液氮冻结制冷技术研究

周学斌

（青海盐湖工业股份有限公司，青海格尔木 816099）

液氮冻结技术由英国工程师南威尔首次使用，德国工程师P.H.Poetsch经过技术总结形成了发明专利，并成功应用于阿尔里的9号立井的凿井工程。这项专利的发明使世界工程建设获得了巨大发展，使冻结技术为世界工程项目服务。这些年来，随着力学、热力学、冻土力学等其他基础科学的不断发展，推动了冻结技术应用的范围，全世界各个国家和地区都对该项技术进行了研究探索。

1 我国技术现状

1955年我国开始引入了冻结技术，该技术已经在我国发展了六十多年，在此期间有无数科研工作者付出了艰辛的工作，同时也取得了重要成果，为我国的经济建设作出了应有贡献。这项技术在矿山井筒施工中的应用，创造出了753.95m的世界冲积层冻结记录，此外，这项技术为我国重大工程建设提供了重要支撑，这些项目包括港珠澳大桥拱北隧道工程、川气东输武汉段穿江隧道以及各大城市的地铁建设工程。

现代城市建设工程对工期、作业空间和施工质量的要求极为严苛，传统的循环制冷工艺已经不能满足施工需求，而液氮制冷工艺系统因其具有广泛的实用性，成为冻结施工中不可缺少的工艺，这项技术具有如下优势：第一，结构简单、设备使用少；第二，该技术冻结速度快，形成的冻土强度高；第三，土体冻涨融沉比盐水冻结系统小得多；第四，液氮使用后挥发进入大气，没有污染。液氮冻结制冷工艺原理是相同的，但因使用方式不同，存在多种形式。本文结合了液氮冻结施工的经验，探讨了液氮冻结制冷技术。

2 液氮冻结制冷系统安装和工艺流程

2.1 液氮制冷系统安装

液氮系统安装工艺比较简单，主要设备包括液氮运输槽车、液氮罐、液氮分配器和制冷管路。

液氮运输槽车和储液罐都属于液氮压力容器，应有隔热功能，同时应在出口位置安装控制阀门、压力表等，从而通过阀门调节压力大小来控制液氮输出流量。液氮运输槽车和储液罐都应该符合低温绝热压力容器标准GB18442要求。压力容器工作压力应大于10MPa，储液罐容积应大于20m3。运输槽车应符合运输化学直接车辆要求，运输容积应能满足施工需要。运输槽车在运输过程中容量控制在80%以下，防止路途的颠簸撞击。储液罐在运输过程中应做好固定保护，装卸时不能使罐体损伤，影响使用寿命。罐体到达施工现场应避免暴晒，应放置在通风阴凉位置。罐体放置时不能倾斜、倒置或与其他物品碰撞。根据液氮的使用特点，应选用立式储液罐体，有效提高罐体容积的使用效率[1]。

液氮供液分配器能够把液氮平均分配到不同的冻结器中，还可以监测系统压力流量等参数。液氮分配器一般采用奥氏体不锈钢制作，制作的大小应根据施工量进行控制。液氮制冷系统连接完成后，需要进行气体压力密闭性试验，试验压力为正常工作压力的1.2倍，试验检测漏点使用肥皂水，如发现泡沫应重新安装。

2.2 液氮冻结系统工艺流程

液氮冻结制冷工艺的原理比较简单，液氮失去压力后会气化，气化后的气体排入到空气，与此同时带走周围的热量。在这过程中，液氮既是制冷剂，也是载冷剂，是单向循环的流动方式。装有液氮的槽车被运到施工现场后，使用承压管道将液氮输送至储液罐内，输送完成后断开连接管。液氮通过阀门进入分配器，供给不同的冻结器。根据工程设计情况，每组冻结器可以串联1～3个冻结器，每组冻结器都设置一个排气管道对外排出氮气，整个制冷冻结过程按照这个流程进行[2]。

