氨制冷系統(tǒng)貯液器健康監(jiān)測技術(shù)研究

李旭成,朱大勝,張伯君,文耀華,梁 鵬

(1. 南京工程學(xué)院機械工程學(xué)院, 江蘇 南京 211167;2. 南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院, 江蘇 南京 210019)

近年來,液氨作為制冷劑被廣泛應(yīng)用于食品生產(chǎn)企業(yè)的制冷系統(tǒng).液氨制冷設(shè)備工藝過程復(fù)雜,企業(yè)安全生產(chǎn)管理水平各不相同,如何提高企業(yè)安全生產(chǎn)能力、降低安全事故風(fēng)險,已經(jīng)成為企業(yè)面臨的首要問題.

氨制冷設(shè)備經(jīng)過長時間服役,不可避免會引起各類材料損傷和結(jié)構(gòu)失效[1],容易形成重大危險源,引發(fā)設(shè)備結(jié)構(gòu)垮塌和分解的災(zāi)難性事故.我國氨制冷裝置的事故頻發(fā),造成了難以估量的財產(chǎn)損失和人身傷害[2-3].2013年6月3日,吉林省德惠市米沙子鎮(zhèn)吉林寶源豐禽業(yè)有限公司液氨泄漏引發(fā)爆炸,致121人死亡、70多人受傷;2018年3月22日,河南省濟源市三佳食品廠發(fā)生液氨泄漏,致1人死亡;2020年6月17日,安徽省馬鞍山市馬鋼化工能源科技有限公司硫銨工段在生產(chǎn)過程中發(fā)生液氨泄漏,致2人死亡、1人重傷.

根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,氨制冷設(shè)備的全面檢驗需要拆除保溫層、清空容器內(nèi)介質(zhì)以及轉(zhuǎn)移庫區(qū)物資,增加了企業(yè)運營成本.為了幫助企業(yè)提高經(jīng)濟效益,一些學(xué)者提出了在線檢測方案,以保障氨制冷壓力容器的全面運行.文獻(xiàn)[4]采用聲發(fā)射技術(shù)對貯氨器進(jìn)行在線檢測,以常規(guī)無損檢測方法對檢測缺陷進(jìn)行復(fù)驗,有效保障了氨制冷壓力容器的安全運行;文獻(xiàn)[5]針對冷庫壓力容器因生產(chǎn)工藝原因無法停機進(jìn)行內(nèi)部檢驗的問題,采用聲發(fā)射技術(shù)實現(xiàn)氨制冷系統(tǒng)壓力容器在線安全檢測,建立缺陷評估方法.這些研究雖然實現(xiàn)了氨制冷壓力容器的缺陷檢測,但并未實現(xiàn)設(shè)備的長期監(jiān)測,不能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備新產(chǎn)生的安全風(fēng)險.文獻(xiàn)[6]采用紅外熱成像技術(shù),對氨制冷系統(tǒng)進(jìn)行全天候、無間斷的監(jiān)控,發(fā)現(xiàn)泄漏能夠?qū)崟r報警,有效提高了氨制冷系統(tǒng)的安全性.但紅外成像設(shè)備成本較高,且只實現(xiàn)了泄漏的監(jiān)測.綜上所述,當(dāng)前的監(jiān)測方式存在監(jiān)測參數(shù)單一、不能準(zhǔn)確反映多種損傷模式下氨制冷設(shè)備健康狀態(tài)、沒有實現(xiàn)長期監(jiān)測、不能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備新生缺陷等問題.

本文以某食品公司氨制冷系統(tǒng)中的貯液器為健康監(jiān)測對象,對其在工作過程中可能發(fā)生的損傷模式和失效形式進(jìn)行分析,利用三類傳感器對氨制冷設(shè)備運行參數(shù)進(jìn)行采集、分析,及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷及損傷的位置并進(jìn)行預(yù)警,實現(xiàn)對設(shè)備的實時監(jiān)測.

