液氮凍結(jié)制冷技術(shù)研究

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(guò)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(lái)，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。

1 我國(guó)技術(shù)現(xiàn)狀

1955年我國(guó)開(kāi)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(wú)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(méi)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)。

2 液氮凍結(jié)制冷系統(tǒng)安裝和工藝流程

2.1 液氮制冷系統(tǒng)安裝

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(chē)、液氮罐、液氮分配器和制冷管路。

液氮運(yùn)輸槽車(chē)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(mén)、壓力表等，從而通過(guò)閥門(mén)調(diào)節(jié)壓力大小來(lái)控制液氮輸出流量。液氮運(yùn)輸槽車(chē)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(chē)應(yīng)符合運(yùn)輸化學(xué)直接車(chē)輛要求，運(yùn)輸容積應(yīng)能滿足施工需要。運(yùn)輸槽車(chē)在運(yùn)輸過(guò)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(guò)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。

2.2 液氮凍結(jié)系統(tǒng)工藝流程

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?chē)臒崃?。在這過(guò)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(chē)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(kāi)連接管。液氮通過(guò)閥門(mén)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)猓麄€(gè)制冷凍結(jié)過(guò)程按照這個(gè)流程進(jìn)行[2]。

3 液氮凍結(jié)制冷技術(shù)的工藝技術(shù)

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。

3.1 系統(tǒng)預(yù)冷

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(kāi)儲(chǔ)液罐出液總閥門(mén)，控制液氮的輸出壓力小于0.2MPa，經(jīng)過(guò)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(mén)，使系統(tǒng)運(yùn)行壓力保持在0.5MPa，經(jīng)過(guò)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(mén)開(kāi)啟位置，檢查管路凍結(jié)器部件是否正常[3]。檢查無(wú)誤后保持系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，可以進(jìn)行凍結(jié)制冷。

3.2 凍結(jié)制冷

液氮凍結(jié)制冷過(guò)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(mén)，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(mén)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(guò)程開(kāi)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(guò)程中液氮消耗速度，通過(guò)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(guò)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_(kāi)挖創(chuàng)造更好的條件，也能對(duì)控制液氮閥門(mén)調(diào)節(jié)提供有效依據(jù)。

3.3 維護(hù)凍結(jié)

通過(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)程進(jìn)行有效控制。

4 安全操作技術(shù)要求

液氮的氣化過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(mén)、儀表設(shè)備等低溫設(shè)備部件。工作過(guò)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。

5 總結(jié)

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(wú)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(guò)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)。