 C2=0.7（7×10%=0.7）

40.8 34

c）采用φ133×4

d）采用φ159×4.5 采用φ159×6

e）采用φ219×6 采用φ219×8

C2=0.6（6×10%=0.6）

f）采用φ273×7.0无缝钢管 采用φ273×8无缝钢管

C2=0.7（7×10%=0.7） 40.8

＞38.8＜50MPa

34＜38.8＜50MPa

＞26.5＜50MPa

g）采用φ325×8 采用φ325×10

根据以上对ф38～ф273管道应力计算（蒸发温度在t0=-20～-45℃），其管内工作应力在14.4～38.8Mpa范围之内，20号碳素钢管从ф38～ф273其应力均满足低温低应力条件，10号碳素钢从ф38～ф

133满足低温低应力条件，而ф159以上管应对应力进行计算，超出低温低应力范围的可通过增加壁厚来满足低温应力的条件。见表4。 表4 几种常用无缝钢管在低温低应力工况下的应力 管径 ф38×2.5 ф108×4 ф133×4 ф159×4.5 ф159×6 ф219×6 ф219×8 ф273×7 ф273×8 ф325×8 ф325×10 工作应力MPa 14.4 26.5 32.8 35 26 36 26.8 38.8 33.7 40.3 31.5 10号碳素钢 √ √ √ × √ × √ × √ × √ 20号碳素钢 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ 注：表中“√”表示满足低温低应力条件，“×”不满足低温低应力条件。 表2 无缝钢管厚度负偏差C1值 管子种类 碳素钢和低合金钢 壁厚（mm） 冷拔 热轧 冷拔 不锈钢 热轧 ＞1.0～3.0 3～20 ＞1.0～3.0 3.0 ≤10 ＞10 负偏差 普通级 10% 12.5% 15% 10% 15% 20% 高级 10% 12.5% 10% 10% 12.5% 15% 注：本表数据符合GB8163-87、GB2270-80和GB9948-88标准规定厚度允许偏差，采用高级精度的钢管应在订货时注明。

表3 圆筒的焊接接头系数ф 焊接方法及检测要求 100%无损检测 电熔焊 局部无损检测 工作无损检测 电阻焊 加热炉焊 螺旋缝自动焊 单面对接焊 0.9 0.8 0.6 双面对接焊 1 0.85 0.7 0.65不作无损检测，0.85（100%涡流检测） 0.6 0.8～0.85（无损检测） 注：无损检测指采用射线或超声波检测。碳素钢做制冷剂的输送管。

六、氨制冷系统质量现状的调查分析

从以上计算结果看，氨制冷系统的运行工况符合低温低应力的条件氨制冷系统的管路及压力容器在过去几十年中一般都是采用10号20号碳素钢，全国在役制冷容器近万台，一直都在安全运行，很少有因为管道或容器破裂而造成恶性事故，全国冷冻设备标准化技术委员会曾对国内28家主要用户企业进行了现场调研，工作结果均证明制冷管道及制冷容器运行安全状况良好，多数容器使用10～20年，甚至20年以上，无腐蚀、无故障，安全可靠。在全国性的调研中共发现有问题的容器25台，其中多数是16MnR制氨贮存容器共20台，经分析16MnR制氨贮存容器的质量事故原因是多方面的，包括材质、介质、制造等诸多原因，总括而方有以下几方面主要原因：

材质16MnR和低碳钢相比添加了Mn，提高了强度，但也增加了淬硬倾向，残余应力也相应增大，工艺要求也更为严格，在制造和安装过程中如控制不当，比低碳钢易产生缺陷，诱发冷裂纹。更主要的是和低碳钢比，16MnR在液氨中的应力腐蚀开裂的敏感性大为增

加，国外研究表明，几乎所有屈服强度大于320Mpa的钢材，在焊态下使用的液氨贮罐都发现了应力腐蚀裂纹。同时16MnR对焊接技术要求更高，制造、焊接技术的真正掌握也是产生问题的原因之一。

