周學(xué)斌
(青海鹽湖工業(yè)股份有限公司,青海格爾木 816099)
液氮凍結(jié)技術(shù)由英國(guó)工程師南威爾首次使用,德國(guó)工程師P.H.Poetsch經(jīng)過技術(shù)總結(jié)形成了發(fā)明專利,并成功應(yīng)用于阿爾里的9號(hào)立井的鑿井工程。這項(xiàng)專利的發(fā)明使世界工程建設(shè)獲得了巨大發(fā)展,使凍結(jié)技術(shù)為世界工程項(xiàng)目服務(wù)。這些年來,隨著力學(xué)、熱力學(xué)、凍土力學(xué)等其他基礎(chǔ)科學(xué)的不斷發(fā)展,推動(dòng)了凍結(jié)技術(shù)應(yīng)用的范圍,全世界各個(gè)國(guó)家和地區(qū)都對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了研究探索。
1955年我國(guó)開始引入了凍結(jié)技術(shù),該技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)發(fā)展了六十多年,在此期間有無數(shù)科研工作者付出了艱辛的工作,同時(shí)也取得了重要成果,為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)作出了應(yīng)有貢獻(xiàn)。這項(xiàng)技術(shù)在礦山井筒施工中的應(yīng)用,創(chuàng)造出了753.95m的世界沖積層凍結(jié)記錄,此外,這項(xiàng)技術(shù)為我國(guó)重大工程建設(shè)提供了重要支撐,這些項(xiàng)目包括港珠澳大橋拱北隧道工程、川氣東輸武漢段穿江隧道以及各大城市的地鐵建設(shè)工程。
現(xiàn)代城市建設(shè)工程對(duì)工期、作業(yè)空間和施工質(zhì)量的要求極為嚴(yán)苛,傳統(tǒng)的循環(huán)制冷工藝已經(jīng)不能滿足施工需求,而液氮制冷工藝系統(tǒng)因其具有廣泛的實(shí)用性,成為凍結(jié)施工中不可缺少的工藝,這項(xiàng)技術(shù)具有如下優(yōu)勢(shì):第一,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備使用少;第二,該技術(shù)凍結(jié)速度快,形成的凍土強(qiáng)度高;第三,土體凍漲融沉比鹽水凍結(jié)系統(tǒng)小得多;第四,液氮使用后揮發(fā)進(jìn)入大氣,沒有污染。液氮凍結(jié)制冷工藝原理是相同的,但因使用方式不同,存在多種形式。本文結(jié)合了液氮凍結(jié)施工的經(jīng)驗(yàn),探討了液氮凍結(jié)制冷技術(shù)。
液氮系統(tǒng)安裝工藝比較簡(jiǎn)單,主要設(shè)備包括液氮運(yùn)輸槽車、液氮罐、液氮分配器和制冷管路。
液氮運(yùn)輸槽車和儲(chǔ)液罐都屬于液氮壓力容器,應(yīng)有隔熱功能,同時(shí)應(yīng)在出口位置安裝控制閥門、壓力表等,從而通過閥門調(diào)節(jié)壓力大小來控制液氮輸出流量。液氮運(yùn)輸槽車和儲(chǔ)液罐都應(yīng)該符合低溫絕熱壓力容器標(biāo)準(zhǔn)GB18442要求。壓力容器工作壓力應(yīng)大于10MPa,儲(chǔ)液罐容積應(yīng)大于20m3。運(yùn)輸槽車應(yīng)符合運(yùn)輸化學(xué)直接車輛要求,運(yùn)輸容積應(yīng)能滿足施工需要。運(yùn)輸槽車在運(yùn)輸過程中容量控制在80%以下,防止路途的顛簸撞擊。儲(chǔ)液罐在運(yùn)輸過程中應(yīng)做好固定保護(hù),裝卸時(shí)不能使罐體損傷,影響使用壽命。罐體到達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)避免暴曬,應(yīng)放置在通風(fēng)陰涼位置。罐體放置時(shí)不能傾斜、倒置或與其他物品碰撞。根據(jù)液氮的使用特點(diǎn),應(yīng)選用立式儲(chǔ)液罐體,有效提高罐體容積的使用效率[1]。
