許林滔 郭吉林 盧 沛 毛天林 林 肯

(臺(tái)州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心)

單凍機(jī)熱氨融霜液錘現(xiàn)象的成因分析與預(yù)防措施

許林滔*郭吉林 盧 沛 毛天林 林 肯

(臺(tái)州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心)

針對(duì)一起單凍機(jī)回氣總管管帽脫落事故，對(duì)液錘現(xiàn)象的形成原因進(jìn)行了分析，并提出了預(yù)防措施，為熱氨融霜工藝的規(guī)范操作和改進(jìn)提供一定的參考依據(jù)。

單凍機(jī) 熱氨融霜 液錘 預(yù)防措施

氨氣是一種具有強(qiáng)烈刺激和窒息性的氣體，按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 5044-1985的有關(guān)規(guī)定，氨屬于Ⅳ級(jí)(輕度危害)的有毒物質(zhì)[1]。由于氨具有易獲得、價(jià)格低廉、壓力適中、單位制冷量大、放熱系數(shù)高、幾乎不溶解于油、流動(dòng)阻力小及泄漏時(shí)易發(fā)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在冷庫和制冰行業(yè)中普遍采用氨作為制冷劑，其在單凍機(jī)上的應(yīng)用較為普遍。為了提高生產(chǎn)效率，多數(shù)企業(yè)采用融霜工藝去生除產(chǎn)過程中產(chǎn)生的霜和冰。

融霜是利用熱、電、水及人工方式去除蒸發(fā)管表面霜凍的一種操作手段，熱氨融霜是氨制冷企業(yè)比較常用的方法，其優(yōu)點(diǎn)是效率快，但操作過程比較復(fù)雜，控制性差。目前熱氨融霜主要靠操作人員憑經(jīng)驗(yàn)操作，若操作不當(dāng)，極易造成液錘現(xiàn)象，在一定程度上直接影響氨制冷系統(tǒng)的安全運(yùn)行。筆者針對(duì)一起單凍機(jī)回氣總管管帽脫落事故，對(duì)液錘現(xiàn)象的成因進(jìn)行了分析，并提出了有效的預(yù)防措施。

1 事故教訓(xùn)

2013年8月31日，上海翁牌冷藏實(shí)業(yè)有限公司發(fā)生重大氨泄漏事故，造成15人死亡，7人重傷，事故造成直接經(jīng)濟(jì)損失數(shù)千萬元。事故發(fā)生的直接原因是翁牌公司嚴(yán)重違規(guī)采用熱氨融霜方式，導(dǎo)致發(fā)生液錘現(xiàn)象，使壓力瞬間升高，從而使具有嚴(yán)重焊接缺陷的單凍機(jī)回氣總管出現(xiàn)7次顫動(dòng)和管帽脫落，造成重大的氨泄漏事故。冷庫和單凍機(jī)在降溫、融霜或停機(jī)時(shí)經(jīng)常發(fā)生液錘現(xiàn)象，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在有單凍機(jī)并采用熱氨融霜方式去除生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的霜和冰的冷凍企業(yè)中，發(fā)生過數(shù)十起類似事故。

2 液錘現(xiàn)象成因分析

液錘現(xiàn)象是指在有壓力的管道中，液體流速發(fā)生急劇變化所引起的局部壓強(qiáng)大幅度波動(dòng)的現(xiàn)象。融霜工藝流程如圖1所示，來自壓縮機(jī)排氣端的過熱氨氣由回氣調(diào)節(jié)站和熱氨閥流入沖霜管后進(jìn)入回氣總管，然后分別進(jìn)入各組的單凍機(jī)內(nèi)對(duì)蒸發(fā)器管道內(nèi)部進(jìn)行加熱，使管道外表面的結(jié)霜融化。此時(shí)氨氣被液化，并和單凍機(jī)蒸發(fā)器內(nèi)殘余的液氨經(jīng)供液總管流入排液桶或低壓循環(huán)桶內(nèi)。一般認(rèn)為，單凍機(jī)回氣總管是熱氨融霜的進(jìn)氣管，融霜時(shí)屬于壓力源側(cè)，該部分管內(nèi)的氨是氣

圖1 融霜工藝流程

相存在的，難以形成液錘，即使有液錘形成，也應(yīng)錘向液相方向。但分析報(bào)道過的數(shù)十起事故后發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)液錘的部位恰好是回氣總管，且破壞部位基本在總管與封頭的焊接處。

根據(jù)8.31事故的調(diào)查報(bào)告，單凍機(jī)熱氨融霜操作前，抽氨時(shí)間少于10min，未能有效排除回氣總管和單凍機(jī)蒸發(fā)器內(nèi)的液氨；熱氨融霜時(shí)熱氨閥開啟過快，使殘留在回氣總管內(nèi)的液氨形成了液錘，這是造成此次事故的主要原因。但筆者認(rèn)為形成液錘的液氨其來源途徑主要有以下3條：