3 液氮冻结制冷技术的工艺技术

液氮冻结制冷技术系统流程相对简单，主要有三个步骤，首先进行系统的预冷，其次进行制冷冻结，最后进行维护冻结工作。

3.1 系统预冷

在对整个管路系统进行试压检查后，需要对全部管路进行预冷，使管路温度下降避免金属管路因为快速冷区发生收缩变形。操作方法是，缓慢打开储液罐出液总阀门，控制液氮的输出压力小于0.2MPa，经过2h后测量冻结器出口温度，使其温度达到-60℃。降温完成后调大供给阀门，使系统运行压力保持在0.5MPa，经过一段时间后再次测量冻结器排气口温度，最终使其保持在-80℃，观察出气口白色雾气保持2m左右，记录系统各个阀门开启位置，检查管路冻结器部件是否正常[3]。检查无误后保持系统正常运转，可以进行冻结制冷。

3.2 冻结制冷

液氮冻结制冷过程中要保证冻结器排出的氮气温度不高于-60℃，排气口上方有加盖篷布，防止雨水淋入影响排气。冻结制冷工作运行期间，全程监控压力、温度、流量以及冻土施工工作进度，根据施工需要及时调整液氮阀门，控制制冷系统液氮供给量。把各个冻结器的入口和出口的阀门进行串联，使各个位置的液氮供给量趋于平衡，从而使冻土工程的圆柱状态更加稳定。

冻结制冷过程开始后，要根据液氮流量监测数据估算系统运转过程中液氮消耗速度，通过计算估测出液氮罐剩余液氮量的使用时间，以便能够使出液罐有足够的时间进行液氮补给，使冻结过程能够连续进行。

冻土的发展速度是预测冻结帷幕结构形成的关键数据。所以应该在液氮冻结制冷阶段内，时隔2h进行一次温度变化的监测，根据温度对冻结帷幕结构的形成时间做出准确判断，这样能够为施工开挖创造更好的条件，也能对控制液氮阀门调节提供有效依据。

3.3 维护冻结

通过对冻土监测数据的分析，能够判断出冻结帷幕结构的厚度，使其达到工程设计标准，强度能够符合工程要求，这时就可以开挖施工永久结构。此时应该对冻土结构面的形状进行监测，防止发生变形或冻结温度场变化过大，保证相关数据能够在安全的区间内，冻土温度不能快速升高。这时应该调整液氮的供给量，使冻结器的排气温度低于-30℃。

在整个液氮制冷冻结过程中，冻结器的排气温度是关键参数，可以根据这个温度参数对其他过程进行有效控制。

4 安全操作技术要求

液氮的气化过程温度极低，氮气也容易在封闭空间造成窒息，所以液氮冻结制冷过程中应制定安全操作规范，这其中包括了人员安全防护和安全操作规范。

液氮冻结制冷过程应有至少两人进行，一人负责工艺操作，另一人负责安全防护。操作过程中，工作人员应穿戴防冻服装、防护手套，严禁徒手接触液氮罐、管道、阀门、仪表设备等低温设备部件。工作过程要佩戴防喷的护目镜，防止意外伤害。施工现场要准备呼吸自救设备，操作场所应悬挂安全警示牌，张贴安全操作规程。

现场的压力设备容器要符合技术要求，施工现场应准备局部通风风机，防止缺氧窒息。操作人员做好应急培训，提前对危险情况做应急演练。

5 总结

液氮属于制氧和化工企业生产副产品，比较容易获得，所以成本相对较小。液氮冻结制冷技术使用在地下工程中取得了优良的成果，适合在相似工程项目中进行推广，有着光明的应用前景。

1）液氮制冷系统的操作工艺比较简单、效率极高、使用安全，适合进行大范围推广使用。

2）在工况比较复杂的含水软弱地层中的地下工程中，无法使用一般施工方法，这时可以考虑液氮冻结的方式。

3）液氮制冷在使用过程中的排气温度为-30～-80℃，有潜力提高其制冷效率，进一步发挥该工艺的优势。

4）液氮制冷技术的工艺原理虽然发明时间较早，但广泛使用在工程建设中的时间很短，液氮制冷技术还有很多需要改进的技术工艺，还需要投入更多的精力对这项工艺进行深入钻研，使其能够更好地为地下工程建设服务。