1 設(shè)備簡介

本次監(jiān)測對象為氨制冷系統(tǒng)中的貯液器,容器內(nèi)介質(zhì)為液氨.貯液器基本參數(shù)見表1,貯液器見圖1.

表1 貯液器基本參數(shù)

圖1 貯液器

2 貯液器損傷及失效模式分析

2.1 損傷模式分析

1) 設(shè)備本體腐蝕.貯液器的材質(zhì)為Q235C普通碳素結(jié)構(gòu)鋼,主要表現(xiàn)為均勻腐蝕或局部腐蝕.當(dāng)空氣相對濕度超過60%時,碳鋼腐蝕速率按指數(shù)關(guān)系增大;而空氣相對濕度低于50%時,碳鋼腐蝕速率則較低.材料溫度應(yīng)高出環(huán)境溫度至少3 ℃以上,否則易在材料表面形成冷凝水造成腐蝕.該貯液器表面油漆有脫落,放置于室外環(huán)境,易受潮濕空氣及雨水的侵蝕,在氨制冷系統(tǒng)長期運行的情況下,容易在設(shè)備表面發(fā)生無隔熱層的大氣腐蝕[7].

2) 管道腐蝕穿孔.氨制冷系統(tǒng)中回路管道易發(fā)生局部腐蝕引起壁厚減薄.該貯液器使用時間已達(dá)17年,防腐層老化脫落表現(xiàn)尤為明顯,由于管道外表面受到大氣的侵蝕,在周圍潮濕環(huán)境影響下,有可能造成管道腐蝕穿孔漏氨.

3) 應(yīng)力腐蝕開裂.無水液氨對碳鋼只產(chǎn)生輕微的均勻腐蝕,但液氨儲罐在充裝、排料及檢修的過程中容易受到空氣的污染,空氣中的氧和二氧化碳加速氨對碳鋼的腐蝕.該貯液器內(nèi)部暴露于液氨中,氨氣與碳鋼反應(yīng)產(chǎn)生的氨基甲酸對碳鋼有強烈的腐蝕作用,當(dāng)焊縫處殘余應(yīng)力較高時,可使鋼材表面的鈍化膜產(chǎn)生破裂,造成應(yīng)力腐蝕開裂.

2.2 失效模式分析

1) 泄漏.與貯液器相連的管路系統(tǒng)包含管道、閥門和連接法蘭等部件,使用過程中可能存在節(jié)流閥故障引起的貯液器壓力過大導(dǎo)致液氨泄漏;壓縮機工作異常或調(diào)節(jié)閥故障引起的流量過大導(dǎo)致氨泄漏;液氨儲罐的出口閥門密封不嚴(yán)、管道與筒體連接密封不嚴(yán)以及各接頭及壓力表安裝處密封不嚴(yán)導(dǎo)致氨泄漏.

2) 脆性斷裂.貯液罐在充裝、排料及檢修過程中,空氣中的氧、二氧化碳和氨反應(yīng)產(chǎn)生的氨基甲酸氨對碳鋼具有強烈的腐蝕作用,且焊縫處存在的殘余應(yīng)力會使鋼材發(fā)生低應(yīng)力腐蝕脆性斷裂.

3 監(jiān)測方案與傳感器布置

3.1 監(jiān)測方案

采用聲發(fā)射監(jiān)測儀、應(yīng)變片、和氨氣濃度傳感器對氨制冷設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測:

1) 聲發(fā)射是材料內(nèi)部局部源迅速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波現(xiàn)象,可以利用聲發(fā)射檢測儀接收氨制冷設(shè)備在外力作用下金屬材料中缺陷的萌生、擴展、屈服和塑性變形、斷裂及脫開時所釋放的聲發(fā)射信號,從而確定缺陷的危害程度及存在部位;

2) 采用應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)對貯液器在運行過程中的應(yīng)力腐蝕開裂及脆性斷裂的損傷及失效狀況進(jìn)行監(jiān)測,將應(yīng)變片貼在被測物體上,應(yīng)變片里面的金屬箔材隨著被測定物的應(yīng)變伸長或者縮短,進(jìn)而其電阻值會隨著變化,并轉(zhuǎn)換為測點的應(yīng)變值,經(jīng)應(yīng)變儀發(fā)送至采集終端;

3) 采用氨氣濃度傳感器對氨制冷系統(tǒng)在運行過程中可能發(fā)生氨氣泄漏的情況進(jìn)行監(jiān)測,當(dāng)目標(biāo)氣體進(jìn)入氨氣濃度傳感器氣體探頭,傳感器第一時間做出感應(yīng),并根據(jù)氣體濃度的高低產(chǎn)生一定的電量信號,該信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后發(fā)送至采集終端.

