冷庫壓力管道損傷模式及定期檢驗檢測技術(shù)探究

韓 霄

（青島市特種設(shè)備檢驗檢測研究院，山東青島 266500）

0 引言

冷庫根據(jù)其在冷鏈系統(tǒng)內(nèi)的功能，分為生產(chǎn)性冷庫、港口冷庫、中轉(zhuǎn)冷庫、商業(yè)零售冷凍庫等。冷庫使用的制冷劑主要是氨和氟利昂，為了降低氨的貯存量，部分冷庫企業(yè)采用氨-CO2的制冷方式。無論采取何種制冷方式，制冷劑都必須通過壓力管道輸送至容器和設(shè)備，完成制冷循環(huán)，到達維持冷庫低溫的目的。然而，對于制冷工藝具有重要意義的壓力管道，國家的監(jiān)管起步卻比較晚，加之冷庫企業(yè)的管理粗放，導致冷庫壓力管道的安裝質(zhì)量差、泄漏事故多。2013 年原國家質(zhì)量監(jiān)督檢疫總局下發(fā)了“質(zhì)檢特函[2013]61 號質(zhì)檢總局特種設(shè)備局關(guān)于氨制冷裝置特種設(shè)備專項治理工作的指導意見”（簡稱“61號文”）。相當一部分涉氨冷庫由于壓力管道質(zhì)量問題而進行了改造甚至重建。冷庫壓力管道的安裝質(zhì)量也因此有了比較大的提升。但是大部分冷庫企業(yè)規(guī)模小，設(shè)備管理水平低，自控水平落后，除霜周期和除霜時間有很大的隨意性。因此，對于在用的冷庫壓力管道，依舊存在著一定的損傷可能性和失效風險。

冷庫壓力管道的定期檢驗就是在資料審查和宏觀檢驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合管道潛在的損傷模式，選擇合適的檢測技術(shù)，在滿足“定檢規(guī)”抽檢比例的要求下，最大可能發(fā)現(xiàn)缺陷的過程。因此，如何有針對性地開展定期檢驗工作，盡可能早地發(fā)現(xiàn)冷庫壓力管道的安全隱患，是一個值得深入探究的問題。

1 冷庫壓力管道簡介

通常冷庫制冷工藝如下：制冷壓縮機吸入冷庫管道中的低壓制冷劑蒸汽，壓縮至高壓蒸汽，排入油分，除去蒸汽所夾帶的潤滑油后，進入冷凝器，冷凝器將高壓高溫的制冷劑蒸汽冷凝為高壓常溫的液體，泄入高壓貯液器，然后再經(jīng)過節(jié)流閥送入冷庫，上述為單級壓縮制冷。雙級壓縮制冷與單級壓縮制冷類似，只是在低級壓縮機出口和高級壓縮機之間入口之間設(shè)置中間冷卻器進行換熱。

根據(jù)制冷工藝流程，冷庫的壓力管道可分為低壓側(cè)管道和高壓側(cè)管道。通常將節(jié)流閥出口，經(jīng)蒸發(fā)器至壓縮機吸氣管之間的管道稱為低壓側(cè)管道；將壓縮器出口經(jīng)冷凝器、貯液器至節(jié)流閥入口前的管道稱為高壓側(cè)管道。相當一部分冷庫壓力管道除了承擔制冷工藝外，還要承擔除霜工藝。除霜工藝是將壓縮后的高溫高壓制冷劑直接送入到蒸發(fā)器中，在蒸發(fā)器冷凝液化吸熱，從而實現(xiàn)除霜。由于冷庫的自控水平落后，這兩種工藝的操作和切換主要依靠人工，閥門開啟的程度、速度，全靠操作人員經(jīng)驗，操作不當極易給管道帶來損傷。

