氨制冷系統(tǒng)壓力容器的設(shè)計特點

夏德富

(天津長蘆海晶集團有限公司,天津 300450)

氨，一般指氨氣,屬于低壓液化氣體，在常壓下冷卻至-33.5 ℃或在常溫下加壓至0.7 MPa～0.8 MPa，氣態(tài)氨就液化成無色液體，同時放出大量的熱。氨的沸點為-33.5℃,在低溫下液氨就可以汽化沸騰，汽化時快速吸收空氣或其它物料大量的熱，使周圍物質(zhì)的溫度急劇下降,從而達到制冷的目的。由于成本低廉，效率較高，控制容易，不破壞臭氧層，無溫室效應(yīng)，單位容積制冷量大,所以，液氨成為制冷劑中的翹楚，在氯堿化工、石油化工、食品、酒店、制藥、水產(chǎn)等行業(yè)的大型制冷系統(tǒng)中，氨被廣泛應(yīng)用于空調(diào)、制冷、冷凍、凍干、冷藏等制冷作業(yè)。

氨是一種無色有強烈刺激性臭味的氣體，滲透性強，遇水后對鋅、銅、青銅合金(磷青銅除外)有腐蝕作用。按照GB5044《職業(yè)性接觸毒物危害程度分級》和HG 20660《壓力容器中化學(xué)介質(zhì)毒性和爆炸危險程度分類》,氨是中度危害介質(zhì), 氨會刺激人體粘膜，達到一定濃度后人會窒息，氨蒸汽在空氣中容積濃度達到11%～14%時，可點燃 ；當空氣中氨的含量達15.5%～27.4%時，遇明火可引起爆炸。當介質(zhì)溫度20 ℃時，氨的飽和蒸氣壓力為0.857 MPa(絕壓)，因此，在各種制冷裝置中，氨的燃爆危險等級與毒性都很高，在制冷劑安全分組中分為B2組。氨制冷裝置通過壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器等設(shè)備，以管道、閥門、密封件等連接，制冷劑在封閉的系統(tǒng)內(nèi)完成制冷循環(huán)。因此，氨制冷裝置中的容器均是壓力容器。當工作壓力大于等于0.1 MPa，容積大于等于30 L并且內(nèi)直徑大于等于150 mm時，屬于特種設(shè)備監(jiān)督管理范圍，設(shè)備的設(shè)計、制造、使用、維修及管理過程應(yīng)嚴格按照《特種設(shè)備安全法》、《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》和《固定式壓力容器監(jiān)察規(guī)程》(以下簡稱《容規(guī)》)規(guī)定執(zhí)行。

對于氨制冷裝置壓力容器，在工況介質(zhì)、結(jié)構(gòu)、用材、設(shè)計計算以及制造、檢驗等方面，與一般化工容器相比，存在許多特殊性，因而氨制冷裝置用壓力容器在國內(nèi)外均已形成了自己的專用技術(shù)標準及安全技術(shù)規(guī)范。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國制冷裝置壓力容器的行業(yè)標準已經(jīng)自成體系，相當成熟。

文章以為某食品公司冷凍工序氨制冷裝置中設(shè)計制造的 1臺氨液分離器為例 ,對氨制冷系統(tǒng)壓力容器的設(shè)計特點進行分析和探討。

1 設(shè)備設(shè)計概況

該設(shè)計是氨液分離器設(shè)備更新設(shè)計，替代原國外進口設(shè)備，生產(chǎn)工藝技術(shù)參數(shù)及設(shè)備規(guī)格尺寸參照原設(shè)備，并根據(jù)我國相關(guān)標準及規(guī)范進行設(shè)計確定。容器的設(shè)計條件:制冷劑介質(zhì)R717(液氨),安全分組B2,容器直徑為1 200 mm ，容積為3.8 m3。制冷溫度為-50 ℃～-20 ℃，使用地點為天津空港開發(fā)區(qū)，設(shè)備在室內(nèi)安裝。

該容器的設(shè)計技術(shù)參數(shù)為：設(shè)計壓力1.6 MPa，設(shè)計溫度43 ℃，筒體使用的材質(zhì)為Q245R，腐蝕裕量0.6 mm，焊接接頭系數(shù)φ=0.85，容器規(guī)格DN1 200×16×2 960 mm，容積3.8 m3，設(shè)計使用年限10 a。依據(jù)TSG21-2016之規(guī)定,該設(shè)備壓力容器類別定為Ⅱ類， 屬中壓分離容器。

