氨制冷压力管道研究现状

蒋红辉，贾 强

(北京市丰台区特种设备检测所100161)

1 序言

氨作为冷库制冷系统中的一种制冷剂 (编号R717［1］)，其热力学性质是所有制冷剂中最佳的［2］［3］，是目前使用最广泛的一种中温中压制冷剂。在我国大、中型冷库制冷系统中，采用氨作制冷剂占80%以上。国外大中型冷库均普遍采用氨制冷剂，美国使用氨的冷库占87%。欧洲冷藏库与物流协会调研结果显示，奥地利、意大利、英国等欧洲国家90%采用氨制冷剂［2］。

在大中型食品冷藏冷库的氨制冷系统中，氨的充注量都在几吨到几十吨之多，一旦发生氨泄漏事故，将会对企业、行业造成相当的经济损失和人身安全侵害。近年来氨泄漏、液氨管道爆炸等事故频频发生，已造成了巨大的经济损失和严重的社会影响。氨制冷压力管道是冷库设备的重要组成部分，其安全状况对冷库制冷系统有着至关重要的作用。随着食品工业快速发展，冷库数量和容量迅速增加，因此，氨制冷压力管道的安全运行对于保障人民生命和国家财产安全的社会和经济意义日趋明显。分析国内外氨制冷压力管道管理情况、法规标准及研究状况，有利于促进我国氨制冷压力管道的进一步研究和发展。

2 国外氨制冷压力管道管理及研究状况

2.1 国外氨制冷压力管道管理情况

美国氨制冷压力管道由联邦运输部 (DOT)进行安全监督管理。DOT由多个部门组成，其中研究和特殊项目管理部 (RSPA)下属的管道安全办公室 (OPS)负责制定有关的法律、规章及行政管理制度。OPS有几十名检查员，总部设在华盛顿特区，由5个地区性办公室 (西区、东区、南区、西南区及中区)组成，各区分管几个州。美国压力管道的运行服役一般为州际行为。OPS的管理主要是宏观性的管理，它将管理对象分为用户和经营者，将管道分为气体长输管道 (gas transmission pipelines)、气体配送管道 (gas distribution pipeline)、危险液体管道系统 (Hazardous liquid pipeline system)及液化天然气装置 (LNG，Liquified natural gas facilities)4种。OPS的任务是［4］保证国家管道系统的安全、可靠、环保;组织灾害预防团队，开展公共教育;对管道的操作者进行毒品、酒精测试，保证操作者人身及管道安全。美国的液体管网由15 500英里危险液体管道、220个运营商组成。OPS制定了管道设计、制造、检验、操作、保养的要求，建立了紧急应答系统，以保证危险液体输送的安全。

加拿大在压力管道安全管理方面只分管线(pipe line)和管道系统 (piping)。管线相当于我国的长输管道和城市燃气管道，管道系统即我国的工业管道。凡属于加拿大联邦，或跨越两个省或两个省以上，或与国外管道相连的压力管道，属于联邦政府能源局负责;在各省内建设的管道由该省负责。能源局任命本部门很多技术官员担任管道检验员职务，从事对管道公司的监督检查工作。检验员可在任何合理的时间检查在建、使用或废置的管道;检查管道两边30m距离的挖掘活动以及跨越管道、与管道平行或在管道下的任何设施;指导正在从事挖掘、建设或检验活动的公司或人员;检查及复制在有关图纸资料、记录或计算机系统中关于设计、建造、运行、维护或废弃管道的有关信息;同时，能源局还授予了检查员可以下达制止危险命令的权力。

欧盟特种设备安全监察的机构主要是欧盟委员会领导的企业总公司下属的标准法规司。该司G/3处负责机电设备，G/4处负责承压设备。该司组织制定有关欧盟指令，并根据指令的要求，组织有关标准化机构制定相关的欧洲统一标准。在承压设备方面，欧盟现在已颁布的指令和协调标准大多涉及设计和制造，而安装、使用、检验、修理和改造则由各成员国自行规定。欧盟在承压设备指令中将承压设备按危险性大小分为I、II、III、IV类，由制造商或所在欧盟内部设立的授权代表选择适当的合格评定程序。对于公称直径大于25mm，允许操作压力p(bar)和公称直径DN(mm)的乘积不大于2000 mm·bar的管道 (不包括输送液状气体、剧毒气体、蒸汽或液体的管道)，其投运前的检验周期由操作人员根据允许方式和设备负荷情况的经验确定，由检验员对其进行定期检验。管道的定期检验包括外部检验和压力试验。若官方检验员确认管道处于不正常状态，则由主管机构决定此管道是否应投入运行。