七、建议

由于氨制冷系统的运行工况符合低温低应力的条件，同时根据氨制冷系统几十年来使用10号20号碳素钢安全输送制冷剂的实际情况。本着安全、节约能源，节约材料减少投资的原则，建议有关部门应与《工业金属管道设计规范》编写组的同志进行必要的技术探讨，以解决工程中出现的一些问题。同时为建设节能型社会做出应有的工作。

氨系统冷库的安全控制与管理

时间: 2010-6-30

随着我国经济的发展进步，为确保生产顺利进行，保证人民生命财产的安全，各种规范制度

逐步建立健全，对冷库氨制冷系统的安全性要求越来越严格。

一九九六年四月、劳动部颁发了《压力管道安全管理与监察规定》的通知，对在生产、生活中输送可能引起燃爆或中毒的危险性较大的管道称为压力管道，为特种设备，将压力管道的管理纳入了法制管理阶段。根据氨的毒性以及在冷库中的工作压力，属工业管道GC2级中“输送GB50l60《石油化工企业设计防火规范》及GBJ16《建筑设计防火规范》中规定的火灾危险性为甲、乙类可燃气体或甲类可燃液体介质、且设计压力P＜4.0Mpa的管道”。从此将冷库氨制冷系统管道纳入了“压力管道”管理范围。

取得GC2级的资格证书的，才能从事氨为制冷剂冷库的设计和施工。

以下内容从氨的特点、设计、施工等方面阐述氨冷库制冷系统的安全与质量控制要点。

一、氨制冷剂在环境安全方面的主要特点

１、氨制冷剂具有优良的环境性能和热力学性能

氨是一种天然的制冷剂，具有优良的环境性能和热力学性能。氨的消耗臭氧潜能值ODP=0，温室效应潜能值GWP=0，是一种环境友好型制冷剂。

2、氨具有刺激性气味且有一定的毒性和可燃性，在其安全性分类中属于B2类制冷剂。当在蒸汽中容量达0.5-0.6%，就要使人致死，同时氨蒸汽在空气中含量达15.5-27%，遇明火就要爆炸。

3、氨的蒸发密度比空气小，泄漏时极易上升从屋顶逸出室外；氨易溶于水，当遇到大量泄漏的紧急情况时容易排除，此外，氨允许的含水量为0.2%以下，可以允许有微量水存在。 4、氨对钢铁、铝等金属材料无腐蚀作用，但当氨中含有水分时，则对锌、铜、铜合金（磷青铜除外）有腐蚀作用，故在氨制冷系统的设备、管道、仪表、阀门具有“避铜”要求。

二、氨制冷系统中常见的安全问题

1、操作维护人员缺乏专业技术知识

在安全问题日益关注的今天，大多数企业都进行了针对工程系统操作人员的专业培训，并聘请专业人员进行指导，但仍有个别操作人员缺乏有关技术知识（工人未经培训就上岗）、专业素质较差、不遵守操作规程等所致。

2、非技术人员设计系统、非正式安装单位安装工程。

非技术人员设计系统、非正式安装单位安装工程，由于其质量管理体系不健全甚至更严重的根本无压力管道安装质量管理体系，在设计施工过程中对各种安全要素如材料、焊接、检验等控制不得力，留下安全隐患。对此，有关机构加强了这方面国家标准制度的立项工作， 3、防护措施相对较弱

根据氨的特性要求，除了必备的安全措施外，还应不断完善其防护措施。安全措施在以往的氨制冷系统设计中考虑的较为周全，且得到不断完善。如系统双安全阀的使用、压力控制器在系统压力超过规定值的报警停机、液位控制器的正常液位控制及超高液位报警停机、《氨制冷系统安装工程施工及验收规范》（SBJ12-2000）对管路焊接和系统气密性试验的要求等。但是，国内氨制冷系统的安全措施相对较弱，虽然在以往的设计中设有紧急泄氨器，但缺乏连锁控制，且防护要求和必备设施也不够完备。

