氨制冷系统压力容器的设计特点

氨制冷系统压力容器的设计特点夏德富（天津长芦海晶集团有限公司,天津300450）摘要:制冷系统容器是压力容器的一种重要类型，其设计介质主要为液氨和氟利昂,设计参数及结构均有不同的要求。

在工业生产中,大量使用液氨制冷装置,本文从实际项目出发，对氨制冷系统压力容器的设计特点进行归纳总结。

关键词:氨；压力容器；制冷系统；设计doi:10.3969/j.issn.1008-1267.2019.01.012中图分类号:TQ053.2文献标志码:A 文章编号:1008-1267(2019)01-0030-03收稿日期：2018-05-30第33卷第1期2019年1月天津化工Tianjin Chemical Industry Vol.33No.1Jan.2019本文以为某食品公司冷冻工序氨制冷装置中设计制造的1台氨液分离器为例,对氨制冷系统压力容器的设计特点进行分析和探讨。

1设备设计概况本设计是氨液分离器设备更新设计，替代原国外进口设备，生产工艺技术参数及设备规格尺寸参照原设备，并根据我国相关标准及规范进行设计确定。

容器的设计条件:制冷剂介质R717,安全分组B2,容器直径为1200mm ，体积为3.8m 3。

制冷温度为-50~-20℃，使用地点为天津空港开发区，设备在室内安装。

本容器的设计技术参数为：设计压力1.6MPa ，设计温度43℃，筒体使用的材质为Q245R ，腐蚀裕量0.6mm ，焊接接头系数φ=0.85，容器规格DN1200×16×2960mm ，容积3.8m 3，使用年限10a 。

依据TSG21-2016之规定,该设备压力容器类别定为二类，属中压分离容器。

2设备设计参数分析氨制冷装置用附属设备包括贮氨器、冷凝器、油分离器、集油器、中间冷却器、低压循环贮氨器、氨液分离器等，一般是冷冻设备机组的配套定型产品。

氨液分离器中的介质是氨气和液氨，设备用100mm 聚氨酯保温。

液氨的饱和蒸气压与温度具有对应关系,液氨的压力取决于它的温度,制冷装置用氨压缩机调节气相压力，通常情况下，氨压缩机进口压力低于0.2MPa 。

根据工艺操作要求,一般要将分离器内的液氨温度控制在-45~-20℃。

由氨的物理特性可知，当冷冻温度为-20℃时，对应的液氨的饱和蒸气压在0.094MPa (表压)以下,由此可见该台设备在正常冷冻操作情况下使用温度低于-20℃,而工作压力低于0.1MPa （表压)。

因此,在正常冷冻工作条件下，容器内压力很低，甚至是真空状态，那么，设备是否可以不受《固容规》管辖呢？该设备虽不属于储存容器，但作为液化气体的分离容器，在工厂停产检修或者因其他原因制冷装置停止运转时，设备内仍会存在有大量液氨的情况，其压力受环境温度影响。

根据我国空调系统设计规范,天津地区夏季室外干球温度可达到36℃，如果设备失去可靠的保冷措施，设备内氨的温度会不断升高，直至与室内环境温度一样，那么氨的饱和蒸汽的压力会达到1.4MPa （表压）以上，因此本设备应按容器顶部可能达到的最高压力进行设计和管理。

本设计按照JB/T7658.14-2006的规定选取设计参数：设计压力1.6MPa,设计温度43℃。

按照TSG 21-2016《固容规》的规定，该设备压力容器类别为Ⅱ类。

另外，当制冷操作温度达-24℃以下时，相应温度下氨的饱和蒸气压小于0.1MPa （绝压），容器处于真空状态，因此，在设计时应校核绝对真空状态下容器的稳定性。

容器受压元件的壁厚取正压与真空两种状态下的大值。

制冷装置一般采用无水氨，由于此种介质对碳素钢、低合金钢的腐蚀性较弱，所以腐蚀裕量选取较小值，按0.6mm 计。

第33卷第1期夏德富：氨制冷系统压力容器的设计特点按NB/T47012-2010《制冷装置用压力容器》，制冷装置用压力容器均可不开检查孔，因为介质对壳体的腐蚀性很小，使用后也不需要进行内部检验，对接接头无损检测比例为局部（≥20%）射线或超声检测,焊缝系数φ=0.85。