2.2 国外氨制冷压力管道法规标准建立情况

欧美国家在20世纪60年代末开始对在役管线进行安全评定，并逐步将其纳入压力管道标准［5］。美国压力管道安全评定标准法规体系是国际上现行运行较好、较完善的体系。美国的法规体系不是集中统一的，而是由联邦法律和各州法律组成。无论是美国联邦还是各个州，压力管道标准法规体系的构成基本为“法律—法规—标准”三个层次。美国有些技术规范虽称为“标准”，但因是按立法程序制定，具有强制力。管道安全法 (The pipeline safety laws，49 U．S．C．601)被列入 《美国法典》第49篇第601章，是美国关于管道输送危险品的基本法律。《美国联邦规章》(Code of Federal Regulations)第49篇“运输”，是关于管道安全的。美国机械工程师协会制定的ASME B31.5《制冷管道》(Refrigeration Piping)标准，规定了制冷管道系统安全设计和建造所需要的工程要求，包括了采用的材料标准，管道系统组成单元的尺寸标准，管道部件压力设计要求，由压力、温度变化引起的应力、反作用力和位移的评估和限制要求及对管道支撑设计的要求，管道系统的制造、安装要求以及检验要求。ASME标准本身没有强制性，只有被联邦法规 (通常是规程)或各州法规指定采用，才具备强制执行的效果。

澳大利亚国家职业健康与安全委员会制订了《国家装置标准》，压力管道就属于该标准范围内的装置。该标准对于装置的设计、制造、销售供应、安装、使用、检验试验、维修改造、拆卸与报废处理等环节，以及相关单位、人员责任与资格管理等，提出一整套通用性要求。对于危险性较大的压力管道实行设计鉴定评审、设计登记、制造监检、使用前检验、使用登记、使用定期检验等。

欧盟也制定了相关的标准，如EN13313－2002《制冷系统和热泵·人员能力》，EN378－4《制冷系统和热泵·安全和环境要求 第四部分:操作、维护、维修和恢复》，EN1736－2000《制冷系统和热泵·软管元件、隔振器和膨胀节要求、设计和安装》，EN1861－1998《制冷系统和热泵·系统流程图和管道流程图及仪器流程图 结构布置和符号》。这些标准对制冷系统设备、人员能力、操作维护等内容进行了规定。例如标准EN378－4主要内容包括:一般要求、保养和对制冷剂等的维修、复原、再利用和报废的要求。它规定了在对制冷系统进行操作、维护、维修以及对所有类型的冷冻剂、冷冻油、传热介质、制冷系统及其零件的再利用和报废过程中的安全和环境因素。这些要求主要是为了降低错误操作、异物造成的系统停车和制冷剂的释放等对人和环境的影响。

2.3 国外氨制冷压力管道研究状况

各国对于氨制冷系统压力管道的安全十分关注，并开展了一些研究。1994年印度焊接研讨会［6］，通过NDT、宏观检查、断口形貌、金相分析，对氨制冷冷凝器管进行焊接失效分析，讨论了裂纹的形成和扩展。2005年德国一文献［7］报导，对一个大型工业制冷系统进行风险评估。该系统包含了70吨氨，是125年前建造的，位于欧共体中心，周边地区有超过一百万的居民。通过对突然释放6吨氨造成的对系统和建筑的影响以及氨气体对距离建筑200米远的人类的影响进行定量分析。分析过程中使用了三种计算方法:美国环保局的RMP(EPA，2004)，德国政府的STORV2.23计算法 (VDI，2004)和瑞典救援服务的 RIB(SRS，2003)，并对这些方法的结果进行了比对。考虑了环境的稳定性、风速、温度等的影响，实验分为A、C和D三组。研究表明，三种计算方法产生不同的结果，但彼此互相支持。三种方法都计算出浓度超出允许范围500－1000ppm。例如从一个点源10分钟内释放3600kg氨 (即6kg/s的速度)，在200m远的距离氨浓度将近2000ppm。如果一个人靠近这样一个释放环境，结果将是致命的，经验表明，仅仅几米内释放氨都是最致命的［7］。

国外从安全与环保的角度考虑氨制冷系统压力管道的选型与安装，强调尽可能减少对环境的污染以及减少以后系统运行时可能会出现的风险。制冷剂泄漏探测与预警的设置在国内的相关设计与安装规范中基本是空白点［8］。国外工程要求在制冷设备房间内需安装制冷剂泄漏探测仪，当制冷剂泄漏浓度达到25ppm时发出预警，此时应马上查出泄露源，并对其进行修复处理，而泄漏浓度达到500ppm时可自动开启机房的紧急事故排风系统。在发生紧急事故时，国内使用紧急泄氨器是把氨液排出室外环境;国外恰恰相反，是在高压贮液器出液管上的一个“紧急事故自动关闭阀”，把氨液紧急锁在高压贮液器中，以防止氨液通过泄漏位置排出室外环境中。

