氨制冷系统压力容器的设计特点

夏德富

(天津长芦海晶集团有限公司,天津 300450)

氨，一般指氨气,属于低压液化气体，在常压下冷却至-33.5 ℃或在常温下加压至0.7 MPa～0.8 MPa，气态氨就液化成无色液体，同时放出大量的热。氨的沸点为-33.5℃,在低温下液氨就可以汽化沸腾，汽化时快速吸收空气或其它物料大量的热，使周围物质的温度急剧下降,从而达到制冷的目的。由于成本低廉，效率较高，控制容易，不破坏臭氧层，无温室效应，单位容积制冷量大,所以，液氨成为制冷剂中的翘楚，在氯碱化工、石油化工、食品、酒店、制药、水产等行业的大型制冷系统中，氨被广泛应用于空调、制冷、冷冻、冻干、冷藏等制冷作业。

氨是一种无色有强烈刺激性臭味的气体，渗透性强，遇水后对锌、铜、青铜合金(磷青铜除外)有腐蚀作用。按照GB5044《职业性接触毒物危害程度分级》和HG 20660《压力容器中化学介质毒性和爆炸危险程度分类》,氨是中度危害介质, 氨会刺激人体粘膜，达到一定浓度后人会窒息，氨蒸汽在空气中容积浓度达到11%～14%时，可点燃 ；当空气中氨的含量达15.5%～27.4%时，遇明火可引起爆炸。当介质温度20 ℃时，氨的饱和蒸气压力为0.857 MPa(绝压)，因此，在各种制冷装置中，氨的燃爆危险等级与毒性都很高，在制冷剂安全分组中分为B2组。氨制冷装置通过压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器等设备，以管道、阀门、密封件等连接，制冷剂在封闭的系统内完成制冷循环。因此，氨制冷装置中的容器均是压力容器。当工作压力大于等于0.1 MPa，容积大于等于30 L并且内直径大于等于150 mm时，属于特种设备监督管理范围，设备的设计、制造、使用、维修及管理过程应严格按照《特种设备安全法》、《特种设备安全监察条例》和《固定式压力容器监察规程》(以下简称《容规》)规定执行。

对于氨制冷装置压力容器，在工况介质、结构、用材、设计计算以及制造、检验等方面，与一般化工容器相比，存在许多特殊性，因而氨制冷装置用压力容器在国内外均已形成了自己的专用技术标准及安全技术规范。经过几十年的发展，我国制冷装置压力容器的行业标准已经自成体系，相当成熟。

文章以为某食品公司冷冻工序氨制冷装置中设计制造的 1台氨液分离器为例 ,对氨制冷系统压力容器的设计特点进行分析和探讨。

1 设备设计概况

该设计是氨液分离器设备更新设计，替代原国外进口设备，生产工艺技术参数及设备规格尺寸参照原设备，并根据我国相关标准及规范进行设计确定。容器的设计条件:制冷剂介质R717(液氨),安全分组B2,容器直径为1 200 mm ，容积为3.8 m3。制冷温度为-50 ℃～-20 ℃，使用地点为天津空港开发区，设备在室内安装。

该容器的设计技术参数为：设计压力1.6 MPa，设计温度43 ℃，筒体使用的材质为Q245R，腐蚀裕量0.6 mm，焊接接头系数φ=0.85，容器规格DN1 200×16×2 960 mm，容积3.8 m3，设计使用年限10 a。依据TSG21-2016之规定,该设备压力容器类别定为Ⅱ类， 属中压分离容器。

2 设备设计参数分析

氨制冷装置用附属设备包括贮氨器、冷凝器、油分离器、集油器、中间冷却器、低压循环贮氨器、氨液分离器等，一般是冷冻设备机组的配套定型产品。氨液分离器的设计应遵循NB/T47012《制冷装置用压力容器》及JB/T7658《氨制冷装置用辅助设备》的规定。

氨液分离器中的介质是氨气和液氨，设备用100 mm聚氨酯保温。液氨的饱和蒸气压与温度具有对应关系 ,液氨的压力取决于它的温度,制冷装置用氨压缩机调节气相压力，通常情况下，氨压缩机进口压力低于0.2 MPa。根据工艺操作要求 ,一般要将分离器内的液氨温度控制在-45 ℃～-20 ℃。由氨的物理特性可知，当冷冻温度为-20 ℃时，对应的液氨的饱和蒸气压在0.094 MPa (表压 )以下,由此可见该台设备在正常冷冻操作情况下使用温度低于-20 ℃,而工作压力低于0.1 MPa(表压)。因此,在正常冷冻工作条件下，容器内压力很低，甚至是真空状态。该设备虽不属于储存容器，但作为液化气体的分离容器，在工厂停产检修或者因其他原因制冷装置停止运转时，设备内仍会存在有大量液氨的情况，其压力受环境温度影响。根据我国空调系统设计规范,天津地区夏季室外干球温度可达到36 ℃，如果设备失去可靠的保冷措施，设备内氨的温度会不断升高，直至与室内环境温度一样，那么氨的饱和蒸汽的压力会达到1.4 MPa(表压)以上，因此，该设备应按容器顶部可能达到的最高压力进行设计和管理。该设计按照JB/T7658.14-2006的规定选取设计参数：设计压力1.6 MPa,设计温度43℃。按照TSG 21-2016《固容规》的规定，该设备压力容器类别为Ⅱ类。

