氨制冷装置特种设备的损伤模式及定期检验

王锋淮，王其波，叶宇峰，赵　磊，蔡刚毅

(1 浙江省特种设备检验研究院，浙江　杭州　310020；2 舟山市特种设备检测院，浙江　舟山　316000)



化工机械

氨制冷装置特种设备的损伤模式及定期检验

王锋淮1，王其波2，叶宇峰1，赵磊1，蔡刚毅1

(1 浙江省特种设备检验研究院，浙江杭州310020；2 舟山市特种设备检测院，浙江舟山316000)

氨制冷系统广泛应用于食品、化工、制药等行业。目前，主要用于制冷、制冰、冷藏的中小型制冷系统普遍使用压缩式制冷装置，如何安全使用和维修保养氨制冷压力容器和压力管道成为越来越值得关注的话题。本文从氨制冷压力容器和压力管道常见的失效机理入手，探讨氨制冷系统压力容器和压力管道的检验策略。

氨制冷；失效；压力容器；压力管道

氨是一种广泛应用于各类大小型冷库的制冷剂。在常温下，氨是一种无色、有强烈刺激臭味的有毒气体。与其它制冷剂相比，用氨作为冷媒的装置制冷效果好、污染小、经济性高。利用液氨作制冷剂已有一百多年历史，在我国氨制冷技术广泛应用于医药、制冰、冷库、水产加工等行业，极大地促进了工业、农业、医疗和物流业的发展，改善人民生活质量。

氨制冷系统由压力容器和压力管道相连而成，其中压力容器主要有贮氨器、低压循环贮液桶、中间冷却器、油分离器、冷凝器和集油器等，系统的工作压力一般小于2.0 MPa。在我省实际应用中的制冷系统一般有蒸发温度为-5～-20 ℃的一级压缩制冷系统和蒸发温度为-40～-20 ℃的二级压缩制冷系统。

氨制冷系统具有需要长周期连续运行的工艺特点、装置中压力容器和压力管道内的主要介质是氨和部分压缩机油。氨制冷装置的运行工艺和介质属性决定了其特有的损伤机理和失效模式[1-2,4-5]。

1　氨制冷系统的损伤模式

1.1氨制冷系统压力容器的损伤模式

氨制冷系统一般为单系统运行，工艺条件也要求系统进行长周期运行，因此装置内的压力容器有其特有的损伤模式。

1.1.1带隔热层容器的外表面腐蚀

在相对湿度RH<70%的环境条件下，氨制冷系统内压力容器就有可能产生化学腐蚀。氨制冷系统的中间冷却器、低压循环储液桶等容器内的氨液都处于低温工况下，工艺要求加隔热层，且隔热层应具有一定的厚度，隔热层应整体完整、严密。隔热层对容器有保冷和防潮作用，如果压力容器的外部隔热层完好，一般认为隔热层内压力容器的外壁腐蚀少，如果隔热层疏松或有破损，则在潮湿空气的影响下，在系统循环运行时，隔热层疏松或有破损部位筒体外壁和隔热层之间容易出现结霜-溶化-结霜循环，在大气中氧的侵蚀下，引起压力容器的外壁发生腐蚀。

另外，含有隔热层压力容器的铭牌位置，空气中水汽容易在铭牌下面积聚，造成铭牌底下的筒体长期处于潮湿环境中造成腐蚀的发生。还有压力容器筒体的支座附近和接管周围等几何不连续处，因为隔热层在这些部位包裹不严，也容易引起水汽凝结积聚，造成隔热层下的腐蚀。

