氨制冷系统低温压力管道材料问题的探讨

氨制冷系统低温压力管道材料问题的探讨专业技术2008-07-2215:24:51阅读232评论3字号：大中小订阅（国内贸易工程设计研究院黄劲松申广辉）四、执行规范中所遇问题1．按照GB50316-2000《工业金属管道设计规范》4.3.1条规定，（见附录A）。碳素钢钢管（无缝钢管）10号、20号的使用温度下限为-20℃以上，16Mn使用温度下限为-40℃以上，09MnD使用为-50℃以上。2．制冷压力容器执行JB/T4750-2003《制冷装置压力容器》规范，所以目前大冷、烟冷及国内制冷设备厂商所生产的压力容器，均为用碳素钢钢板。如果按照GB50316-2000《工业金属管道设计规范》要求，最终均不能通过验收。3．阀门、弯头：在制冷系统中当前生产的阀门均为铸铁和碳素钢所制，弯头也是采用普通碳素钢，且机制弯头R均为1.5D。4．按照当前市场价，每吨20号碳素钢无缝钢管和16Mn的差价约为3000元，09MnD的差价则更大，在全国范围内其一次投资将是一笔十分巨大的费用。众所周知商业制冷行业，在过去的几十年里在没执行这些规范之前在低温系统一般都是采用10号、20号碳素钢无缝钢管，经过几十年的实际运行并没出现过因管道破裂而产生制冷剂泄漏事故。在执行压力管道规范的过程中又遇上压力容器及机压弯头的配套问题，所以对氨制冷系统实际运行工况及管材选用应进行必要的探讨。五、氨制冷系统中低压管道的应力分析氨制冷系统管道内工质均为液化气体随着使用温度的降低，其压力（管道内的应力）也随之降低，处于低温低应力工况。低温管道的破坏方式主要是低温下的脆断，构成低温脆断需有个必要且充分的条件，一是材料低温下脆化，二是有足够的应力，二者缺一不可，所谓低温低应力工况就是容器处于低温环境，但由于介质压力随温度的降低而下降，导致应力低于或等于某个量值（材料常温屈服点的，且不大于50Mpa时），断裂的推动力过小，也不可能发生脆断，也就是说属于低温低应力工况的容器，可不按低温容器对待，可不使用压力容器用低温钢，其设计温度可按使用温度与50℃的代数和。根据氨制冷系统几十年的实际应用结果以及GB50316-2000《工业金属管道设计规范》和JB/T4750-2003《制冷装置压力容器》中对低温低应力所下的定义，下面我们对制冷系统低温压力管道部分在实际运行中的应力进行计算。1．JB/T4750-2003《制冷装置用压力容器》3.5.1.2低压侧设计温度中规定，当使用温度低于0℃，若使用温度下一次总体薄膜应力小于或等于材料常温屈服点的，且不大于50Mpa时，则设计温度取使用温度与50℃的代数和。当按上述办法得到的设计温度不低于0℃且不高于38℃时其设计温度最终按38℃选取。2．在食品加工行业，氨制冷系统中的蒸发温度一般在-10℃～﹣45℃范围之内。3．在氨制冷系统内使用的无缝钢管一般在φ10～φ273范围内。4．根据JB/T4750-2003《制冷装置用压力容器》中应力的计算公式：………………………………………………（1）式中：δt——试验压力下圆筒的应力[Mpa]Di——圆筒内直径[mm]PT——试验压力[Mpa]δe——圆筒的有效厚度[mm]δe=δa-C1-C2φ——圆筒的焊接接头系数。见表3δa——圆筒的名义厚度[mm]C1——腐蚀裕度，碳素钢和低合金钢取C2≤1mm，奥体不锈钢当介质的腐蚀性极微时取C2=0mm。C2——壁厚减薄量。见表2表1氨制冷系统常用蒸发温度加50℃后的温度蒸发温度-20℃-25℃-30℃-35℃-40℃-45℃加50℃后的温度30℃25℃20℃15℃10℃5℃从上表中可看出从-20℃到-45℃，加上50℃以后的代数和均不低于0℃且不高于38℃，所以其设计温度均按38℃取PT=1.470Mpa。