三、系统设计安全控制要点

冷库中氨的管道设计必须遵守《工业金属管道设计规范》（GB50316-2000）、《冷库设计规

范》（GB50072-2001）。在氨制冷工艺设计中应注意以下几方面中的条文:

3.1 制冷管道材质的选择

制冷管道材质的选择与制冷剂的温度有关，以往在冷库中均用GB/T8163的10＃或20＃碳钢，

执行了《工业金属管道设计规范》后，根据氨制冷剂的工作温度对照规范提供的金属管道“使用温度下限”来选择管道的材质。目前是：-l9至150℃选用20＃碳素无缝钢管；-29至150选用10＃碳素无缝钢管（牌号GB/T8163）；-40至150℃选用16Mn无缝钢管（牌号GB/T8163）；-50至150℃选用09MnD（无牌号）低合金无缝钢管或者选用0Cr18Ni9（牌号GB4237）高合金（不锈钢材质的）无缝钢管。

3.2管道表

在设计中增加了管道表等内容，它要对每一段制冷管道进行编号，汇总成表，在表中应表明设计条件、试验条件、管道等级、隔热数据、施工等级、压力管道类别等。并绘制管段表，管段平面、透视图，在这些文件中对管子、弯头、三通、大小头、管帽、仪表管嘴、法兰、螺栓/螺母、阀门、过滤器等均一一表明。

3.3机械强度和刚度计算

在设计中还应对管道机械强度和刚度进行计算，对管道支架类型进行选择。 3.4氨气检测

由于可燃及爆炸性，因此在压缩机房设计时，应装置氨气体检测仪表，使它与装有防爆电机的排风机连锁，当氨有微量泄漏时，即打开风机、同时报警。风机每小时风量应不少于机房容积12倍。

3.5液面控制

压缩机房中低、中压容器液面在控制中最重要，如果液面超高将引起压缩机敲缸等恶性事故，因此在液面控制中根据“不应采用任何一只仪表同时进行控制和保护”的原则，将液面控制和报警分设二套独立仪表。 3.6氨阀设置

在冷藏间、冷却间和冻结间内不再设氨阀，但为了减少投资，一般将阀门设于冷风机上部库外通风处。尤其是采用热氨自动除霜冷风机、尽可能缩短阀门与蒸发器之间的距离。 3.7人工作业房间制冷系统设置

分割车间与包装间等场所，为了确保人身安全，不采用氨直接蒸发冷却设备。小型场所采用氟利昂系统，规模较大的采用乙二醇载冷剂，这样虽然建设投资高些，但安全可靠。如果一定要采用氨直接蒸发，必须对蒸发器、连接管道采取特殊要求、并装置氨气体检测仪、排风、报警装置，确保人身安全。 3.8绝热材料

设备、管道隔热材料应为难燃或不燃烧、不散发对食品有污染的材料，一般选用聚氨脂，外包铝皮隔汽。

四、工程施工中的安全控制与管理

冷库中的氨制冷系统，应由取得GC2级压力管道安装单位资质的单位施工。

施工中应严格执行《氨制冷系统安装工程施工及验收规范》SBJ12-2000,J38-2000)、《工业金属管道工程施工及验收规范现场设备》（GB50235-97）、《现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范》(GB50236-98)以及设计文件中规定的其他规范。要特别注意以下几点： 4.1各种管理人员配置齐全

组织氨系统压力管道施工，至少应配备项目负责人、项目技术负责人以及设备、焊接、工艺、检验检测、材料、无损检测、专职安全等专业责任师。各专业责任师按照具体的工程特点，协助项目负责人进行工程项目的质量和安全控制，并对各自工作范围内质量安全责任负责。 4.2安全交底

工程施工前，应由专职安全责任人组织各级施工人员进行安全交底。交底资料应结合整个工程，制作预防措施，形成书面文件，由交底双方签字认可。从各方面提高施工人员的安全意识，确保施工过程顺利进行。 4.3按照要求正确选择材料

1）管件：根据“监察规定”在管道中所有弯头、变径均采用锻造件及轧制无缝管件，其材质选择也应根据使用时制冷剂温度来确定，过去在冷库中使用鸭咀弯、裤档弯等人工特制管件不再使用。

