液氮管路振動的原因分析及預防對策

李 崢

(北京佳宸弘生物技術有限公司，北京 100176)

隨著國民經濟的快速發展和低溫技術的普及，液氮應用日趨廣泛，主要應用于航天、醫療、衛生、生物存儲、食品工業、石化、化工、文化、公安及科學技術研究等行業。液氮在存儲和應用中，主要通過管路進行輸送，管路能否長期安全運行，直接影響儲存設備和生產場地人員的生命安全。

1 問題的提出

氮氣為無色、無味的壓縮氣體，化學性質穩定，不燃，相對分子質量：28.01，相對蒸氣密度(空氣=1)∶0.97，無特殊燃爆特性，常壓下無毒，高壓下可引起減壓病。在101.325 kPa壓力下，液氮的沸點-195.65 ℃，液氮具有低溫作用，皮膚接觸可引起嚴重凍傷，眼睛接觸引起冷燒灼[1]。當作業環境中氮氣濃度增高，氧氣濃度相對減少到19.5%以下時，就可能造成人員缺氧窒息，當氮濃度大于84%時，可出現頭痛、頭暈、眼花，惡心、嘔吐，呼吸加快，脈率增加，血壓升高，胸悶、氣短、心悸，疲軟無力，神志恍惚，甚至失去知覺，出現陣發性痙攣、紫紺，意識不清等癥狀。當空氣中氧氣濃度<6%，可很快呼吸停止，繼而心跳停止而猝死，無先兆癥狀[2]。

在液氮管路使用中，在管路吹掃、預冷及調節運行工作中，管路會出現振動和發出噪聲現象。低溫液氮管路若長期處在管路振動環境中，可誘發設備的“跑”、“冒”、“滴”、“漏”、“裂”、“斷”等問題的發生，管路支架也會出現斷裂、失效等情況，給設備安全運行帶來隱患。一旦生產場地(實驗室、車間、庫房等)出現液氮大量泄漏，會造成人員窒息甚至死亡，所以，液氮管路安全使用問題不容小視。

2 管路振動及液氮泄漏的風險

流體管路的振動現象常常被人們忽視，但它卻會給安全生產帶來危險。安徽鳳臺縣化肥廠就曾出現在管路調節運行中，管路和閥門時常出現瞬間振動，多次檢查未查明原因，最終在一次強烈振動時，造成管道的法蘭絲扣斷裂，大量氣液噴出，引發大火[3]。

若液氮管路在密閉空間泄漏，會造成人員缺氧窒息傷害。近些年，因氮氣泄漏釀成人員窒息傷害、甚至死亡的事件，在國內外都有報道，據美國化學安全和危險調查委員會(CSB)的調查，1992-2002年期間，美國的工業領域發生于作業場所的氮氣窒息事故有85起，造成80人死亡、50人受傷。而在我國，據不完全統計，1980-2005年期間，我國化工、石化行業發生氮氣窒息事故26起受傷。死亡32人、受傷31人，事故常發生在有限空間內。我國2006-2016年，急性職業中毒事件統計中，一共發生337件，其中窒息性氣體占179件，占比53.12%，死亡293人[4-6]。

3 液氮管路振動原因分析

低溫液氮管路發生振動的主要原因是管路中液氮出現空化現象。空化是流體介質由于液體靜壓小于當地溫度下的飽和蒸汽壓力時，產生的動態相變現象。主要表現為氣泡的產生與潰滅過程，氣泡潰滅過程會引發機械振動和噪音，會對管道壁產生極大的壓強，形成氣蝕，對管路造成破壞。空化是低溫管路流動常見的實際問題。

液氮管道中易產生空化的部位，常見于調節閥及管道彎管部位，下面分別進行分析討論。

3.1 調節閥前后壓差過大

每次打開液氮儲槽出液閥和管路進液閥，并調節流量大小，若打開閥門操作不穩及開閥速度快時，會出現管路振動現象。這是因為液氮流體在管路閥門開啟調節時，流體的狀態發生了變化，如圖1所示。