液氮供液分配器能夠把液氮平均分配到不同的凍結(jié)器中,還可以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)壓力流量等參數(shù)。液氮分配器一般采用奧氏體不銹鋼制作,制作的大小應(yīng)根據(jù)施工量進(jìn)行控制。液氮制冷系統(tǒng)連接完成后,需要進(jìn)行氣體壓力密閉性試驗(yàn),試驗(yàn)壓力為正常工作壓力的1.2倍,試驗(yàn)檢測(cè)漏點(diǎn)使用肥皂水,如發(fā)現(xiàn)泡沫應(yīng)重新安裝。
液氮凍結(jié)制冷工藝的原理比較簡(jiǎn)單,液氮失去壓力后會(huì)氣化,氣化后的氣體排入到空氣,與此同時(shí)帶走周圍的熱量。在這過程中,液氮既是制冷劑,也是載冷劑,是單向循環(huán)的流動(dòng)方式。裝有液氮的槽車被運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)后,使用承壓管道將液氮輸送至儲(chǔ)液罐內(nèi),輸送完成后斷開連接管。液氮通過閥門進(jìn)入分配器,供給不同的凍結(jié)器。根據(jù)工程設(shè)計(jì)情況,每組凍結(jié)器可以串聯(lián)1~3個(gè)凍結(jié)器,每組凍結(jié)器都設(shè)置一個(gè)排氣管道對(duì)外排出氮?dú)?,整個(gè)制冷凍結(jié)過程按照這個(gè)流程進(jìn)行[2]。
液氮凍結(jié)制冷技術(shù)系統(tǒng)流程相對(duì)簡(jiǎn)單,主要有三個(gè)步驟,首先進(jìn)行系統(tǒng)的預(yù)冷,其次進(jìn)行制冷凍結(jié),最后進(jìn)行維護(hù)凍結(jié)工作。
在對(duì)整個(gè)管路系統(tǒng)進(jìn)行試壓檢查后,需要對(duì)全部管路進(jìn)行預(yù)冷,使管路溫度下降避免金屬管路因?yàn)榭焖倮鋮^(qū)發(fā)生收縮變形。操作方法是,緩慢打開儲(chǔ)液罐出液總閥門,控制液氮的輸出壓力小于0.2MPa,經(jīng)過2h后測(cè)量?jī)鼋Y(jié)器出口溫度,使其溫度達(dá)到-60℃。降溫完成后調(diào)大供給閥門,使系統(tǒng)運(yùn)行壓力保持在0.5MPa,經(jīng)過一段時(shí)間后再次測(cè)量?jī)鼋Y(jié)器排氣口溫度,最終使其保持在-80℃,觀察出氣口白色霧氣保持2m左右,記錄系統(tǒng)各個(gè)閥門開啟位置,檢查管路凍結(jié)器部件是否正常[3]。檢查無誤后保持系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn),可以進(jìn)行凍結(jié)制冷。
液氮凍結(jié)制冷過程中要保證凍結(jié)器排出的氮?dú)鉁囟炔桓哂?60℃,排氣口上方有加蓋篷布,防止雨水淋入影響排氣。凍結(jié)制冷工作運(yùn)行期間,全程監(jiān)控壓力、溫度、流量以及凍土施工工作進(jìn)度,根據(jù)施工需要及時(shí)調(diào)整液氮閥門,控制制冷系統(tǒng)液氮供給量。把各個(gè)凍結(jié)器的入口和出口的閥門進(jìn)行串聯(lián),使各個(gè)位置的液氮供給量趨于平衡,從而使凍土工程的圓柱狀態(tài)更加穩(wěn)定。
凍結(jié)制冷過程開始后,要根據(jù)液氮流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)估算系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中液氮消耗速度,通過計(jì)算估測(cè)出液氮罐剩余液氮量的使用時(shí)間,以便能夠使出液罐有足夠的時(shí)間進(jìn)行液氮補(bǔ)給,使凍結(jié)過程能夠連續(xù)進(jìn)行。