根據(jù)作者在青島地區(qū)檢驗冷庫壓力管道的經(jīng)驗，設(shè)計溫度在-5～-35 ℃的制冷管道，大多采用符合GB/T 8163—2018《輸送流體用無縫鋼管》的20#鋼。研究證明，符合GB/T 8163—2018 標準的20#鋼母材，在低于-34 ℃的條件下沖擊功不足20 J，氬弧焊焊縫在低于-35 ℃的條件下沖擊功不足20 J；而且20#鋼在低溫環(huán)境下服役后，其抗拉強度和屈服強度與室溫狀態(tài)有所提升，但斷后伸長率和沖擊韌性降低。因此，盡管選用20#鋼符合GB 50072—2010《冷庫設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，但其使用過程仍存在一定風險。

根據(jù)冷庫壓力管道的工藝操作特點和材料特性，冷庫壓力管道在用過程存在一定的損傷風險。只有識別這些損傷并開展針對性的定期檢驗，才能保證冷庫壓力管道長周期安全的服役。

2 損傷模式及檢驗策略

根據(jù)冷庫壓力管道的工藝特性和選材特點。冷庫壓力管道潛在的主要損傷模式有液錘沖擊、振動疲勞、保溫層下腐蝕、沖蝕等。

2.1 液錘沖擊

高壓的氣態(tài)熱氨或熱氟在蒸發(fā)器除霜結(jié)束后冷凝為液態(tài)。此時，如果急速打開蒸發(fā)器的排氣閥門，蒸發(fā)器內(nèi)冷凝的高壓液體會因為壓力的突然降低而發(fā)生閃蒸，形成液錘，劇烈沖擊排氣管。除霜階段的蒸發(fā)器排氣管仍處于低溫狀態(tài)，可承受的沖擊載荷小，易發(fā)生脆斷。

針對液錘沖擊，一方面要降低進入排氣管的高壓液體量，另一方面要檢查排氣管是否存在應(yīng)力集中的情況。因此定期檢驗時，尤其是對于低壓側(cè)使用20#鋼的管道，應(yīng)先檢查排氣管是否安裝分步控制閥門開度的電磁閥或者對回汽閥門有其他控制裝置及措施，然后再檢查排氣管道支吊架分布及間距是否合理、是否滿足設(shè)計文件的要求，必要時還需要對排氣主管的焊縫進行射線檢測。

2.2 振動疲勞

冷庫壓縮機出口管道一般采用U 形結(jié)構(gòu)，U 形結(jié)構(gòu)可以防止油及冷凝液體返回壓縮機。但是如果U 形結(jié)構(gòu)的尺寸不合理或支吊架布置不合理，壓縮機工作時出口管線就會振動劇烈，易產(chǎn)生振動疲勞。

針對振動疲勞，定期檢驗應(yīng)在壓縮機工作狀態(tài)下檢查出口管線的振動情況，必要時還需對出口管線開展磁粉或滲透檢測。

2.3 保溫層下腐蝕

壓縮器吸氣管道的介質(zhì)是低溫氣體，進入壓縮機后被壓縮為高溫、高壓的氣體。吸氣管道與壓縮機之間存在較大的溫差，因此吸氣管道與壓縮機接口處經(jīng)常存有冷凝水。如果吸氣管道采用90°水平彎頭的進氣結(jié)構(gòu)且保溫質(zhì)量較差，冷凝水易積存在保溫層與吸氣管壁之間，形成保溫層下腐蝕?？梢?，只要存在一定的溫差和積存冷凝水的結(jié)構(gòu)，保溫層下腐蝕就不可避免。

針對保溫層下腐蝕，定期檢驗應(yīng)重點檢查保溫層外有凝結(jié)水的管道，并從中篩選可能積存冷凝水的管段進行剩余壁厚檢測。

2.4 沖蝕

管道內(nèi)只要單相流速足夠快，或者介質(zhì)為多相流動狀態(tài)，就可能產(chǎn)生沖蝕。高壓側(cè)冷凝器出口管線、節(jié)流閥后管線易形成氣液兩相流動。P.Madasamy 等研究發(fā)現(xiàn)，中性液體管內(nèi)流速超過7 m/s 能產(chǎn)生明顯的沖蝕。李洋等研究發(fā)現(xiàn)，氣液兩相流動管內(nèi)流速超過3 m/s 能產(chǎn)生沖蝕。定期檢驗時，應(yīng)結(jié)合設(shè)計文件及現(xiàn)場檢查管道結(jié)構(gòu)，對流速快、易形成氣液兩相流動的管段的彎頭、三通和異徑管以及能形成“氣囊”和“液囊”的位置進行剩余壁厚檢測。