a）采用φ38×2.5无缝钢管：C1=0C2=0.25（2.5×10%=0.25）δe=2.5-0.25=2.2520号碳素钢屈服应力=10号碳素钢屈服应力=16MnR屈服应力=∴b）采用φ108×4C2=0.7（7×10%=0.7）40.834＞26.5＜50MPac）采用φ133×4d）采用φ159×4.5采用φ159×6e）采用φ219×6采用φ219×8C2=0.6（6×10%=0.6）f）采用φ273×7.0无缝钢管采用φ273×8无缝钢管C2=0.7（7×10%=0.7）40.8＞38.8＜50MPa34＜38.8＜50MPag）采用φ325×8采用φ325×10根据以上对ф38～ф273管道应力计算（蒸发温度在t0=-20～-45℃），其管内工作应力在14.4～38.8Mpa范围之内，20号碳素钢管从ф38～ф273其应力均满足低温低应力条件，10号碳素钢从ф38～ф40.834＞14.4＜50MPa133满足低温低应力条件，而ф159以上管应对应力进行计算，超出低温低应力范围的可通过增加壁厚来满足低温应力的条件。见表4。表4几种常用无缝钢管在低温低应力工况下的应力管径工作应力MPa10号碳素钢20号碳素钢ф38×2.514.4√√ф108×426.5√√ф133×432.8√√ф159×4.535×√ф159×626√ф219×636×√ф219×826.8√√ф273×738.8×√ф273×833.7√√ф325×840.3×√ф325×1031.5√√注：表中“√”表示满足低温低应力条件，“×”不满足低温低应力条件。表2无缝钢管厚度负偏差C1值管子种类壁厚（mm）负偏差普通级高级碳素钢和低合金钢冷拔＞1.0～3.010%10%热轧3～2012.5%12.5%不锈钢冷拔＞1.0～3.015%10%3.010%10%热轧≤1015%12.5%＞1020%15%注：本表数据符合GB8163-87、GB2270-80和GB9948-88标准规定厚度允许偏差，采用高级精度的钢管应在订货时注明。表3圆筒的焊接接头系数ф焊接方法及检测要求单面对接焊双面对接焊电熔焊100%无损检测0.91局部无损检测0.80.85工作无损检测0.60.7电阻焊0.65不作无损检测，0.85（100%涡流检测）加热炉焊0.6螺旋缝自动焊0.8～0.85（无损检测）注：无损检测指采用射线或超声波检测。碳素钢做制冷剂的输送管。六、氨制冷系统质量现状的调查分析从以上计算结果看，氨制冷系统的运行工况符合低温低应力的条件氨制冷系统的管路及压力容器在过去几十年中一般都是采用10号20号碳素钢，全国在役制冷容器近万台，一直都在安全运行，很少有因为管道或容器破裂而造成恶性事故，全国冷冻设备标准化技术委员会曾对国内28家主要用户企业进行了现场调研，工作结果均证明制冷管道及制冷容器运行安全状况良好，多数容器使用10～20年，甚至20年以上，无腐蚀、无故障，安全可靠。在全国性的调研中共发现有问题的容器25台，其中多数是16MnR制氨贮存容器共20台，经分析16MnR制氨贮存容器的质量事故原因是多方面的，包括材质、介质、制造等诸多原因，总括而方有以下几方面主要原因：材质16MnR和低碳钢相比添加了Mn，提高了强度，但也增加了淬硬倾向，残余应力也相应增大，工艺要求也更为严格，在制造和安装过程中如控制不当，比低碳钢易产生缺陷，诱发冷裂纹。更主要的是和低碳钢比，16MnR在液氨中的应力腐蚀开裂的敏感性大为增加，国外研究表明，几乎所有屈服强度大于320Mpa的钢材，在焊态下使用的液氨贮罐都发现了应力腐蚀裂纹。同时16MnR对焊接技术要求更高，制造、焊接技术的真正掌握也是产生问题的原因之一。七、建议由于氨制冷系统的运行工况符合低温低应力的条件，同时根据氨制冷系统几十年来使用10号20号碳素钢安全输送制冷剂的实际情况。本着安全、节约能源，节约材料减少投资的原则，建议有关部门应与《工业金属管道设计规范》编写组的同志进行必要的技术探讨，以解决工程中出现的一些问题。同时为建设节能型社会做出应有的工作。氨系统冷库的安全控制与管理时间:2010-6-30随着我国经济的发展进步，为确保生产顺利进行，保证人民生命财产的安全，各种规范制度逐步建立健全，对冷库氨制冷系统的安全性要求越来越严格。