將聲發(fā)射監(jiān)測儀、應(yīng)變片、氨氣濃度傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至PC端,全面展示和監(jiān)測氨制冷設(shè)備裂紋萌生和擴展趨勢、局部應(yīng)變及環(huán)境中氨氣濃度等情況,PC端能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行儲存、分析,當(dāng)監(jiān)測數(shù)值超標(biāo)后自動報警.系統(tǒng)總體方案如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)總體方案圖

3.2 傳感器布置方案

本方案采用的三類傳感器基本參數(shù)如表2所示.傳感器布置方案為(見圖3):

表2 傳感器類型及型號

圖3 傳感器方案布置示意圖

1) 聲發(fā)射檢測儀布置方案.該貯液器最可能發(fā)生裂紋萌生和擴展的部位在焊縫處,采用三角時差法定位方式將6只聲發(fā)射檢測儀探頭圍繞左右環(huán)焊縫布置進(jìn)行實時監(jiān)測.左邊焊縫布置3只探頭,其中2只探頭布置在環(huán)焊縫右側(cè)筒體上,距離環(huán)焊縫20 mm,兩探頭相距30 mm,另1只探頭布置在環(huán)焊縫左側(cè)的封頭上,距離環(huán)焊縫20 mm,與另外2個環(huán)焊縫呈等腰三角形形狀布置;右側(cè)環(huán)焊縫與左側(cè)環(huán)焊縫的探頭呈現(xiàn)對稱布置.聲發(fā)射探頭布置如圖4所示.

圖4 聲發(fā)射探頭布置圖

2) 應(yīng)變片布置方案.貯液器內(nèi)部受壓后會沿軸向和環(huán)向產(chǎn)生變形,在設(shè)備停機期間,在罐體中軸線部位以軸向和環(huán)向各布置1個應(yīng)變片,另外2個應(yīng)變片以同樣方式對稱布置在另一側(cè)的罐體中軸線部位,故本方案使用4個應(yīng)變片.應(yīng)變片布置如圖5所示,由于另外2個應(yīng)變片對稱布置在另一側(cè),故圖5上不顯示另外2個應(yīng)變片.

圖5 應(yīng)變片布置圖

3) 氨氣濃度傳感器布置方案.根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境條件,本方案使用2個氨氣濃度傳感器,由于氨氣密度比空氣小,所以將氨氣濃度傳感器懸掛于貯液器的正上方管道處.氨氣濃度傳感器布置如圖6所示.

圖6 氨氣濃度傳感器布置圖

將聲發(fā)射監(jiān)測儀、應(yīng)變片和氨氣濃度傳感器布置于貯液器本體和管道處感知設(shè)備運行狀態(tài),并將數(shù)據(jù)傳輸至現(xiàn)場PC集成箱(見圖7)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.

圖7 現(xiàn)場PC分析集成箱

4 監(jiān)測結(jié)果分析

4.1 聲發(fā)射數(shù)據(jù)結(jié)果分析

在進(jìn)行實際操作之前,已對聲發(fā)射檢測儀進(jìn)行斷鉛實驗及靈敏度測試,設(shè)置采集門檻為50 dB、時間間隔為1 min.當(dāng)幅值超過80 dB,且時長保持在1 min以上時,報警器發(fā)生報警信號.通過持續(xù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)幅值大多分布在50～60 dB,信號來源多為噪聲信號,設(shè)備無明顯裂紋萌生和擴展趨勢.