1.1.2无隔热层容器的外表面腐蚀

氨制冷系统中的氨油分离器、立式冷凝器、贮氨器和集油器等压力容器一般无隔热层，但一般均放置于室外，易遭受潮湿的空气、雨水侵蚀，在长时间运行后，如果设备表面的防腐层有破损，容易在设备的外表面产生电化学腐蚀。在相对湿度接近100%时,由于隔热层破损处设备表面结露或雨水落于筒体表面形成水膜；当相对湿度小于100%时，设备表面无结露条件的，筒体表面会通过毛细凝聚、化学凝聚、吸附凝聚等方式形成水膜。氨制冷系统压力容器在工作环境中易发生电化学腐蚀的另一个重要的原因是，氨制冷装置工作环境一般比较潮湿，环境内空气中含水份多，湿度大，同时，云中中的压力容器筒体各部位温度不同、设备筒体各部分材料化学成分也不均匀、容器在制造过程中形成的各部位应力应变不均、设备表面保护膜不完整等原因，设备本身产生腐蚀电池。氨制冷压力容器表面一旦形成水膜，就会溶解环境中大气里的CO2从而形成电解质溶液，具有极好的溶解氧条件，形成一方面水膜中始终为氧饱和，另一方面氧又极易到达金属表面。由于金属表面的电化学不均匀性，就会构成各种腐蚀电池，产生腐蚀。

1.1.3氨对压力容器的应力腐蚀

很多氨制冷企业没有提供氨液成分分析报告，无法控制氨液中的氧、水分、油等含量，加上贮存液氨的各压力容器，在氨液充装、设备检修维护的过程中，容器打开时受到空气等外界的污染，碳钢及低合金钢在这种环境下均易产生应力腐蚀。而空气中的O2、CO2、N2都会促进液氨对各压力容器筒体的腐蚀。无论是在筒体气相或液相中，氨液、氧气和氮气与碳钢或低合金钢均能组成应力腐蚀环境，造成应力腐蚀。其腐蚀机理为：在含氧气的液氨中,容器表面吸附氧气形成氧化膜,从而使腐蚀电位变为正值。当压力容器受拉力产生应变后，氧化膜被破坏,暴露出来的钢材新鲜表面与附近有氧化膜的金属表面组成微电池，产生快速溶解。在没有其他杂质存在时,氧气能在裸露金属表面上再次形成氧化膜,抑制应力腐蚀的产生。但是当液氨中溶有氮气时,氮气会与氧气在滑移阶上产生竞争吸附,阻止部分裸露滑移阶的再钝化,从而增加了钢的应力腐蚀断裂敏感性。只要缺少上述任何一种条件,应力腐蚀均不能发生[3-4,6]。

碳钢暴露于液氨中，未经过热处理的焊缝金属和热影响区可能发生应力腐蚀开裂。NB/T47012附录F(规范性附录)中规定，对于钢制氨制冷压力容器的液氨，应满足以下条件之一：①含氨量应大于99.995%，②含氨量应不小于99.6%，且其中含水量应大于0.2%。因为当满足这两项条件之一时，氨液对钢的应力腐蚀的敏感度较低。在TSG R7001-2013附件C中对于应力腐蚀敏感较低和较高的情况分别提出了不同的检验项目，也是基于可能由氨应力腐蚀开裂引起的设备失效模式的考虑。

1.2氨制冷装置管道的失效模式

氨制冷系统压力管道管径一般为57～219 mm之间，介质有液氨和氨气。工作压力低压侧一般在1.2 MPa以下，高压侧一般在2 MPa以下。工作温度低压侧在-18 ℃以上，高压侧在150 ℃以下。氨制冷管道的主要失效模式有泄漏失效、刚度失效和强度失效等。

1.2.1管路系统泄漏

包括管道、阀门、连接法兰、泵的密封等设备及部位。由于压力管道无专业设计，安装时不规范，安装质量无法得到有效的保证，有些投时间长的冷库，由于使用单位对氨制冷系统未实施有效的维保，导致设备老化速度快，有些使用单位在未经设计验证的情况下对装置进行维修、改造压力管道，由于改造单位的能力不足和不规范施工，导致官道上形成新的缺陷和损伤等。典型的有融霜管道漏氨，即在融霜工艺操作过程中，容易造成蒸发器等管道及阀门内前后压差过大。管内冷冻机油及氨液急速运动而产生撞击，致使管道及阀门等爆裂而发生跑氨事故。