a. 由于單凍機(jī)蒸發(fā)器工作時(shí)的溫度在-35～-45℃之間，飽和蒸汽壓力在0.05～0.09MPa之間，熱氨融霜操作前若抽氨不充分，殘余液氨會(huì)集中在單凍機(jī)蒸發(fā)器管道內(nèi)。熱氨融霜操作時(shí)，先開啟融霜回液閥，使回氣總管與循環(huán)桶或排液桶相連，循環(huán)桶的壓力在0.2～0.3MPa左右。單凍機(jī)蒸發(fā)器內(nèi)的液氨在壓差的作用下向回氣總管流動(dòng)，壓力平衡到0.2MPa左右后，回氣總管內(nèi)氣液相共存，甚至在熱氨融霜管接入端的回氣總管垂直管段內(nèi)也存在液氨(圖2)。當(dāng)快速開啟熱氨沖霜閥時(shí)，熱氨的壓力約0.7MPa，而系統(tǒng)內(nèi)的壓力在0.2MPa左右，回氣總管內(nèi)的液氨在壓差(Δp≈0.5MPa)作用下不斷加速，動(dòng)能越來越大；流到管端時(shí)，動(dòng)能瞬間轉(zhuǎn)變成壓力能，有缺陷的封頭焊接處不能承受巨大壓力能的作用，這是造成封頭脫落事故的主要原因之一。但此途徑難以解釋上海8.31事故中為何管帽脫落前會(huì)產(chǎn)生7次顫動(dòng)。

b. 假如途徑a所述的回氣總管內(nèi)的液氨在達(dá)到平衡壓力0.2MPa左右后充分回流到蒸發(fā)器內(nèi)，快速開啟熱氨融霜閥時(shí)，快速?zèng)_入的熱氨氣(約80℃)與回氣總管內(nèi)的冷氨氣(約-40℃)混和凝結(jié)成液氨(約-30℃)，從而產(chǎn)生長(zhǎng)為L(zhǎng)的局部真空管段。真空管段在兩端各自不同壓力的作用下被填充，其中過冷氨氣回填的真空段長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，熱氨回填的真空段長(zhǎng)度為L(zhǎng)2(圖3)。在形成真空段和真空段被填滿過程中，壓差瞬時(shí)變化造成系統(tǒng)沖擊顫動(dòng)，這是上海8.31事故中管帽脫落前產(chǎn)生7次顫動(dòng)的原因。在0.2MPa左右壓力作用下，蒸發(fā)器管道內(nèi)的真空管段被不斷填充的同時(shí)，有相應(yīng)體積的液氨通過虹吸向回氣總管回流。通過反復(fù)作用，一定量的液氨進(jìn)入回氣總管，并在壓差(Δp≈0.5MPa)作用下沖向回氣總管管端，產(chǎn)生液錘現(xiàn)象，最終造成回氣總管封頭脫落事故。此途徑能比較合理地解釋上海8.31事故。

c. 熱氨氣與單凍機(jī)內(nèi)的冷氨氣混和凝結(jié)成液氨，在壓差(Δp≈0.5MPa)作用下向回氣總管流動(dòng)，此時(shí)可能產(chǎn)生液錘現(xiàn)象。但是經(jīng)過計(jì)算，φ159mm×100m的回氣總管中的冷氨氣加上φ57mm×50m的沖霜管中的熱氨氣的總重量約為2.5kg，并且是逐步集聚的，所以難以形成具有足夠動(dòng)能的液錘。因此，此途徑在上海8.31事故的原因分析中不作考慮。

圖2 熱氨融霜過程中液氨變化示意圖

圖3 熱氨融霜過程中真空段變化示意圖

3 預(yù)防措施

綜上所述可以發(fā)現(xiàn)，上海8.31事故中液氨來源由途徑b產(chǎn)生，且熱氨融霜產(chǎn)生液錘現(xiàn)象的條件是存在一定量的液氨和有一定的動(dòng)力源(或壓差)，因此在操作過程中控制好這兩個(gè)條件就能有效減少事故發(fā)生的概率，其預(yù)防措施主要有以下3條：

a. 在時(shí)間允許的情況下，融霜方式盡量采用自然融霜或以水融霜作為輔助，如采用熱氨融霜。

b. 緩慢開啟融霜回液閥，系統(tǒng)與循環(huán)桶或排液桶達(dá)到壓力平衡后，以更緩慢的速度開啟熱氨閥，控制熱氨融霜的流速，從而有效避免液錘現(xiàn)象的產(chǎn)生。

c. 設(shè)計(jì)上取消回氣總管，各蒸發(fā)器設(shè)置獨(dú)立回氣管；結(jié)構(gòu)上采用彎頭連接，避免端頭；若仍用回氣總管，其管端應(yīng)采用封堵焊接結(jié)構(gòu)(盲板比管口小，塞入管口，焊角焊縫)，但角焊縫應(yīng)有足夠的焊腳高度，并需對(duì)管口進(jìn)行收口處理。

4 結(jié)束語

針對(duì)一起單凍機(jī)回氣總管管帽脫落事故的產(chǎn)生原因進(jìn)行了綜合分析，發(fā)現(xiàn)液錘沖擊是造成事故發(fā)生的主要原因。通過對(duì)液錘現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，提出其有效的預(yù)防措施，為今后氨制冷行業(yè)的設(shè)計(jì)、安裝和改造提供一定的參考依據(jù)。

[1] 黃勁松. 自動(dòng)熱氨融霜應(yīng)注意的幾個(gè)問題[J]. 冷藏技術(shù)，2006，(3)：39～41.

*許林滔，男，1967年7月生，高級(jí)工程師。浙江省臺(tái)州市，318000。

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