氨制冷系統壓力容器的設計特點

（天津長蘆海晶集團有限公司，天津300450）

本文以為某食品公司冷凍工序氨制冷裝置中設計制造的1臺氨液分離器為例，對氨制冷系統壓力容器的設計特點進行分析和探討。

1 設備設計概況

本設計是氨液分離器設備更新設計，替代原國外進口設備，生產工藝技術參數及設備規格尺寸參照原設備，并根據我國相關標準及規范進行設計確定。容器的設計條件：制冷劑介質R717，安全分組B2，容器直徑為1200mm，體積為3.8m3。制冷溫度為-50～-20℃，使用地點為天津空港開發區，設備在室內安裝。

本容器的設計技術參數為：設計壓力1.6MPa，設計溫度43℃，筒體使用的材質為Q245R，腐蝕裕量0.6mm，焊接接頭系數φ=0.85，容器規格 DN1200×16×2960mm，容積 3.8 m3，使用年限10a。依據TSG21-2016之規定，該設備壓力容器類別定為二類，屬中壓分離容器。

2 設備設計參數分析

氨制冷裝置用附屬設備包括貯氨器、冷凝器、油分離器、集油器、中間冷卻器、低壓循環貯氨器、氨液分離器等，一般是冷凍設備機組的配套定型產品。

氨液分離器中的介質是氨氣和液氨，設備用100mm聚氨酯保溫。液氨的飽和蒸氣壓與溫度具有對應關系，液氨的壓力取決于它的溫度，制冷裝置用氨壓縮機調節氣相壓力，通常情況下，氨壓縮機進口壓力低于0.2 MPa。根據工藝操作要求，一般要將分離器內的液氨溫度控制在-45～-20℃。由氨的物理特性可知，當冷凍溫度為-20℃時，對應的液氨的飽和蒸氣壓在0.094MPa(表壓)以下，由此可見該臺設備在正常冷凍操作情況下使用溫度低于-20℃，而工作壓力低于0.1 MPa（表壓)。因此，在正常冷凍工作條件下，容器內壓力很低，甚至是真空狀態，那么，設備是否可以不受《固容規》管轄呢？該設備雖不屬于儲存容器，但作為液化氣體的分離容器，在工廠停產檢修或者因其他原因制冷裝置停止運轉時，設備內仍會存在有大量液氨的情況，其壓力受環境溫度影響。根據我國空調系統設計規范，天津地區夏季室外干球溫度可達到36℃，如果設備失去可靠的保冷措施，設備內氨的溫度會不斷升高，直至與室內環境溫度一樣，那么氨的飽和蒸汽的壓力會達到1.4MPa（表壓）以上，因此本設備應按容器頂部可能達到的最高壓力進行設計和管理。本設計按照JB/T7658.14-2006的規定選取設計參數：設計壓力1.6MPa，設計溫度 43℃。按照 TSG 21-2016《固容規》的規定，該設備壓力容器類別為Ⅱ類。

另外，當制冷操作溫度達-24℃以下時，相應溫度下氨的飽和蒸氣壓小于0.1MPa（絕壓），容器處于真空狀態，因此，在設計時應校核絕對真空狀態下容器的穩定性。容器受壓元件的壁厚取正壓與真空兩種狀態下的大值。

制冷裝置一般采用無水氨，由于此種介質對碳素鋼、低合金鋼的腐蝕性較弱，所以腐蝕裕量選取較小值，按0.6mm計。

按NB/T47012-2010《制冷裝置用壓力容器》，制冷裝置用壓力容器均可不開檢查孔，因為介質對殼體的腐蝕性很小，使用后也不需要進行內部檢驗，對接接頭無損檢測比例為局部（≥20%）射線或超聲檢測，焊縫系數φ=0.85。

3 殼體材料的選用

本例中，該設備筒體的名義厚度16mm，封頭的名義厚度為16 mm，氨在-20℃溫度下，其飽和蒸氣壓為0.094 MPa(表壓)，容器筒體實際承受的最大一次總體薄膜應力可根據公式（1）計算：

其中 Di=1200 mm，pc=0.094 MPa，δe=16-0.6-0.3=15.1(mm)

σt=0.094×(1200+15.1)÷(2×15.1)≈3.78(MPa)，是Q245R鋼標準常溫屈服點的1.15%，且遠小于50MPa，所以完全符合低溫低應力工況要求。冷凍最低溫度-50℃，加上50℃后仍高于-20℃，所以不必遵循低溫壓力容器設計要求，也沒有必要選擇低溫容器用鋼。

以上的分析結論具有普遍性的意義，所有氨制冷壓力容器均沒有低溫脆性破壞的現象，全部不涉及低溫用材問題。

制冷劑經壓縮后或多或少帶了油霧，油霧凝結后以一層油膜附著在容器內壁表面，起到了對制冷劑的隔離作用，保護容器內壁表面，因而介質對碳素鋼、低合金鋼制冷容器內壁沒有腐蝕現象。為保證容器的安全使用，結合制冷行業多年的成功經驗，殼體及封頭選用了碳素鋼Q245R，在以氨為介質的壓力容器中，該鋼材比低合金鋼Q345R具有更好的抗應力腐蝕裂紋性能，容器用鋼板應符合GB/T713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》的規定。

4 結構設計特點

4.1 該設備的結構簡圖(見圖1)