对于制冷管道保温层下的腐蚀行为，国外做过一些研究［9－11］。上世纪60年代，当化工厂兴建时，美国工程师和管理者对保温层下水的腐蚀作用没太在意。在几年之后，由于保温层下的腐蚀导致设备能力减弱和破坏造成了数千美元的损失。直到70年代，才开始意识到保温层下腐蚀带来的潜在威胁，并开始在安装保温材料之前进行涂覆来保护材料。直到今天，他们仍在研究确定在什么地方需要进行涂覆，怎样选择涂覆材料，怎样对涂覆检测和保养。1980年，Dupont公司开始注意到保温层下的腐蚀行为。Dupont公司发现［9］，每年光是更新由于保温层下的腐蚀而报废的设备和管道都会耗费数百万美元。美国一般用预成型、高密度的保温层，而欧洲工厂则使用更柔软、可压缩性更强的保温材料，并且保护层表面覆盖着较厚的金属保护壳且通过特殊的零件进行封口，因此，欧洲的工厂极少有腐蚀现象。Dupont研究小组指出，水是保温层的“头号敌人”。水能够引起碳钢的腐蚀现象，对于奥氏体不锈钢，水能导致氯离子—应力腐蚀，而且水中氯离子浓度越高，腐蚀行为越容易发生。文献 ［11］也得出这样的结论。文献 ［10］指出，管道的保温层是用来隔绝热量的，在保温层下可能会发生碳钢材料的腐蚀或不锈钢的应力腐蚀。水会通过多种途径，如雨水、清洗作业、喷水灭火系统、温度循环或制冷系统表面凝结的水珠及水处理过程的渗漏等渗透过保温层。像金属壳或强化的树脂涂层，虽保证了保温材料的完整性和有效性，却不能保护下面的管道。他们发现了一些保温层下的腐蚀现象。如:在泡沫玻璃 (cellular glass)保温层下的碳钢表面发生腐蚀坑，传统的涂底漆的方法没能有效地保护钢铁免于温水的腐蚀;在冷库和所处环境温度下循环使用的管道，拆下保温后进行检测，发现表面已被腐蚀。对于不锈钢的氯离子应力腐蚀，不管保温材料是石棉、硅酸钙、聚亚安酯聚丙烯酰胺泡沫，所有类型的保温材料之下都会发生腐蚀。为了防止保温层下金属腐蚀，最好的办法是在安装保温层之前对管道表面涂覆涂层［10，11］。管道保温前的表面处理，国内目前通常是管道外表面刷防锈漆或红丹。国外通常是用一种油脂带搭接缠绕在管道表面，或用黄油涂抹在聚乙烯拉伸薄膜后搭接缠绕在管道表面［8］。1998年，美国腐蚀工程协会 (NACE)发表了标准RP0198— “保温层和防火层下的腐蚀控制系统方法”［11］。NACE研究成果“保温层和水泥防火层下的碳钢和奥氏体不锈钢表面保护涂层”描述了能够预防保温层下的碳钢腐蚀的几种不同润湿等级 (immersion grade)的保护层，包括金属态的铝、环氧酚类、环氧—碳沥青，适用于奥氏体不锈钢的涂层有环氧酚类、环氧—碳沥青、硅有机树脂［10］。

关于氨制冷压力管道的检验，美国化学工程师协会 (AICHE)会议论文公开报道了关于氨制冷冷库中压力容器、压力管道的一些检测方法，其中包括荧光渗透检测、超声检测和涡流检测等［12］。文献［11］指出氨制冷压力管道两种最好的无损检测方法是涡流检测和液体渗透检测。