圖1 閥門調節處液氮空化現象

閥前壓力為P罐的液氮流經閥座及閥芯的節流部位，由于截面積變小，液氮流速急劇增加，此時液體的靜壓力快速下降，若P1≤該處液氮的飽和蒸汽壓力，則出現液體被蒸發成氣態，在液體中形成氣泡，形成氣液兩相混合體，當它流過閥座、閥芯調節處后，壓力又快速回升到P2狀態，此時氣泡迅速潰滅，氣體重新溶解在液體當中，即出現空化現象。液氮的流速愈快，P罐-P2=ΔP的值愈大，產生氣泡和潰滅的量亦愈多，管路振動愈強烈。空化現象對閥座和閥芯及管壁造成氣蝕損害，閥門密封面及管路連接件密封面在管路振動的沖擊下，易出現泄漏現象，其外表面會出現結霜、結冰，見圖2。還有管路上的緊固件會慢慢松動，若不及時維護，會引發設備使用安全事故。

圖2 管路閥門、連接件結霜結冰

3.2 管路彎管出現空化現象引發振動

液氮流經管路彎管時，會出現空化現象，液氮流動時，在彎曲管段內側斷面沿離心力方向，流速減小而壓力增加(是由于流體離心力及彎管外壁對流體的壓迫雙重作用)，彎管斷面壓力不均勻，彎管內側液氮壓力低于外側壓力，當內側局部壓力低于相應溫度下液氮的飽和蒸汽壓力時，液體汽化產生氣泡，流體由單相流動過渡到兩相流動，液體宏觀連續性被破壞、挾帶著氣泡的液體流到彎管下游壓力較高區段時，氣泡潰滅，產生空化現象，管路會出現振動，不斷潰滅的氣泡反復作用于管路內壁面，會產生氣蝕破壞，影響管路的使用壽命。

液氮彎曲管路的空化現象，隨液體來流速度的增加、下端出口壓力的降低和溫度的提高而增加，見圖3。

圖3 空穴長度與流體入口速度關系[7]

在每次給液氮庫充液前的吹掃和預冷工作中，會出現管路振動現象，若進液口閥開啟不穩，打開過快，振動更加明顯。其原因是：①進液速度快；②管路末端放空閥處于打開狀態壓力低；③新進的液氮遇到常溫管路溫度升高。另外，研究表明，彎曲管路的曲率大小，對管內液體的空化現象影響很大，彎曲角度愈小，流體受離心力作用愈大，空化現象愈明顯，見圖4所示，分別對彎曲角度為60°、90°、120°、150°的彎管進行模擬。

圖4 彎管不同角度的空化對比[7]

4 預防對策

為了減少液氮管路振動給管路和閥門安全運行帶來的威脅，就要控制液氮在管路中空化現象的發生，在管路的設計、工藝及使用中采取必要的措施：

(1)在設計方面，盡量選擇較大的彎曲率，在滿足使用條件的情況下，減少彎管的數量；

(2)在工藝方面，減少調節閥前后的壓差ΔP，使ΔP<ΔPc(最大允許壓差)，若ΔP仍較大(>ΔPc時)，可將2個以上調節閥串聯使用，使每個調節閥的前后壓差小于ΔPc；

(3)開啟調節閥操作要平穩，控制好液氮的流速，提高閥門的開度，避免憋壓造成閥門前后壓差過大；

(4)調節控制好液氮儲槽罐內工作壓力，在對液氮管路吹掃、預冷時，適當降低管路進口壓力。

5 結 語

液氮管路振動，隨設備使用時間和振動次數的增加，低溫管路受交變應力的影響，將會出現疲勞失效，這就需要我們采用科學的手段應對，減小振動現象的發生，使低溫液氮設備平穩安全運行。