2 設(shè)備設(shè)計參數(shù)分析

氨制冷裝置用附屬設(shè)備包括貯氨器、冷凝器、油分離器、集油器、中間冷卻器、低壓循環(huán)貯氨器、氨液分離器等，一般是冷凍設(shè)備機組的配套定型產(chǎn)品。氨液分離器的設(shè)計應(yīng)遵循NB/T47012《制冷裝置用壓力容器》及JB/T7658《氨制冷裝置用輔助設(shè)備》的規(guī)定。

氨液分離器中的介質(zhì)是氨氣和液氨，設(shè)備用100 mm聚氨酯保溫。液氨的飽和蒸氣壓與溫度具有對應(yīng)關(guān)系 ,液氨的壓力取決于它的溫度,制冷裝置用氨壓縮機調(diào)節(jié)氣相壓力，通常情況下，氨壓縮機進口壓力低于0.2 MPa。根據(jù)工藝操作要求 ,一般要將分離器內(nèi)的液氨溫度控制在-45 ℃～-20 ℃。由氨的物理特性可知，當冷凍溫度為-20 ℃時，對應(yīng)的液氨的飽和蒸氣壓在0.094 MPa (表壓 )以下,由此可見該臺設(shè)備在正常冷凍操作情況下使用溫度低于-20 ℃,而工作壓力低于0.1 MPa(表壓)。因此,在正常冷凍工作條件下，容器內(nèi)壓力很低，甚至是真空狀態(tài)。該設(shè)備雖不屬于儲存容器，但作為液化氣體的分離容器，在工廠停產(chǎn)檢修或者因其他原因制冷裝置停止運轉(zhuǎn)時，設(shè)備內(nèi)仍會存在有大量液氨的情況，其壓力受環(huán)境溫度影響。根據(jù)我國空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范,天津地區(qū)夏季室外干球溫度可達到36 ℃，如果設(shè)備失去可靠的保冷措施，設(shè)備內(nèi)氨的溫度會不斷升高，直至與室內(nèi)環(huán)境溫度一樣，那么氨的飽和蒸汽的壓力會達到1.4 MPa(表壓)以上，因此，該設(shè)備應(yīng)按容器頂部可能達到的最高壓力進行設(shè)計和管理。該設(shè)計按照JB/T7658.14-2006的規(guī)定選取設(shè)計參數(shù)：設(shè)計壓力1.6 MPa,設(shè)計溫度43℃。按照TSG 21-2016《固容規(guī)》的規(guī)定，該設(shè)備壓力容器類別為Ⅱ類。

另外，當制冷操作溫度達-24 ℃以下時，相應(yīng)溫度下氨的飽和蒸氣壓小于0.1 MPa(絕壓)，容器處于真空狀態(tài)，因此，在設(shè)計時應(yīng)校核絕對真空狀態(tài)下容器的穩(wěn)定性。容器受壓元件的壁厚取正壓與真空兩種狀態(tài)下的大值。

制冷裝置一般采用無水氨，由于此種介質(zhì)對碳素鋼、低合金鋼的腐蝕性較弱，所以腐蝕裕量選取較小值，按0.6 mm計。

按NB/T47012-2010《制冷裝置用壓力容器》 ，制冷裝置用壓力容器均可不開檢查孔，因為介質(zhì)對殼體的腐蝕性很小，使用后也不需要進行內(nèi)部檢驗，對接接頭無損檢測比例為局部(≥20%)射線或超聲檢測,焊縫系數(shù)φ=0.85。

3 殼體材料的選用

該設(shè)備實際使用的介質(zhì)溫度(即氨蒸發(fā)溫度)在-40 ℃左右 ,設(shè)備金屬表面溫度也在-20 ℃ 以下,因此，該設(shè)備設(shè)計溫度應(yīng)低于-20 ℃,是低溫壓力容器。

按照NB/T47012-2010《制冷裝置用壓力容器》 3.5.2以及GB150.3-2011《關(guān)于低溫壓力容器的基本設(shè)計要求》附錄E 1.4的規(guī)定，對于碳素鋼和低合金鋼容器，當殼體或其他受壓元件的工作溫度雖然低于-20 ℃，但在該溫度下的操作壓力作用下，當容器元件實際承受的最大一次總體薄膜應(yīng)力不大于鋼材標準常溫屈服強度的1/6,且不大于50 MPa時，容器屬于“低溫低應(yīng)力工況”，若其設(shè)計溫度加50 ℃(對于不要求焊后熱處理的容器，加40 ℃)后不低于-20 ℃，除另有規(guī)定外，不必遵循關(guān)于低溫容器的規(guī)定。