3 国内氨制冷压力管道管理及研究状况

3.1 我国氨制冷压力管道管理情况

2003年6月国家质检总局组织全国范围内开展压力管道专项普查工作。据浙江省舟山市普陀区2004年氨介质工业管道普查数据，全区共有工业压力管道 (除蒸汽管道)使用单位113家，管道总长度386.93 km，其中GC2级氨工业压力管道使用单位105家，管道总长度为374.35km。2005年各地在压力管道普查的基础上，陆续开展工业压力管道全面检验的试点工作。2006年国家质检总局发布《关于加强压力管道安全监察工作的意见》(国质检特 ［2006］148号)，提出优先安排高压、有毒、强腐蚀性、易燃易爆介质压力管道的定期检验，各地质监部门对此类管道定期检验和缺陷处理可提出试行意见，进行试点。浙江省质监局在此基础上，组织专家对氨制冷系统压力管道草标缺陷进行安全评定，结合中国特检中心氨制冷压力管道应力水平分析，制定了《在用氨制冷压力管道全面检验缺陷处理意见》(浙质特发 ［2006］170号)，为氨制冷压力管道定期检验工作提供了科学的依据和缺陷判定准则，并对氨制冷压力管道监控使用单位提出了监控措施和安全责任落实措施。山东省的一些检测单位也在积极开展氨制冷压力管道全面检验工作，制订了《冷库压力管道定期检验实施细则》。

由于液氨管道系统用阀门连续发生破裂气体泄漏事故，造成人员伤亡。为保证压力管道的安全运行，国家质检总局发布《关于液氨阀门破裂事故的通报》 (质检办特函 ［2007］258号)，要求全国开展液氨系统阀门专项整治。2007年8月长春市质监局开展以氨为介质的压力管道安全检查(长质技监 ［2007］54号)，检查压力管道系统用阀门及作业人员持证情况。

2008年青岛市制定了《青岛市液氨使用安全管理规定 (试行)》 (青安监〔2008〕65号)，对辖区内液氨使用单位情况进行全面排查，并督促拟改造使用单位整改，以保证液氨管道的使用安全。

3.2 我国氨制冷压力管道相关法规标准建立情况

早在上世纪60年代商业部就对冷库进行了管理，1960年商业部食品局制定了《冷藏库氨制冷装置安全技术规程》对氨制冷管道检修的安全操作进行了规定。

为了提高压力管道安全监管水平，我国相继颁布了压力管道设计、制造、安装、使用、检测等相关环节行政规范性文件。如《压力管道安全管理与监察规定》 (1996年)、《压力管道安装安全质量监督检验规则》(2002年)、《在用工业管道定期检验规程 (试行)》(2003年)等。2003年颁布的《特种设备安全监察条例》明确了压力管道及其元件的制造、维修、改造、检验检测的安全监督管理应按照条例的规定执行;压力管道的设计、安装、使用的安全监督管理办法由国务院另行制定。2004年国务院令412号《国务院对确需保留的行政审批项目设定行政许可的决定》明确了“压力管道的设计、安装、使用、检验单位和人员资格认定”行政许可主体。2009年国家质检总局颁布了《压力管道安全技术监察规程——工业管道》。

有关部门也建立了一些国家标准和行业标准，如GB50316－2000《工业金属管道设计规范》、GB50235－1997《工业金属管道工程施工及验收规范》、GB/T 20801.1－6－2006《压力管道规范 工业管道》、GB 50072－2010《冷库设计规范》、SBJ2－2000《氨制冷系统安装工程施工及验收规范》、GB/T 19624－2004《在用含缺陷压力容器安全评定》附录G《压力管道直管段平面缺陷安全评定方法》和附录H《压力管道直管段体积缺陷安全评定方法》等。这些标准对于管道的设计、材料选用、安装要求、验收规范等内容做出了规定。相关法规、文件、标准的制定和建立对保证压力管道的安全起到了重要作用。

3.3 我国氨制冷压力管道研究情况

随着国家对氨制冷压力管道安全工作的重视，氨制冷压力管道的材料选用［13－14］(1－2)、制造、安装过程中的质量控制［14－16］、设计和安装中存在的问题［17］、安全使用和管理知识［18］(3)、检验和缺陷评定方法［19，20］、修理和改造建议［21，22］，以及作业人员培训考核应注意的问题［23］、液氨排放的处理［24］、安全装置的安全检查［25，26］等方面都做了一些研究工作。

由于早期许多冷冻企业管理不规范，管道安装质量差，工程未经设计、无正规安装等许多问题普遍存在，导致管道存在焊接缺陷等一系列问题，加之长周期连续运行存在很多隐患。我国压力管道监管起步较晚，企业安全意识较差，监察和检验工作难度很大。特别是按国家《在用工业管道定期检验规程》检验，几乎100%不合格。

氨制冷压力管道长周期连续运行，进行全面检验时，整套系统必须停车清空介质，检验时间太长，经济损失很大。不停机，拆除管道保温管道就会结霜，加之氨对射线具有吸收和散射作用，测厚和射线检测难度很大。基于以上原因，检测单位只能对无保温部分管道实施检测，而对于带保温的管道都在探索行之有效的不停机全面检测方法。文献［27］报道了氨制冷压力管道不停机全面检验方法的研究，提出了采用红外热成像和X射线数字成像技术对氨制冷压力管道实施不停机全面检验方法，这种方法能够对液氨管道焊缝 (包括带保温和不带保温管道)实施X射线检测、对带保温的管道有重点的进行剩余厚度检查、对保温下焊缝的错边和咬边情况进行检查，是对氨制冷压力管道全面检验方法的一项技术突破。