一九九六年四月、劳动部颁发了《压力管道安全管理与监察规定》的通知，对在生产、生活中输送可能引起燃爆或中毒的危险性较大的管道称为压力管道，为特种设备，将压力管道的管理纳入了法制管理阶段。根据氨的毒性以及在冷库中的工作压力，属工业管道GC2级中“输送GB50l60《石油化工企业设计防火规范》及GBJ16《建筑设计防火规范》中规定的火灾危险性为甲、乙类可燃气体或甲类可燃液体介质、且设计压力P＜4.0Mpa的管道”。从此将冷库氨制冷系统管道纳入了“压力管道”管理范围。取得GC2级的资格证书的，才能从事氨为制冷剂冷库的设计和施工。以下内容从氨的特点、设计、施工等方面阐述氨冷库制冷系统的安全与质量控制要点。一、氨制冷剂在环境安全方面的主要特点１、氨制冷剂具有优良的环境性能和热力学性能氨是一种天然的制冷剂，具有优良的环境性能和热力学性能。氨的消耗臭氧潜能值ODP=0，温室效应潜能值GWP=0，是一种环境友好型制冷剂。2、氨具有刺激性气味且有一定的毒性和可燃性，在其安全性分类中属于B2类制冷剂。当在蒸汽中容量达0.5-0.6%，就要使人致死，同时氨蒸汽在空气中含量达15.5-27%，遇明火就要爆炸。3、氨的蒸发密度比空气小，泄漏时极易上升从屋顶逸出室外；氨易溶于水，当遇到大量泄漏的紧急情况时容易排除，此外，氨允许的含水量为0.2%以下，可以允许有微量水存在。4、氨对钢铁、铝等金属材料无腐蚀作用，但当氨中含有水分时，则对锌、铜、铜合金（磷青铜除外）有腐蚀作用，故在氨制冷系统的设备、管道、仪表、阀门具有“避铜”要求。二、氨制冷系统中常见的安全问题1、操作维护人员缺乏专业技术知识在安全问题日益关注的今天，大多数企业都进行了针对工程系统操作人员的专业培训，并聘请专业人员进行指导，但仍有个别操作人员缺乏有关技术知识（工人未经培训就上岗）、专业素质较差、不遵守操作规程等所致。2、非技术人员设计系统、非正式安装单位安装工程。非技术人员设计系统、非正式安装单位安装工程，由于其质量管理体系不健全甚至更严重的根本无压力管道安装质量管理体系，在设计施工过程中对各种安全要素如材料、焊接、检验等控制不得力，留下安全隐患。对此，有关机构加强了这方面国家标准制度的立项工作，3、防护措施相对较弱根据氨的特性要求，除了必备的安全措施外，还应不断完善其防护措施。安全措施在以往的氨制冷系统设计中考虑的较为周全，且得到不断完善。如系统双安全阀的使用、压力控制器在系统压力超过规定值的报警停机、液位控制器的正常液位控制及超高液位报警停机、《氨制冷系统安装工程施工及验收规范》（SBJ12-2000）对管路焊接和系统气密性试验的要求等。但是，国内氨制冷系统的安全措施相对较弱，虽然在以往的设计中设有紧急泄氨器，但缺乏连锁控制，且防护要求和必备设施也不够完备。三、系统设计安全控制要点冷库中氨的管道设计必须遵守《工业金属管道设计规范》（GB50316-2000）、《冷库设计规范》（GB50072-2001）。在氨制冷工艺设计中应注意以下几方面中的条文:3.1制冷管道材质的选择制冷管道材质的选择与制冷剂的温度有关，以往在冷库中均用GB/T8163的10＃或20＃碳钢，执行了《工业金属管道设计规范》后，根据氨制冷剂的工作温度对照规范提供的金属管道“使用温度下限”来选择管道的材质。目前是：-l9至150℃选用20＃碳素无缝钢管；-29至150选用10＃碳素无缝钢管（牌号GB/T8163）；-40至150℃选用16Mn无缝钢管（牌号GB/T8163）；-50至150℃选用09MnD（无牌号）低合金无缝钢管或者选用0Cr18Ni9（牌号GB4237）高合金（不锈钢材质的）无缝钢管。3.2管道表在设计中增加了管道表等内容，它要对每一段制冷管道进行编号，汇总成表，在表中应表明设计条件、试验条件、管道等级、隔热数据、施工等级、压力管道类别等。并绘制管段表，管段平面、透视图，在这些文件中对管子、弯头、三