3壳体材料的选用本例中，该设备筒体的名义厚度16mm,封头的名义厚度为16mm,氨在-20℃温度下,其饱和蒸气压为0.094MPa(表压),容器筒体实际承受的最大一次总体薄膜应力可根据公式（1）计算：σt=pc(Di+δe)/(2δe)（1）其中Di=1200mm,pc=0.094MPa,δe=16-0.6-0.3=15.1(mm)σt=0.094×(1200+15.1)÷(2×15.1)≈3.78(MPa)，是Q245R钢标准常温屈服点的1.15%,且远小于50MPa，所以完全符合低温低应力工况要求。

冷冻最低温度-50℃，加上50℃后仍高于-20℃,所以不必遵循低温压力容器设计要求,也没有必要选择低温容器用钢。

以上的分析结论具有普遍性的意义，所有氨制冷压力容器均没有低温脆性破坏的现象，全部不涉及低温用材问题。

制冷剂经压缩后或多或少带了油雾，油雾凝结后以一层油膜附着在容器内壁表面，起到了对制冷剂的隔离作用，保护容器内壁表面，因而介质对碳素钢、低合金钢制冷容器内壁没有腐蚀现象。

为保证容器的安全使用，结合制冷行业多年的成功经验，壳体及封头选用了碳素钢Q245R，在以氨为介质的压力容器中，该钢材比低合金钢Q345R具有更好的抗应力腐蚀裂纹性能，容器用钢板应符合GB/T713-2014《锅炉和压力容器用钢板》的规定。

4结构设计特点4.1该设备的结构简图(见图1)4.2不开检查孔制冷容器内壁基本没有腐蚀现象，同时由于制冷装置长期连续运转，加之氟里昂、氨等制冷剂的渗透性非常强，以氨为制冷剂的制冷装置中，容器中的残留氨更是难以排除干净，检查人员根本无法进入容器内部。

因此，长期以来制冷压力容器均不设置人孔或其它检查孔。

从日本、丹麦、德国等国引进的制冷装置，其压力容器也都没有检查孔，可见制冷容器不设检查孔在国内外已形成共识。

4.3参照低温压力容器设计规范进行结构设计4.3.1结构应尽量简单，减少约束4.3.2尽量避免结构形状的突然变化，以减小局部高应力4.3.3容器的支座垫板与壳体同材质4.3.4开孔接管与壳体的焊接接头为避免结构形式的突然变化，同时保证结构应力强度，接管采用了适当增加壁厚的形式，取消了以补强圈进行加强的结构方式。

4.3.5氨极易挥发，穿透性强，氨又具有毒性制冷容器80%以上的故障是制冷剂的泄漏，制冷剂一旦泄漏，不仅影响装置的工效与可靠性，而且污染环境，因此，制冷容器严密性要求极高，尽量少开孔，尽量不用可拆式连接，本例设备的接管全部采用对接焊的连接方式。

4.3.6为了减少泄漏点，该设备没有设置人孔设计要求最后一道环缝采用氩弧焊打底焊接，并要求在焊接最后一道环缝之前对内部所有焊缝进行20%射线探伤和100%表面磁粉检测，分别为Ⅲ级和I级合格，在最后一道环缝焊接之后对此焊缝也要求进行100%表面磁粉检测，I级合格。

