液氮管路振动的原因分析及预防对策

李 峥

(北京佳宸弘生物技术有限公司，北京 100176)

随着国民经济的快速发展和低温技术的普及，液氮应用日趋广泛，主要应用于航天、医疗、卫生、生物存储、食品工业、石化、化工、文化、公安及科学技术研究等行业。液氮在存储和应用中，主要通过管路进行输送，管路能否长期安全运行，直接影响储存设备和生产场地人员的生命安全。

1 问题的提出

氮气为无色、无味的压缩气体，化学性质稳定，不燃，相对分子质量：28.01，相对蒸气密度(空气=1)∶0.97，无特殊燃爆特性，常压下无毒，高压下可引起减压病。在101.325 kPa压力下，液氮的沸点-195.65 ℃，液氮具有低温作用，皮肤接触可引起严重冻伤，眼睛接触引起冷烧灼[1]。当作业环境中氮气浓度增高，氧气浓度相对减少到19.5%以下时，就可能造成人员缺氧窒息，当氮浓度大于84%时，可出现头痛、头晕、眼花，恶心、呕吐，呼吸加快，脉率增加，血压升高，胸闷、气短、心悸，疲软无力，神志恍惚，甚至失去知觉，出现阵发性痉挛、紫绀，意识不清等症状。当空气中氧气浓度<6%，可很快呼吸停止，继而心跳停止而猝死，无先兆症状[2]。

在液氮管路使用中，在管路吹扫、预冷及调节运行工作中，管路会出现振动和发出噪声现象。低温液氮管路若长期处在管路振动环境中，可诱发设备的“跑”、“冒”、“滴”、“漏”、“裂”、“断”等问题的发生，管路支架也会出现断裂、失效等情况，给设备安全运行带来隐患。一旦生产场地(实验室、车间、库房等)出现液氮大量泄漏，会造成人员窒息甚至死亡，所以，液氮管路安全使用问题不容小视。

2 管路振动及液氮泄漏的风险

流体管路的振动现象常常被人们忽视，但它却会给安全生产带来危险。安徽凤台县化肥厂就曾出现在管路调节运行中，管路和阀门时常出现瞬间振动，多次检查未查明原因，最终在一次强烈振动时，造成管道的法兰丝扣断裂，大量气液喷出，引发大火[3]。

若液氮管路在密闭空间泄漏，会造成人员缺氧窒息伤害。近些年，因氮气泄漏酿成人员窒息伤害、甚至死亡的事件，在国内外都有报道，据美国化学安全和危险调查委员会(CSB)的调查，1992-2002年期间，美国的工业领域发生于作业场所的氮气窒息事故有85起，造成80人死亡、50人受伤。而在我国，据不完全统计，1980-2005年期间，我国化工、石化行业发生氮气窒息事故26起受伤。死亡32人、受伤31人，事故常发生在有限空间内。我国2006-2016年，急性职业中毒事件统计中，一共发生337件，其中窒息性气体占179件，占比53.12%，死亡293人[4-6]。

3 液氮管路振动原因分析

低温液氮管路发生振动的主要原因是管路中液氮出现空化现象。空化是流体介质由于液体静压小于当地温度下的饱和蒸汽压力时，产生的动态相变现象。主要表现为气泡的产生与溃灭过程，气泡溃灭过程会引发机械振动和噪音，会对管道壁产生极大的压强，形成气蚀，对管路造成破坏。空化是低温管路流动常见的实际问题。

液氮管道中易产生空化的部位，常见于调节阀及管道弯管部位，下面分别进行分析讨论。

3.1 调节阀前后压差过大

每次打开液氮储槽出液阀和管路进液阀，并调节流量大小，若打开阀门操作不稳及开阀速度快时，会出现管路振动现象。这是因为液氮流体在管路阀门开启调节时，流体的状态发生了变化，如图1所示。

图1 阀门调节处液氮空化现象

阀前压力为P罐的液氮流经阀座及阀芯的节流部位，由于截面积变小，液氮流速急剧增加，此时液体的静压力快速下降，若P1≤该处液氮的饱和蒸汽压力，则出现液体被蒸发成气态，在液体中形成气泡，形成气液两相混合体，当它流过阀座、阀芯调节处后，压力又快速回升到P2状态，此时气泡迅速溃灭，气体重新溶解在液体当中，即出现空化现象。液氮的流速愈快，P罐-P2=ΔP的值愈大，产生气泡和溃灭的量亦愈多，管路振动愈强烈。空化现象对阀座和阀芯及管壁造成气蚀损害，阀门密封面及管路连接件密封面在管路振动的冲击下，易出现泄漏现象，其外表面会出现结霜、结冰，见图2。还有管路上的紧固件会慢慢松动，若不及时维护，会引发设备使用安全事故。

图2 管路阀门、连接件结霜结冰

3.2 管路弯管出现空化现象引发振动

液氮流经管路弯管时，会出现空化现象，液氮流动时，在弯曲管段内侧断面沿离心力方向，流速减小而压力增加(是由于流体离心力及弯管外壁对流体的压迫双重作用)，弯管断面压力不均匀，弯管内侧液氮压力低于外侧压力，当内侧局部压力低于相应温度下液氮的饱和蒸汽压力时，液体汽化产生气泡，流体由单相流动过渡到两相流动，液体宏观连续性被破坏、挟带着气泡的液体流到弯管下游压力较高区段时，气泡溃灭，产生空化现象，管路会出现振动，不断溃灭的气泡反复作用于管路内壁面，会产生气蚀破坏，影响管路的使用寿命。

液氮弯曲管路的空化现象，随液体来流速度的增加、下端出口压力的降低和温度的提高而增加，见图3。

图3 空穴长度与流体入口速度关系[7]

在每次给液氮库充液前的吹扫和预冷工作中，会出现管路振动现象，若进液口阀开启不稳，打开过快，振动更加明显。其原因是：①进液速度快；②管路末端放空阀处于打开状态压力低；③新进的液氮遇到常温管路温度升高。另外，研究表明，弯曲管路的曲率大小，对管内液体的空化现象影响很大，弯曲角度愈小，流体受离心力作用愈大，空化现象愈明显，见图4所示，分别对弯曲角度为60°、90°、120°、150°的弯管进行模拟。

图4 弯管不同角度的空化对比[7]

4 预防对策

为了减少液氮管路振动给管路和阀门安全运行带来的威胁，就要控制液氮在管路中空化现象的发生，在管路的设计、工艺及使用中采取必要的措施：

(1)在设计方面，尽量选择较大的弯曲率，在满足使用条件的情况下，减少弯管的数量；

(2)在工艺方面，减少调节阀前后的压差ΔP，使ΔP<ΔPc(最大允许压差)，若ΔP仍较大(>ΔPc时)，可将2个以上调节阀串联使用，使每个调节阀的前后压差小于ΔPc；

(3)开启调节阀操作要平稳，控制好液氮的流速，提高阀门的开度，避免憋压造成阀门前后压差过大；

(4)调节控制好液氮储槽罐内工作压力，在对液氮管路吹扫、预冷时，适当降低管路进口压力。

5 结 语

液氮管路振动，随设备使用时间和振动次数的增加，低温管路受交变应力的影响，将会出现疲劳失效，这就需要我们采用科学的手段应对，减小振动现象的发生，使低温液氮设备平稳安全运行。