凍土的發(fā)展速度是預(yù)測(cè)凍結(jié)帷幕結(jié)構(gòu)形成的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。所以應(yīng)該在液氮凍結(jié)制冷階段內(nèi),時(shí)隔2h進(jìn)行一次溫度變化的監(jiān)測(cè),根據(jù)溫度對(duì)凍結(jié)帷幕結(jié)構(gòu)的形成時(shí)間做出準(zhǔn)確判斷,這樣能夠?yàn)槭┕ら_挖創(chuàng)造更好的條件,也能對(duì)控制液氮閥門調(diào)節(jié)提供有效依據(jù)。
通過對(duì)凍土監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析,能夠判斷出凍結(jié)帷幕結(jié)構(gòu)的厚度,使其達(dá)到工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),強(qiáng)度能夠符合工程要求,這時(shí)就可以開挖施工永久結(jié)構(gòu)。此時(shí)應(yīng)該對(duì)凍土結(jié)構(gòu)面的形狀進(jìn)行監(jiān)測(cè),防止發(fā)生變形或凍結(jié)溫度場(chǎng)變化過大,保證相關(guān)數(shù)據(jù)能夠在安全的區(qū)間內(nèi),凍土溫度不能快速升高。這時(shí)應(yīng)該調(diào)整液氮的供給量,使凍結(jié)器的排氣溫度低于-30℃。
在整個(gè)液氮制冷凍結(jié)過程中,凍結(jié)器的排氣溫度是關(guān)鍵參數(shù),可以根據(jù)這個(gè)溫度參數(shù)對(duì)其他過程進(jìn)行有效控制。
液氮的氣化過程溫度極低,氮?dú)庖踩菀自诜忾]空間造成窒息,所以液氮凍結(jié)制冷過程中應(yīng)制定安全操作規(guī)范,這其中包括了人員安全防護(hù)和安全操作規(guī)范。
液氮凍結(jié)制冷過程應(yīng)有至少兩人進(jìn)行,一人負(fù)責(zé)工藝操作,另一人負(fù)責(zé)安全防護(hù)。操作過程中,工作人員應(yīng)穿戴防凍服裝、防護(hù)手套,嚴(yán)禁徒手接觸液氮罐、管道、閥門、儀表設(shè)備等低溫設(shè)備部件。工作過程要佩戴防噴的護(hù)目鏡,防止意外傷害。施工現(xiàn)場(chǎng)要準(zhǔn)備呼吸自救設(shè)備,操作場(chǎng)所應(yīng)懸掛安全警示牌,張貼安全操作規(guī)程。
現(xiàn)場(chǎng)的壓力設(shè)備容器要符合技術(shù)要求,施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)準(zhǔn)備局部通風(fēng)風(fēng)機(jī),防止缺氧窒息。操作人員做好應(yīng)急培訓(xùn),提前對(duì)危險(xiǎn)情況做應(yīng)急演練。
液氮屬于制氧和化工企業(yè)生產(chǎn)副產(chǎn)品,比較容易獲得,所以成本相對(duì)較小。液氮凍結(jié)制冷技術(shù)使用在地下工程中取得了優(yōu)良的成果,適合在相似工程項(xiàng)目中進(jìn)行推廣,有著光明的應(yīng)用前景。
1)液氮制冷系統(tǒng)的操作工藝比較簡(jiǎn)單、效率極高、使用安全,適合進(jìn)行大范圍推廣使用。
2)在工況比較復(fù)雜的含水軟弱地層中的地下工程中,無法使用一般施工方法,這時(shí)可以考慮液氮凍結(jié)的方式。
3)液氮制冷在使用過程中的排氣溫度為-30~-80℃,有潛力提高其制冷效率,進(jìn)一步發(fā)揮該工藝的優(yōu)勢(shì)。
4)液氮制冷技術(shù)的工藝原理雖然發(fā)明時(shí)間較早,但廣泛使用在工程建設(shè)中的時(shí)間很短,液氮制冷技術(shù)還有很多需要改進(jìn)的技術(shù)工藝,還需要投入更多的精力對(duì)這項(xiàng)工藝進(jìn)行深入鉆研,使其能夠更好地為地下工程建設(shè)服務(wù)。