3 冷庫壓力管道檢測技術(shù)

壓力管道定期檢驗一般是在停機且管道內(nèi)沒有物料的狀態(tài)下開展的。然而，大部分冷庫都是連續(xù)長周期運行，整套系統(tǒng)停車并清空介質(zhì)的機會極少。高壓側(cè)管道主要介質(zhì)為高溫氣態(tài)制冷劑，通過關(guān)閉壓縮機自然降溫的方式就能使管道達到良好的待檢狀態(tài)，超聲波、射線、滲透、磁粉檢測等技術(shù)可以滿足基于損傷模式下高壓側(cè)管道的檢驗。而低壓側(cè)管道帶有保溫，管內(nèi)介質(zhì)是低溫的液相或氣相制冷劑，由于低溫狀態(tài)拆除保溫低壓側(cè)管道易結(jié)霜，且液體對射線有吸收和散射作用，因此難以開展常用的檢測技術(shù)檢驗。

近年來，X 射線數(shù)字成像檢測以其強大的圖像處理技術(shù)和實時成像功能，可在不拆除保溫的前提下對低壓側(cè)管道焊縫進行檢測，解決了低壓側(cè)管道焊縫檢測的問題。與傳統(tǒng)X 射線相比，X 射線數(shù)字成像檢測使用的射線機一樣，只是將成像方式由膠片改為數(shù)字平板。山東省特種設(shè)備檢測研究院采用X 射線數(shù)字成像檢測技術(shù)完成了石島液氨管道的檢驗項目，不僅檢測出了焊縫缺陷，還發(fā)現(xiàn)了彎頭的腐蝕減薄問題。但是X 射線數(shù)字成像檢測技術(shù)成本高，為了提高其針對性，賈強等提出了紅外熱成像技術(shù)與X 射線數(shù)字成像檢測相結(jié)合的技術(shù)，利用紅外成像在不拆除保溫的情況下篩查低壓側(cè)管道溫度異常的管段，再采用X 射線數(shù)字成像檢測的實時成像功能對溫度異常的管段進行檢測。這種檢測方法較適用于保溫層下腐蝕。

針對制冷管道的沖蝕損傷，可在破壞保溫并人工除霜的前提下，通過超聲波或電磁超聲技術(shù)檢測等檢測剩余壁厚。在不破壞保溫的前提下也可以采用脈沖渦流檢測管道的剩余壁厚，但是脈沖渦流探測的只是檢測區(qū)域的平均壁厚而且易受支吊架、內(nèi)外部附件及周圍環(huán)境的影響。低壓側(cè)管道的支吊架布置間距較小，脈沖渦流技術(shù)檢測的可靠性低。

4 結(jié)論

冷庫壓力管道承擔了制冷工藝和除霜工藝，管道材料以符合GB/T 8163—2018 標準的20#鋼為主。冷庫壓力管道潛在的主要損傷模式有液錘沖擊、振動疲勞、保溫層下腐蝕、沖蝕等：液錘沖擊所致的損傷可采用X 射線數(shù)字成像檢測技術(shù)；振動疲勞可采用常規(guī)的磁粉或者滲透檢測技術(shù)；保溫層下腐蝕可采用紅外熱成像技術(shù)與X 射線數(shù)字成像檢測相結(jié)合的方法；低壓側(cè)管道的沖蝕損傷可在破壞保溫并人工除霜的前提下，常用的超聲波或電磁超聲技術(shù)檢測等接觸式方法檢測剩余壁厚。