4.2 應(yīng)變數(shù)據(jù)結(jié)果分析

通道1和通道3顯示軸向應(yīng)變值,通道2和通道4顯示環(huán)向應(yīng)變值.應(yīng)變片所測部分應(yīng)變值如表3所示.

表3 部分應(yīng)變值 με

根據(jù)GB 150.2—2011標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[8],貯液器材料Q235C在厚度為14 mm、使用溫度為50 ℃情況下,其許用應(yīng)力為120 MPa.考慮到Q235C碳素鋼的彈性模量,其值為2.0×1011Pa,則Q235C碳素鋼的許用應(yīng)變600×10-6με.

本次監(jiān)測設(shè)置時間間隔為1 min,當(dāng)微應(yīng)變值超過最大允許微應(yīng)變值,且時長在1 min以上時,報警器發(fā)生報警信號.通過監(jiān)測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),貯液器在使用過程中隨著內(nèi)部壓力的變化,設(shè)備表面局部應(yīng)變也一直處于變化之中,但發(fā)生的形變都在允許范圍以內(nèi),設(shè)備處于健康狀態(tài).

4.3 氨氣濃度數(shù)據(jù)結(jié)果分析

使用2個氨氣濃度傳感器所測得的部分氨氣濃度值如表4所示.

表4 部分氨氣濃度值 10-6 mol/mol

《職業(yè)場所有害因素職業(yè)接觸限值》(GBZ 2.1—2019)[9]規(guī)定工作場所空氣中氨的容許濃度見表5.

表5 氨的容許濃度表

單位換算公式為：

C=22.4X/M

式中：C為氨氣以10-6mol/mol表示的濃度值;X為污染物以mg/m3表示的濃度值;M為氨氣的分子量,其值為17.

計算得氨的時間加權(quán)平均容許濃度(PC-TWA)為26.4×10-6mol/mol;氨的短時間接觸容許濃度(PC-STET)為39.5×10-6mol/mol.監(jiān)測設(shè)置時間間隔為1 min,當(dāng)氨氣濃度值超過氨的時間加權(quán)平均容許濃度,且保持時長在1 min以上時,報警器發(fā)出報警信號.通過監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),貯液器周圍環(huán)境的氨氣濃度大部分時間都在允許濃度范圍內(nèi),但出現(xiàn)了幾次超過允許濃度的情況.經(jīng)過排查,發(fā)現(xiàn)與設(shè)備相連的管道連接處密封墊有老化現(xiàn)象,經(jīng)過更換后,環(huán)境中氨濃度穩(wěn)定低于20×10-6mol/mol.

5 結(jié)論

1) 本文以貯液器為對象,設(shè)計了一套健康監(jiān)測裝置,能夠?qū)崟r監(jiān)測設(shè)備裂紋萌生和擴展趨勢、局部應(yīng)變狀態(tài)及環(huán)境中氨氣濃度等參數(shù),當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超標(biāo)后系統(tǒng)平臺能發(fā)出報警信號,提示現(xiàn)場巡檢人員進(jìn)行應(yīng)急處理,有效保證設(shè)備全生命周期運行安全;

2) 聲發(fā)射特征參數(shù)幅值監(jiān)測數(shù)據(jù)主要分布在50～60 dB,信號幅值較低,根據(jù)試驗比對,若聲發(fā)射信號是由材料出現(xiàn)了裂紋或現(xiàn)有裂紋擴展引起,則信號幅值會在80 dB及以上,故未發(fā)現(xiàn)該貯液器內(nèi)部發(fā)生萌生和擴展現(xiàn)象;

3) 該貯液器在停機到正常工作狀態(tài)下,局部會隨著內(nèi)部工作壓力的變化而產(chǎn)生變形,但變形量在材料允許范圍以內(nèi);

4) 監(jiān)測期間貯液器周圍氨氣濃度存在超過允許濃度的現(xiàn)象,后經(jīng)系統(tǒng)排查和對老化的管道密封件進(jìn)行更換,解決了氨氣泄漏問題.