另外，当制冷操作温度达-24 ℃以下时，相应温度下氨的饱和蒸气压小于0.1 MPa(绝压)，容器处于真空状态，因此，在设计时应校核绝对真空状态下容器的稳定性。容器受压元件的壁厚取正压与真空两种状态下的大值。

制冷装置一般采用无水氨，由于此种介质对碳素钢、低合金钢的腐蚀性较弱，所以腐蚀裕量选取较小值，按0.6 mm计。

按NB/T47012-2010《制冷装置用压力容器》 ，制冷装置用压力容器均可不开检查孔，因为介质对壳体的腐蚀性很小，使用后也不需要进行内部检验，对接接头无损检测比例为局部(≥20%)射线或超声检测,焊缝系数φ=0.85。

3 壳体材料的选用

该设备实际使用的介质温度(即氨蒸发温度)在-40 ℃左右 ,设备金属表面温度也在-20 ℃ 以下,因此，该设备设计温度应低于-20 ℃,是低温压力容器。

按照NB/T47012-2010《制冷装置用压力容器》 3.5.2以及GB150.3-2011《关于低温压力容器的基本设计要求》附录E 1.4的规定，对于碳素钢和低合金钢容器，当壳体或其他受压元件的工作温度虽然低于-20 ℃，但在该温度下的操作压力作用下，当容器元件实际承受的最大一次总体薄膜应力不大于钢材标准常温屈服强度的1/6,且不大于50 MPa时，容器属于“低温低应力工况”，若其设计温度加50 ℃(对于不要求焊后热处理的容器，加40 ℃)后不低于-20 ℃，除另有规定外，不必遵循关于低温容器的规定。

该例中，该设备筒体及封头的名义厚度16 mm,氨在- 20 ℃温度下 ,其饱和蒸气压为0.094 MPa (表压),容器筒体实际承受的最大一次总体薄膜应力可根据公式(1)计算：

σt=pc(Di+δe)/(2δe)

(1)

其中，Di=1 200 mm,pc=0.094 MPa,δe=16-0.6-0.3=15.1 mm

σt=0.094×(1 200+15.1)÷(2×15.1)≈3.78 MPa,是Q245R钢标准常温屈服点的1.15% ,且远小于50 MPa，所以，完全符合低温低应力工况要求。冷冻最低温度-45 ℃，加上40 ℃后仍高于-20 ℃, 所以，不必遵循低温压力容器设计要求,也没有必要选择低温容器用钢。

以上的分析结论具有普遍性的意义，所有氨制冷压力容器均没有低温脆性破坏的现象，全部不涉及低温用材问题。

制冷剂经压缩后或多或少带了油雾，油雾凝结后以一层油膜附着在容器内壁表面，起到了对制冷剂的隔离作用，保护容器内壁表面，因而介质对碳素钢、低合金钢制冷容器内壁没有腐蚀现象。为保证容器的安全使用，结合制冷行业多年的成功经验，壳体及封头选用了碳素钢Q245R，在以氨为介质的压力容器中，该钢材比低合金钢Q345R具有更好的抗应力腐蚀裂纹性能，容器用钢板应符合GB/T 713-2014《锅炉和压力容器用钢板》的规定。

4 结构设计特点

4.1 该设备的结构简图(见图1)

图1 氨液分离器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of ammonia liquid separator

4.2 不开检查孔

制冷容器内壁基本没有腐蚀现象，同时由于制冷装置长期连续运转，加之氟里昂、氨等制冷剂的渗透性非常强，以氨为制冷剂的制冷装置中，容器中的残留氨更是难以排除干净，检查人员根本无法进入容器内部。因此，长期以来制冷压力容器均不设置人孔或其它检查孔。从日本、丹麦、德国等国引进的制冷装置，其压力容器也都没有检查孔，可见制冷容器不设检查孔在国内外已形成共识。