4.3.7从安全方面考虑，当介质为液化气体，容器需设置安全阀口安全阀选用全启式氨气专用安全阀，并要求安全阀开启后应按要求设置专用的泄压排放管道。

5检验尧试验及其他设计要求5.1本容器要求按《固容规》和GB150规定进行各种检验与试验。

由于介质易燃，中度危害，应进行泄漏性试验，所以图纸要求按1.25倍设计压力进行水压试验，水压试验合格后，按设计压力1.6MPa进行气密性试验。

气密性试验时，安全阀的整定压力可定为1.7MPa。

图1氨液分离器结构示意图(下转第35页)31第33卷第1期由于本容器设置了安全阀，安全阀的整定压力需要两次设定:气密性试验时一次，使用单位根据实际操作压力再进行设置一次。

5.2制冷容器用液氨为工业纯氨，虽然，我国制定了工业液氨的质量标准，但由于我国液氨主要是由化肥行业生产，目前国内化肥厂的技术水平很难保证按标准规定执行，故设备设计中提出了氨的质量要求，要求含氨量>99.995%,或者含氨量≥99.6%且含水量>0.2%。

氨液成分定期分析（每半年至少一次），保证设备的安全运行。

5.3氨冷冻系统具有较高的危险性，氨冷冻设备的设计、制造、安装、试验、使用及管理是一个系统工程，为了保证设备的安全运行，设计中注明该设备同时应遵守SBJ12-2011《氨制冷系统安装工程施工及验收规范》和GB28009-2011《冷库安全规程》的规定，也必须符合国家及地方现行的涉氨工艺设备消防、安全技术法规的要求。

5.4设备的安全附件包括压力表、安全阀、液位计等,必须使用氨专用装置。

设备的液位控制不得高于2/3D,并且应有可靠的报警及连锁切断装置5.5设备试验检验合格后，应按规定用0.8MPa 表压干燥压缩空气进行彻底吹污。

5.6设备制造完成并检验合格后，所有接管用盲板焊接密封。

5.7因未设检查孔，图纸明确注明了受压元件计算厚度，并且要求在设备使用期间重点进行测厚检查。

6结语关于制冷压力容器，NB/T47012《制冷装置压力容器》是制冷系统的专业技术标准，全国冷冻空调设备标准化技术委员会还制定了JB/T76584《氨制冷装置用辅助设备》，分为18个部分，涵盖了所有氨制冷装置压力容器，是氨制冷压力容器设计、制造、使用的基本规范，国家及地方有关安全部门还相应制定了一系列涉氨工艺设备消防、安全技术法规，均必须予以严格遵守。

作为特种设备设计人员，要熟悉了解设备的全部工艺操作，熟练掌握特种设备法律法规及规范标准。

此台制冷装置氨液分离器的设计按最危险工况设计,即充分考虑设备夏季停用时设备内还有大量液氨的这种工况,受压元件材质选取Q245R,充分考虑了在液氨介质中Q245R 比Q345R 具有更好的抗应力腐蚀裂纹性能。

总之，针对氨气介质的有毒、易燃及强渗透的特点，为保证容器的安全可靠运行，做到万无一失，在设备的全寿命过程中，必须特别重视和慎重对待设计工作，只有做到设计工艺数据选用正确、材料选用正确、结构设计合理，检验试验要求齐全，才能保证设计文件完全符合《固容规》和《压力容器》等相关法规和技术标准的规定，保证容器使用的安全可靠，同时经济合理。

(上接第31页)量分数确定为0.7%。

3.4破乳剂破乳时间的验证与优化针对筛选出的XX103∶XX302=1∶3破乳剂，在加药质量分数0.7%的条件下，对破乳时间进行验证与优化，以期提高现场效率。

由表6可见，破乳剂加药质量分数为0.7%时，1号、2号、3号样品从15min 到24h 破乳过程中，破乳主要发生于0~12h ，在12h 时油水分离完全，12~24h 中油水脱出量无明显变化。

现场可根据需要在破乳12h 后随时进行凝析油的回收以及污水处理。

4结论4.1凝析油乳液，由于中途加入药剂种类众多，油水乳化严重，形成乳液稳定难处理，大部分常规原油破乳剂并不能起到很好的破乳作用。