2）管子：特别是应注意按照《工业金属管道设计规范》及设计文件的要求，低温用无缝钢管如16Mn无缝钢管（牌号GB/T8163）、09MnD（无牌号）低合金无缝钢管不能用市场常用的20＃碳素无缝钢管代替。

3）支架：必须严格按照设计文件及有关规范的要求选购制冷系统用支吊架，低温库中应选择Q345低合金高强度结构钢。

4）焊接材料：应该按照《现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范》中的要求选择合适的焊接材料，如普通钢手弧焊接采用E4303(牌号J422)焊条；16MnR钢手弧焊采用E5016(牌号J506)焊条，氩弧焊采用H10MnSi焊丝等。 4.4材料采购与保管

1）应确保压力管道元件通过了安全注册；

2）压力管道组成件和焊接材料应在进场时进行验收入库，制作材料使用和验收状态标识，标识应清晰、牢固、具有可追溯性；并按照待检、合格、不合格分类。

3）焊接材料：应在施工现场设置二级焊接材料库，按照规定的要求进行烘干、保管和领用、回收。

4.5焊接质量控制

1）焊工：从事氨系统压力管道焊接的人员必须通过质量技术监督部门组织的考核，取得焊工证，并按照焊工证规定的合格项目进行焊接作业。

2）单线图：应确定施工用的氨制冷系统压力管道设计文件中有单线图，若图纸中缺少单线图，则应由工艺责任人在施工过程绘制单线图，并按照规定在单线图上做好焊缝位置、焊缝编号、焊工代号、无损检测方法、返修焊缝位置和热处理编号等标识工作。确保出现氨泄漏时，有据可查。

4.6管道的无损检测

按照《工业金属管道工程施工及验收规范》（GB50235-97）的规定 及设计文件的要求对管道进行焊缝探伤，如温度高于-29℃、焊缝探伤不得少于5%，质量不得低于Ⅲ级，对于温度低于-29℃的管道，均应100%射线照相检验，其质量不得低于Ⅱ级。在管道变径、三通处等采用锻造件及轧制无缝管件，可保证施工质量，减少焊缝不合格率。 4.7系统排污、试压、抽真空、加氨试漏

严格按照《氨制冷系统安装工程施工及验收规范》的各项要求进行系统排污、试压、抽真空、加氨试漏。特别注意充氨时应利用系统的真空度分段进行，不能向系统灌入大量的氨液；检漏时逐个检查焊口，如发现系统有泄漏现象，必须将系统压力降至大气压后方可补焊，严禁带压补焊。 4.8系统调试和操作培训

系统调试期间应对业主方操作人员进行培训，工程竣工后，施工单位为业主提供针对该工程的操作、维护、保养知识光盘。确保业主可以对制冷系统进行安全、周到的操作与维护。

五、供货商职责

冷库中高、低压贮液桶、中冷器、油分离器等均属压力容器，各单位在购置这些容器时必须认真选择生产厂，检查生产资质、合格证，并在使用中进行检测。

六、业主的职责

首先是业主应该理解该规定，尤其是执行了该监察规定后使冷库建设的投资增加，因为目前市场上，16Mn无缝钢管价格约是20＃碳素无缝钢管的1.17倍，而高合金的无缝钢管是20＃无缝钢管的5倍，16Mn和高合金的无缝钢管的管件无现售的成品，需施工单位采购后送到加工厂定做。加工周期要一个月左右，因此有些业主往往不报监，找支施工队安装了事，既可不按低温要求选择无缝钢管材质、又可不拍片和支付监察费用。但对今后的使用留下了隐患，好似有只定时炸弹随时可能爆炸。因此，施工单位应向业主解释相关规定。

综上所述，氨系统冷库的安全控制与管理需要业主、监察、设计、施工、供应商等各相关方的紧密配合。提高安全意识、与时俱进掌握最新的安全控制知识，严格执行相关的标准规范，就能确保氨制冷系统的顺利施工及运行。

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