該例中，該設(shè)備筒體及封頭的名義厚度16 mm,氨在- 20 ℃溫度下 ,其飽和蒸氣壓為0.094 MPa (表壓),容器筒體實際承受的最大一次總體薄膜應(yīng)力可根據(jù)公式(1)計算：

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鋼標準常溫屈服點的1.15% ,且遠小于50 MPa，所以，完全符合低溫低應(yīng)力工況要求。冷凍最低溫度-45 ℃，加上40 ℃后仍高于-20 ℃, 所以，不必遵循低溫壓力容器設(shè)計要求,也沒有必要選擇低溫容器用鋼。

以上的分析結(jié)論具有普遍性的意義，所有氨制冷壓力容器均沒有低溫脆性破壞的現(xiàn)象，全部不涉及低溫用材問題。

制冷劑經(jīng)壓縮后或多或少帶了油霧，油霧凝結(jié)后以一層油膜附著在容器內(nèi)壁表面，起到了對制冷劑的隔離作用，保護容器內(nèi)壁表面，因而介質(zhì)對碳素鋼、低合金鋼制冷容器內(nèi)壁沒有腐蝕現(xiàn)象。為保證容器的安全使用，結(jié)合制冷行業(yè)多年的成功經(jīng)驗，殼體及封頭選用了碳素鋼Q245R，在以氨為介質(zhì)的壓力容器中，該鋼材比低合金鋼Q345R具有更好的抗應(yīng)力腐蝕裂紋性能，容器用鋼板應(yīng)符合GB/T 713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》的規(guī)定。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

4.1 該設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡圖(見圖1)

圖1 氨液分離器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of ammonia liquid separator

4.2 不開檢查孔

制冷容器內(nèi)壁基本沒有腐蝕現(xiàn)象，同時由于制冷裝置長期連續(xù)運轉(zhuǎn)，加之氟里昂、氨等制冷劑的滲透性非常強，以氨為制冷劑的制冷裝置中，容器中的殘留氨更是難以排除干凈，檢查人員根本無法進入容器內(nèi)部。因此，長期以來制冷壓力容器均不設(shè)置人孔或其它檢查孔。從日本、丹麥、德國等國引進的制冷裝置，其壓力容器也都沒有檢查孔，可見制冷容器不設(shè)檢查孔在國內(nèi)外已形成共識。

4.3 參照低溫壓力容器設(shè)計規(guī)范進行結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1)結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡單，減少約束。

(2)盡量避免結(jié)構(gòu)形狀的突然變化，以減小局部高應(yīng)力。

(3)容器的支座墊板與殼體同材質(zhì)。

(4)開孔接管與殼體的焊接接頭。為避免結(jié)構(gòu)形式的突然變化，同時保證結(jié)構(gòu)應(yīng)力強度，接管采用了適當增加壁厚的形式，取消了以補強圈進行加強的結(jié)構(gòu)方式。

(5)氨極易揮發(fā)，穿透性強，氨又具有毒性。制冷容器80%以上的故障是制冷劑的泄漏，制冷劑一旦泄漏，不僅影響裝置的工效與可靠性，而且污染環(huán)境，因此，制冷容器嚴密性要求極高，盡量少開孔，盡量不用可拆式連接，該例設(shè)備的接管全部采用對接焊的連接方式。

(6)為了減少泄漏點，該設(shè)備沒有設(shè)置人孔，設(shè)計要求最后一道環(huán)縫采用氬弧焊打底焊接，并要求在焊接最后一道環(huán)縫之前對內(nèi)部所有焊縫進行20%射線探傷和100%表面磁粉檢測，分別為Ⅲ級和I級合格，在最后一道環(huán)縫焊接之后對此焊縫也要求進行100%表面磁粉檢測，I級合格。

(7)從安全方面考慮，當介質(zhì)為液化氣體，容器需設(shè)置安全閥口。安全閥選用全啟式氨氣專用安全閥，并要求安全閥開啟后應(yīng)按要求設(shè)置專用的泄壓排放管道。

5 檢驗、試驗及其他設(shè)計要求

(1)該容器要求按《固容規(guī)》和GB150規(guī)定進行各種檢驗與試驗。

由于介質(zhì)易燃，中度危害，應(yīng)進行泄漏性試驗，所以圖紙要求按1.25倍設(shè)計壓力進行水壓試驗，水壓試驗合格后，按設(shè)計壓力1.6 MPa進行氣密性試驗。氣密性試驗時，安全閥的整定壓力可定為1.7 MPa。

