冷库压力管道损伤模式及定期检验检测技术探究

韩 霄

（青岛市特种设备检验检测研究院，山东青岛 266500）

0 引言

冷库根据其在冷链系统内的功能，分为生产性冷库、港口冷库、中转冷库、商业零售冷冻库等。冷库使用的制冷剂主要是氨和氟利昂，为了降低氨的贮存量，部分冷库企业采用氨-CO2的制冷方式。无论采取何种制冷方式，制冷剂都必须通过压力管道输送至容器和设备，完成制冷循环，到达维持冷库低温的目的。然而，对于制冷工艺具有重要意义的压力管道，国家的监管起步却比较晚，加之冷库企业的管理粗放，导致冷库压力管道的安装质量差、泄漏事故多。2013 年原国家质量监督检疫总局下发了“质检特函[2013]61 号质检总局特种设备局关于氨制冷装置特种设备专项治理工作的指导意见”（简称“61号文”）。相当一部分涉氨冷库由于压力管道质量问题而进行了改造甚至重建。冷库压力管道的安装质量也因此有了比较大的提升。但是大部分冷库企业规模小，设备管理水平低，自控水平落后，除霜周期和除霜时间有很大的随意性。因此，对于在用的冷库压力管道，依旧存在着一定的损伤可能性和失效风险。

冷库压力管道的定期检验就是在资料审查和宏观检验的基础上，结合管道潜在的损伤模式，选择合适的检测技术，在满足“定检规”抽检比例的要求下，最大可能发现缺陷的过程。因此，如何有针对性地开展定期检验工作，尽可能早地发现冷库压力管道的安全隐患，是一个值得深入探究的问题。

1 冷库压力管道简介

通常冷库制冷工艺如下：制冷压缩机吸入冷库管道中的低压制冷剂蒸汽，压缩至高压蒸汽，排入油分，除去蒸汽所夹带的润滑油后，进入冷凝器，冷凝器将高压高温的制冷剂蒸汽冷凝为高压常温的液体，泄入高压贮液器，然后再经过节流阀送入冷库，上述为单级压缩制冷。双级压缩制冷与单级压缩制冷类似，只是在低级压缩机出口和高级压缩机之间入口之间设置中间冷却器进行换热。

根据制冷工艺流程，冷库的压力管道可分为低压侧管道和高压侧管道。通常将节流阀出口，经蒸发器至压缩机吸气管之间的管道称为低压侧管道；将压缩器出口经冷凝器、贮液器至节流阀入口前的管道称为高压侧管道。相当一部分冷库压力管道除了承担制冷工艺外，还要承担除霜工艺。除霜工艺是将压缩后的高温高压制冷剂直接送入到蒸发器中，在蒸发器冷凝液化吸热，从而实现除霜。由于冷库的自控水平落后，这两种工艺的操作和切换主要依靠人工，阀门开启的程度、速度，全靠操作人员经验，操作不当极易给管道带来损伤。

根据作者在青岛地区检验冷库压力管道的经验，设计温度在-5～-35 ℃的制冷管道，大多采用符合GB/T 8163—2018《输送流体用无缝钢管》的20#钢。研究证明，符合GB/T 8163—2018 标准的20#钢母材，在低于-34 ℃的条件下冲击功不足20 J，氩弧焊焊缝在低于-35 ℃的条件下冲击功不足20 J；而且20#钢在低温环境下服役后，其抗拉强度和屈服强度与室温状态有所提升，但断后伸长率和冲击韧性降低。因此，尽管选用20#钢符合GB 50072—2010《冷库设计规范》的规定，但其使用过程仍存在一定风险。

根据冷库压力管道的工艺操作特点和材料特性，冷库压力管道在用过程存在一定的损伤风险。只有识别这些损伤并开展针对性的定期检验，才能保证冷库压力管道长周期安全的服役。

2 损伤模式及检验策略

根据冷库压力管道的工艺特性和选材特点。冷库压力管道潜在的主要损伤模式有液锤冲击、振动疲劳、保温层下腐蚀、冲蚀等。

2.1 液锤冲击

高压的气态热氨或热氟在蒸发器除霜结束后冷凝为液态。此时，如果急速打开蒸发器的排气阀门，蒸发器内冷凝的高压液体会因为压力的突然降低而发生闪蒸，形成液锤，剧烈冲击排气管。除霜阶段的蒸发器排气管仍处于低温状态，可承受的冲击载荷小，易发生脆断。