4.3 参照低温压力容器设计规范进行结构设计

(1)结构应尽量简单，减少约束。

(2)尽量避免结构形状的突然变化，以减小局部高应力。

(3)容器的支座垫板与壳体同材质。

(4)开孔接管与壳体的焊接接头。为避免结构形式的突然变化，同时保证结构应力强度，接管采用了适当增加壁厚的形式，取消了以补强圈进行加强的结构方式。

(5)氨极易挥发，穿透性强，氨又具有毒性。制冷容器80%以上的故障是制冷剂的泄漏，制冷剂一旦泄漏，不仅影响装置的工效与可靠性，而且污染环境，因此，制冷容器严密性要求极高，尽量少开孔，尽量不用可拆式连接，该例设备的接管全部采用对接焊的连接方式。

(6)为了减少泄漏点，该设备没有设置人孔，设计要求最后一道环缝采用氩弧焊打底焊接，并要求在焊接最后一道环缝之前对内部所有焊缝进行20%射线探伤和100%表面磁粉检测，分别为Ⅲ级和I级合格，在最后一道环缝焊接之后对此焊缝也要求进行100%表面磁粉检测，I级合格。

(7)从安全方面考虑，当介质为液化气体，容器需设置安全阀口。安全阀选用全启式氨气专用安全阀，并要求安全阀开启后应按要求设置专用的泄压排放管道。

5 检验、试验及其他设计要求

(1)该容器要求按《固容规》和GB150规定进行各种检验与试验。

由于介质易燃，中度危害，应进行泄漏性试验，所以图纸要求按1.25倍设计压力进行水压试验，水压试验合格后，按设计压力1.6 MPa进行气密性试验。气密性试验时，安全阀的整定压力可定为1.7 MPa。

由于该容器设置了安全阀，安全阀的整定压力需要两次设定:气密性试验时一次，使用单位根据实际操作压力再进行设置一次。

(2)制冷容器用液氨为工业纯氨，虽然我国制定了工业液氨的质量标准，但由于我国液氨主要是由化肥行业生产，目前国内化肥厂的技术水平很难保证按标准规定执行，故设备设计中提出了氨的质量要求，要求含氨量>99.995%,或者含氨量≥99.6%且含水量>0.2%。氨液成分定期分析(每半年至少一次)，保证设备的安全运行。

(3)氨冷冻系统具有较高的危险性，氨冷冻设备的设计、制造、安装、试验、使用及管理是一个系统工程，为了保证设备的安全运行，设计中注明该设备同时应遵守SBJ12-2011《氨制冷系统安装工程施工及验收规范》和GB28009-2011《冷库安全规程》的规定，也必须符合国家及地方现行的涉氨工艺设备消防、安全技术法规的要求。

(4)设备的安全附件包括压力表、安全阀、液位计等,必须使用氨专用装置。设备的液位控制不得高于2/3D,并且应有可靠的报警及连锁切断装置。

(5)设备试验检验合格后，应按规定用0.8 MPa表压干燥压缩空气进行彻底吹污。

(6)设备制造完成并检验合格后，所有接管用盲板焊接密封。

(7)因未设检查孔，图纸明确注明了受压元件计算厚度，并且要求在设备使用期间重点进行测厚检查。

6 结语

制冷装置压力容器在制冷工序、工况条件、结构、用材、设计计算以及制造、检验等方面具有特殊性，但在涉及安全的主要质量要求上和其他压力容器是基本一致的。制冷装置压力容器适用于特种设备管辖范围的，必须遵守特种设备的相关规定。

制冷装置压力容器设计、制造、使用及管理是一项系统的技术工程，要求各个阶段的技术人员都要具有全面的压力容器专业知识。

关于制冷压力容器， NB/T47012《制冷装置压力容器》是制冷系统的专业技术标准，全国冷冻空调设备标准化技术委员会还制定了JB/T76584《氨制冷装置用辅助设备》 ，分为18个部分，涵盖了所有氨制冷装置压力容器，是氨制冷压力容器设计、制造、使用的基本规范，国家及地方有关安全部门还相应制定了一系列涉氨工艺设备消防、安全技术法规，均必须予以严格遵守。

作为特种设备设计人员，要熟悉了解设备的全部工艺操作，熟练掌握特种设备法律法规及规范标准。该台制冷装置氨液分离器的设计按最危险工况设计, 即充分考虑设备夏季停用时设备内还有大量液氨的这种工况,受压元件材质选取Q245R,充分考虑了在液氨介质中Q245R比Q345R具有更好的抗应力腐蚀裂纹性能。

总之，针对氨气介质的有毒、易燃及强渗透的特点，为保证容器的安全可靠运行，做到万无一失，在设备的全寿命过程中，必须特别重视和慎重对待设计工作，只有做到设计工艺数据选用正确、材料选用正确、结构设计合理，检验试验要求齐全，才能保证设计文件完全符合《固容规》和《压力容器》等相关法规和技术标准的规定，保证容器使用的安全可靠，同时经济合理。