4 我国氨制冷压力管道安全监管对策

近几年来，在我国质检部门和有关单位的共同努力下，氨制冷压力管道安全管理水平有所提高，安全状况总体趋于好转。但由于种种原因，氨制冷压力管道事故时有发生，安全形势依然严峻。据不完全统计，2000年来氨制冷压力管道泄露、爆炸事故就30余起，给人民群众生命财产安全和国家经济发展造成了重大损失，产生了严重的社会影响。因此必须对氨制冷压力管道安全研究引起了高度的重视。

4.1 安全技术法规是氨制冷压力管道安全运行的前提

加强氨制冷压力管道标准体系的建设，出台切实可行的《氨制冷压力管道安全监察规程》，我国可以借鉴或应用国外的研究成果，同时补充适合我国国情内容的氨制冷压力管道基础数据、评价标准。考虑符合氨制冷压力管道安全技术的现状和国家行政许可的要求，从材料、设计、制造、安装、使用、维修、改造、定期检验及安全保护装置等方面，提出氨制冷压力管道安全性能的基本要求。

4.2 管道元件产品安全质量及安装质量是保证氨制冷压力管道安全的基础

氨制冷压力管道阀门的制造单位必须按照《特种设备安全监察条例》和《压力管道元件制造许可规则》的要求，取得特种设备 (压力管道元件)制造许可证，方可制造相应的阀门产品。使用单位应采购有制造资格的单位生产的产品。氨制冷压力管道的安装必须按照《特种设备安全监察条例》和《压力管道安全管理与监察规定》的要求，由取得安装资格的单位进行安装。

4.3 使用单位的安全管理水平和操作人员的技术水平是氨制冷压力管道安全运行的保障

企业应制定并落实岗位安全责任制，建立健全安全管理制度和操作规程，提高安全意识和法律意识，加强安全检查。应重视和加强对氨制冷压力管道操作人员的业务培训、考核与安全教育，坚决杜绝无证上岗现象，使其掌握氨制冷管道安全技术要求，提高技术水平以及应急处置能力和自我保护能力。同时，使用单位应按国家相关规定，进行开工告知和报检，使氨制冷压力管道自觉地纳入安全监察范围。

4.4 安全监察和定期检验是保障氨制冷压力管道安全使用的重要手段

对于新建的氨制冷压力管道要严把安装质量，要按照国家质量监督检验检疫总局的要求切实做好监督检验。特种设备安全监察机构要加大安全监察执法力度，严厉查处非法安装行为，严禁未达到设计要求的氨制冷压力管道投入使用，确保新建压力管道各个环节符合国家有关法规、规范要求。要加大对氨制冷压力管道无证使用、超期使用、作业人员无证上岗等违法行为的查处力度，切实提高作业人员持证上岗率。同时，要随时掌握在用压力管道变化动态，建设好数据库。特种设备检验机构应对在用氨制冷压力管道有计划、有步骤地进行定期检验，加强对管道安装过程的监督检验工作，特别是管道材料的验收、焊接工艺和焊接质量的控制、管道元件、阀门、安全附件质量把关等，提高检验率和检验水平，及早发现缺陷，及时消除安全隐患，防止事故发生。

4.5 制定应急预案是减少事故的有效途径

使用单位应加强事故应急预案的制定，并结合本单位氨使用区域周边环境的具体情况，有组织地进行事故模拟演练，提高在异常情况下的应变能力、突发事件的处理能力。特种设备监察部门应加强行政执法工作，落实事故预防和隐患监控措施，检查企业应急预案的执行情况，在出现事故时启动预案，防止事故蔓延、扩大，最大限度地减少事故造成的人员伤亡、财产损失和社会危害。

5 结束语

氨制冷压力管道关系到人民生命财产安全，它是经济发展的重要基础设备，也是与人民群众生活密不可分的重要基础设施，而且随着经济和社会的高速发展，它的重要性越来越被我们认识。为保障氨制冷压力管道安全运行，有效防止和减少重特大事故的发生，各个相关单位和个人都应该严格遵守国家的法律法规标准规程，思想上高度重视，以对人民生命安全高度负责的态度，参与到氨制冷压力管道安全工作中，为营造稳定、和谐的社会做出应有的贡献。

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