由于該容器設(shè)置了安全閥，安全閥的整定壓力需要兩次設(shè)定:氣密性試驗時一次，使用單位根據(jù)實際操作壓力再進行設(shè)置一次。

(2)制冷容器用液氨為工業(yè)純氨，雖然我國制定了工業(yè)液氨的質(zhì)量標準，但由于我國液氨主要是由化肥行業(yè)生產(chǎn)，目前國內(nèi)化肥廠的技術(shù)水平很難保證按標準規(guī)定執(zhí)行，故設(shè)備設(shè)計中提出了氨的質(zhì)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)，保證設(shè)備的安全運行。

(3)氨冷凍系統(tǒng)具有較高的危險性，氨冷凍設(shè)備的設(shè)計、制造、安裝、試驗、使用及管理是一個系統(tǒng)工程，為了保證設(shè)備的安全運行，設(shè)計中注明該設(shè)備同時應(yīng)遵守SBJ12-2011《氨制冷系統(tǒng)安裝工程施工及驗收規(guī)范》和GB28009-2011《冷庫安全規(guī)程》的規(guī)定，也必須符合國家及地方現(xiàn)行的涉氨工藝設(shè)備消防、安全技術(shù)法規(guī)的要求。

(4)設(shè)備的安全附件包括壓力表、安全閥、液位計等,必須使用氨專用裝置。設(shè)備的液位控制不得高于2/3D,并且應(yīng)有可靠的報警及連鎖切斷裝置。

(5)設(shè)備試驗檢驗合格后，應(yīng)按規(guī)定用0.8 MPa表壓干燥壓縮空氣進行徹底吹污。

(6)設(shè)備制造完成并檢驗合格后，所有接管用盲板焊接密封。

(7)因未設(shè)檢查孔，圖紙明確注明了受壓元件計算厚度，并且要求在設(shè)備使用期間重點進行測厚檢查。

6 結(jié)語

制冷裝置壓力容器在制冷工序、工況條件、結(jié)構(gòu)、用材、設(shè)計計算以及制造、檢驗等方面具有特殊性，但在涉及安全的主要質(zhì)量要求上和其他壓力容器是基本一致的。制冷裝置壓力容器適用于特種設(shè)備管轄范圍的，必須遵守特種設(shè)備的相關(guān)規(guī)定。

制冷裝置壓力容器設(shè)計、制造、使用及管理是一項系統(tǒng)的技術(shù)工程，要求各個階段的技術(shù)人員都要具有全面的壓力容器專業(yè)知識。

關(guān)于制冷壓力容器， NB/T47012《制冷裝置壓力容器》是制冷系統(tǒng)的專業(yè)技術(shù)標準，全國冷凍空調(diào)設(shè)備標準化技術(shù)委員會還制定了JB/T76584《氨制冷裝置用輔助設(shè)備》 ，分為18個部分，涵蓋了所有氨制冷裝置壓力容器，是氨制冷壓力容器設(shè)計、制造、使用的基本規(guī)范，國家及地方有關(guān)安全部門還相應(yīng)制定了一系列涉氨工藝設(shè)備消防、安全技術(shù)法規(guī)，均必須予以嚴格遵守。

作為特種設(shè)備設(shè)計人員，要熟悉了解設(shè)備的全部工藝操作，熟練掌握特種設(shè)備法律法規(guī)及規(guī)范標準。該臺制冷裝置氨液分離器的設(shè)計按最危險工況設(shè)計, 即充分考慮設(shè)備夏季停用時設(shè)備內(nèi)還有大量液氨的這種工況,受壓元件材質(zhì)選取Q245R,充分考慮了在液氨介質(zhì)中Q245R比Q345R具有更好的抗應(yīng)力腐蝕裂紋性能。

總之，針對氨氣介質(zhì)的有毒、易燃及強滲透的特點，為保證容器的安全可靠運行，做到萬無一失，在設(shè)備的全壽命過程中，必須特別重視和慎重對待設(shè)計工作，只有做到設(shè)計工藝數(shù)據(jù)選用正確、材料選用正確、結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，檢驗試驗要求齊全，才能保證設(shè)計文件完全符合《固容規(guī)》和《壓力容器》等相關(guān)法規(guī)和技術(shù)標準的規(guī)定，保證容器使用的安全可靠，同時經(jīng)濟合理。