针对液锤冲击，一方面要降低进入排气管的高压液体量，另一方面要检查排气管是否存在应力集中的情况。因此定期检验时，尤其是对于低压侧使用20#钢的管道，应先检查排气管是否安装分步控制阀门开度的电磁阀或者对回汽阀门有其他控制装置及措施，然后再检查排气管道支吊架分布及间距是否合理、是否满足设计文件的要求，必要时还需要对排气主管的焊缝进行射线检测。

2.2 振动疲劳

冷库压缩机出口管道一般采用U 形结构，U 形结构可以防止油及冷凝液体返回压缩机。但是如果U 形结构的尺寸不合理或支吊架布置不合理，压缩机工作时出口管线就会振动剧烈，易产生振动疲劳。

针对振动疲劳，定期检验应在压缩机工作状态下检查出口管线的振动情况，必要时还需对出口管线开展磁粉或渗透检测。

2.3 保温层下腐蚀

压缩器吸气管道的介质是低温气体，进入压缩机后被压缩为高温、高压的气体。吸气管道与压缩机之间存在较大的温差，因此吸气管道与压缩机接口处经常存有冷凝水。如果吸气管道采用90°水平弯头的进气结构且保温质量较差，冷凝水易积存在保温层与吸气管壁之间，形成保温层下腐蚀。可见，只要存在一定的温差和积存冷凝水的结构，保温层下腐蚀就不可避免。

针对保温层下腐蚀，定期检验应重点检查保温层外有凝结水的管道，并从中筛选可能积存冷凝水的管段进行剩余壁厚检测。

2.4 冲蚀

管道内只要单相流速足够快，或者介质为多相流动状态，就可能产生冲蚀。高压侧冷凝器出口管线、节流阀后管线易形成气液两相流动。P.Madasamy 等研究发现，中性液体管内流速超过7 m/s 能产生明显的冲蚀。李洋等研究发现，气液两相流动管内流速超过3 m/s 能产生冲蚀。定期检验时，应结合设计文件及现场检查管道结构，对流速快、易形成气液两相流动的管段的弯头、三通和异径管以及能形成“气囊”和“液囊”的位置进行剩余壁厚检测。

3 冷库压力管道检测技术

压力管道定期检验一般是在停机且管道内没有物料的状态下开展的。然而，大部分冷库都是连续长周期运行，整套系统停车并清空介质的机会极少。高压侧管道主要介质为高温气态制冷剂，通过关闭压缩机自然降温的方式就能使管道达到良好的待检状态，超声波、射线、渗透、磁粉检测等技术可以满足基于损伤模式下高压侧管道的检验。而低压侧管道带有保温，管内介质是低温的液相或气相制冷剂，由于低温状态拆除保温低压侧管道易结霜，且液体对射线有吸收和散射作用，因此难以开展常用的检测技术检验。

近年来，X 射线数字成像检测以其强大的图像处理技术和实时成像功能，可在不拆除保温的前提下对低压侧管道焊缝进行检测，解决了低压侧管道焊缝检测的问题。与传统X 射线相比，X 射线数字成像检测使用的射线机一样，只是将成像方式由胶片改为数字平板。山东省特种设备检测研究院采用X 射线数字成像检测技术完成了石岛液氨管道的检验项目，不仅检测出了焊缝缺陷，还发现了弯头的腐蚀减薄问题。但是X 射线数字成像检测技术成本高，为了提高其针对性，贾强等提出了红外热成像技术与X 射线数字成像检测相结合的技术，利用红外成像在不拆除保温的情况下筛查低压侧管道温度异常的管段，再采用X 射线数字成像检测的实时成像功能对温度异常的管段进行检测。这种检测方法较适用于保温层下腐蚀。

针对制冷管道的冲蚀损伤，可在破坏保温并人工除霜的前提下，通过超声波或电磁超声技术检测等检测剩余壁厚。在不破坏保温的前提下也可以采用脉冲涡流检测管道的剩余壁厚，但是脉冲涡流探测的只是检测区域的平均壁厚而且易受支吊架、内外部附件及周围环境的影响。低压侧管道的支吊架布置间距较小，脉冲涡流技术检测的可靠性低。

4 结论

冷库压力管道承担了制冷工艺和除霜工艺，管道材料以符合GB/T 8163—2018 标准的20#钢为主。冷库压力管道潜在的主要损伤模式有液锤冲击、振动疲劳、保温层下腐蚀、冲蚀等：液锤冲击所致的损伤可采用X 射线数字成像检测技术；振动疲劳可采用常规的磁粉或者渗透检测技术；保温层下腐蚀可采用红外热成像技术与X 射线数字成像检测相结合的方法；低压侧管道的冲蚀损伤可在破坏保温并人工除霜的前提下，常用的超声波或电磁超声技术检测等接触式方法检测剩余壁厚。