1.2.2管道腐蚀

氨制冷系统压力管道由于腐蚀而引起的破坏的形态主要有局部腐蚀引起壁厚减薄、应力腐蚀造成开裂和腐蚀疲劳引起开裂等。局部腐蚀主要是管道外表面直接受到大气腐蚀侵蚀，对于使用年限较长的回气管道，由于防腐层的老化和脱落表现尤其突出，在周围环境的影响下，严重时会造成管道腐蚀穿孔漏氨；氨管道的应力腐蚀主要由于管道在安装时焊接和冷加工带来的残余应力和管内的氨介质共同作用引起。氨管道的腐蚀疲劳是管道运行情况下承受的交变应力与管内介质共同作用下发生的腐蚀开裂。氨制冷装置的疲劳源有压缩机引起的机械激振、介质流动引起流体喘振、交变运行工况下交变热应力、压力循环等。交变载荷也会导致管道组成件和焊缝内部原有缺陷的扩大和管道连接接头的泄漏。

1.2.3脆性断裂

由于压力管道在安装时安装单位安装不规范，焊接工艺不符合要求，未进行无损检测。或者检测比例不够。焊接缺陷主要有焊缝几何成形偏差过大、焊缝表面缺陷、埋藏缺陷、未焊透等。在氨制冷的低温工况下在应力集中部位产生低温脆断。另外，压缩机、泵作为振动源使得其进、出口部位及近处焊缝、管件及管道易产生振动疲劳裂纹，当裂纹扩展后，导致管道开裂失效。

2　检验措施

氨制冷管道需要进行长周期的运行，一般不允许进行停机排液检验。同时结合氨制冷装置压力容器和压力管道的失效形式。因制定针对性的检验策略，压力容器和压力管道的定期检验需注意如下几点：

2.1根据使用单位情况选择检验项目和比例

目前，我省已建设的氨制冷装置参差不齐，有些厂建设已超过20多年，压力容器和压力管道的相关建设资料已经遗失，氨机房的布置比较紧凑，冷库离城市较近。设备的隔热层也有破损。有些厂建设后投用时间不长，设备资料齐全，管道安装资料详细，设备隔热层完好。

结合对浙江省内氨制冷装置企业的摸查结果，认为对于2000年之前建设的氨制冷装置，检验时应拆除低压侧压力容器和压力管道上部分隔热层，检查压力容器筒体的焊缝布置、外观成形，抽查筒体壁厚，焊缝表面缺陷，如果发现焊缝表面缺陷，视情况增加焊缝埋藏缺陷检测，或者利用生发射检测技术确认存在的缺陷是否有活性。对于资料遗失的设备，进行光谱分析，必要时进行强度校核。检查低压侧管道的壁厚，及焊缝质量检测，对发现的缺陷进行评价，如果超过允许范围，则进行返修。对于2000年之后建设的氨制冷装置，我们建议可不拆除隔热层或部分拆除隔热层检验，对压力容器和压力管道的主要进行资料审查，壁厚抽查、隔热层完整性检查、阀门和接管法兰处泄漏检查，安全附件是否可靠。当发现设备隔热层有破损处，则需拆除破损的隔热层进行壁厚抽查，是抽查结果确定是否进行扩检。对设备损坏的隔热层应及时修补，隔热层使用超过一定年限后，应更换。

2.2对氨液成分分析

氨液成分对压力容器和压力管道的腐蚀和开裂均有较大的影响，因此，在氨制冷装置检验时，如果具备条件，则对氨液成分进行分析，如果不具备条件，则审查氨液充装记录及氨液提供商的氨液成分分析报告。一般来说，氨制冷系统中的氨在系统内封闭循环，经过相态变化把冷库中的热量带到环境中来，系统内的氨基本是稳定的，但是管道上阀门和压缩机连接管道的法兰面因密封原因会有轻微的氨泄漏，这也导致了大多少氨制冷系统的氨机房一般有一股氨味，因此，在系统长时间运行后，需要对系统进行充氨。使用单位对购置的氨要严格把控，无水液氨只对钢产生轻微的均匀腐蚀。但对储存液氨的容器，在充装排料及检修的过程中，容器受到空气的污染，碳钢及低合金钢在液氨环境中都具有应力腐蚀敏感性。温度、液氨纯度、钢的化学成分和力学性能都对抗应力腐蚀性能有一定影响。液氨对钢制容器的应力腐蚀的敏感温度为-5～30 ℃。同时，液氨中存在微量的氧就能能促进钢表面的保护膜破裂，但若同时存在少量水或机油，则可防止应力腐蚀破裂。一般钢的含碳量越高，强度、硬度越高，破裂敏感性越大。因此，使用单位应提供氨液成分检查记录，严格控制氨液中的氧、水分、油等含量，以减少应力腐蚀。