圖1 氨液分離器結構示意圖

4.2 不開檢查孔

制冷容器內壁基本沒有腐蝕現象，同時由于制冷裝置長期連續運轉，加之氟里昂、氨等制冷劑的滲透性非常強，以氨為制冷劑的制冷裝置中，容器中的殘留氨更是難以排除干凈，檢查人員根本無法進入容器內部。因此，長期以來制冷壓力容器均不設置人孔或其它檢查孔。從日本、丹麥、德國等國引進的制冷裝置，其壓力容器也都沒有檢查孔，可見制冷容器不設檢查孔在國內外已形成共識。

4.3 參照低溫壓力容器設計規范進行結構設計

4.3.1 結構應盡量簡單，減少約束

4.3.2 盡量避免結構形狀的突然變化，以減小局部高應力

4.3.3 容器的支座墊板與殼體同材質

4.3.4 開孔接管與殼體的焊接接頭

為避免結構形式的突然變化，同時保證結構應力強度，接管采用了適當增加壁厚的形式，取消了以補強圈進行加強的結構方式。

4.3.5 氨極易揮發，穿透性強，氨又具有毒性

制冷容器80%以上的故障是制冷劑的泄漏，制冷劑一旦泄漏，不僅影響裝置的工效與可靠性，而且污染環境，因此，制冷容器嚴密性要求極高，盡量少開孔，盡量不用可拆式連接，本例設備的接管全部采用對接焊的連接方式。

4.3.6 為了減少泄漏點，該設備沒有設置人孔

設計要求最后一道環縫采用氬弧焊打底焊接，并要求在焊接最后一道環縫之前對內部所有焊縫進行20%射線探傷和100%表面磁粉檢測，分別為Ⅲ級和I級合格，在最后一道環縫焊接之后對此焊縫也要求進行100%表面磁粉檢測，I級合格。

4.3.7 從安全方面考慮，當介質為液化氣體，容器需設置安全閥口

安全閥選用全啟式氨氣專用安全閥，并要求安全閥開啟后應按要求設置專用的泄壓排放管道。

5 檢驗、試驗及其他設計要求

5.1 本容器要求按《固容規》和GB150規定進行各種檢驗與試驗。

由于介質易燃，中度危害，應進行泄漏性試驗，所以圖紙要求按1.25倍設計壓力進行水壓試驗，水壓試驗合格后，按設計壓力1.6MPa進行氣密性試驗。

氣密性試驗時，安全閥的整定壓力可定為1.7MPa。

（）（）

由于本容器設置了安全閥，安全閥的整定壓力需要兩次設定：氣密性試驗時一次，使用單位根據實際操作壓力再進行設置一次。

5.2 制冷容器用液氨為工業純氨，雖然，我國制定了工業液氨的質量標準，但由于我國液氨主要是由化肥行業生產，目前國內化肥廠的技術水平很難保證按標準規定執行，故設備設計中提出了氨的質量要求，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），保證設備的安全運行。

5.3 氨冷凍系統具有較高的危險性，氨冷凍設備的設計、制造、安裝、試驗、使用及管理是一個系統工程，為了保證設備的安全運行，設計中注明該設備同時應遵守SBJ12-2011《氨制冷系統安裝工程施工及驗收規范》和GB28009-2011《冷庫安全規程》的規定，也必須符合國家及地方現行的涉氨工藝設備消防、安全技術法規的要求。

5.4 設備的安全附件包括壓力表、安全閥、液位計等，必須使用氨專用裝置。設備的液位控制不得高于2/3D，并且應有可靠的報警及連鎖切斷裝置

5.5 設備試驗檢驗合格后，應按規定用0.8MPa表壓干燥壓縮空氣進行徹底吹污。

5.6 設備制造完成并檢驗合格后，所有接管用盲板焊接密封。

5.7 因未設檢查孔，圖紙明確注明了受壓元件計算厚度，并且要求在設備使用期間重點進行測厚檢查。

6 結語

關于制冷壓力容器，NB/T47012《制冷裝置壓力容器》是制冷系統的專業技術標準，全國冷凍空調設備標準化技術委員會還制定了JB/T76584《氨制冷裝置用輔助設備》，分為18個部分，涵蓋了所有氨制冷裝置壓力容器，是氨制冷壓力容器設計、制造、使用的基本規范，國家及地方有關安全部門還相應制定了一系列涉氨工藝設備消防、安全技術法規，均必須予以嚴格遵守。

作為特種設備設計人員，要熟悉了解設備的全部工藝操作，熟練掌握特種設備法律法規及規范標準。此臺制冷裝置氨液分離器的設計按最危險工況設計，即充分考慮設備夏季停用時設備內還有大量液氨的這種工況，受壓元件材質選取Q245R，充分考慮了在液氨介質中Q245R比Q345R具有更好的抗應力腐蝕裂紋性能。

總之，針對氨氣介質的有毒、易燃及強滲透的特點，為保證容器的安全可靠運行，做到萬無一失，在設備的全壽命過程中，必須特別重視和慎重對待設計工作，只有做到設計工藝數據選用正確、材料選用正確、結構設計合理，檢驗試驗要求齊全，才能保證設計文件完全符合《固容規》和《壓力容器》等相關法規和技術標準的規定，保證容器使用的安全可靠，同時經濟合理。