2.3高压侧压力容器和压力管道的检验

氨制冷装置检验困难主要在于不停机状态下的低压侧压力容器和压力管道检验。高压侧压力容器和压力管道则相对容易实施检验，高压侧压力容器和压力管道一般无隔热层，压力管道内的氨有气态和液态，管道温度为常温。

高压侧压力容器主要有贮氨器、油分离器和集油器等，主要进行资料审查、压力容器宏观检查、壁厚检测和外表面无损检测。其中宏观检查应对压力容器的各个部位都进行，重点检查防腐层破损部位和其它可疑部位。对应力集中部位、变形部位、有怀疑的焊接接头、补焊区、工卡具焊迹、电弧损伤处和易产生裂纹的部位应当进行外表面无损检测。

压力管道检验主要是进行管件的壁厚抽查，对压缩机出入口管道，压力容器出入口管道焊缝的进行无损检测。壁厚抽查主要是检验氨制冷装置长时间运行后是否存在腐蚀减薄和形状突变处的冲刷。

压缩机运行时往往带动与之相连管道的振动，尤其活塞式压缩机的一、二级排气管振动较为严重，与之相邻管道焊缝存在疲劳损伤机理。定期检验时，需对管道明显振动范围的焊缝进行表面无损检测和埋藏缺陷检测。若经检测发现超标缺陷，则应进行返修，同时对发现缺陷的管道进行管系应力分析，应力分析时应充分考虑管道的各项载荷条件。应力分析合格的管道可以在加强在线监测的条件下使用，在运行中，应对振动管道的焊缝定期进行检测。应力分析不合格的管道应停止使用，实施压力管道的改造。

3　结论和建议

通过对氨制冷装置压力容器和压力管道损伤模式的分析，对氨制冷装置的设备进行区分检验具有一定的可行性。制定具体检验策略时应考虑氨制冷装置的运行状况。

结合氨制冷装置使用单位的具体情况，氨制冷装置检验时机和检验项目选择需同时考虑压力容器和压力管道损伤模式和检验的经济性。

[1]卢均臣,王延平.涉氨企业事故分析与对策[J].广州化工,2015,43(21):235-237.

[2]朱延煜.氨吸收制冷及压缩制冷工艺比较[J].广州化工,2010,38(07):220-221.

[3]丁小平.氨制冷系统压力容器定期检验中的几点看法[J].石油化工设备,2009,38(3):92-94.

[4]贾强.氨制冷压力管道不停机全面检验方法研究[J].压力容器,2012,29(5):75-80.

[5]吕文涛,钱英豪,吴晓风.氨制冷系统压力管道现状及缺陷研究[J].化工装备技术,2015,36(5):27-30.

[6]金炳国.氨制冷压力容器检验要点分析[J].科技致富向导,2013(30):105.

Damage Mechanism of Ammonia Refrigeration’s Special Equipment and Periodic Inspection Methods

WANGFeng-huai1,WANGQi-bo2,YEYu-feng1,ZHAOLei1,CAIGang-yi1

(1 Zhejiang Provincial Special Equipment Inspection and Research Institute, Zhejiang Hangzhou 310020；2 Zhoushan City Special Equipment Inspection Institute, Zhejiang Zhoushan 316000, China)

Ammonia refrigeration is widely used in food, chemical, pharmaceutical and other industries. Small ammonia refrigeration system is commonly used in refrigeration, ice, frozen industries. How to use and maintenance of ammonia refrigeration’s pressure vessel and pressure pipeline safely has attracted wide attention. Some inspection methods based on the damage mechanism of ammonia refrigeration’s pressure vessel and pressure pipeline were proposed.

ammonia refrigeration; damage; pressure vessel; pressure pipeline

王锋淮(1985-)，男，工程师，主要从事压力容器和压力管道等特种特备检验检测和相关研究工作。

TQ050.7

B

1001-9677(2016)012-0158-03