李旭成,朱大勝,張伯君,文耀華,梁 鵬

(1. 南京工程學院機械工程學院, 江蘇 南京 211167;2. 南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院, 江蘇 南京 210019)

近年來,液氨作為制冷劑被廣泛應用于食品生產(chǎn)企業(yè)的制冷系統(tǒng).液氨制冷設備工藝過程復雜,企業(yè)安全生產(chǎn)管理水平各不相同,如何提高企業(yè)安全生產(chǎn)能力、降低安全事故風險,已經(jīng)成為企業(yè)面臨的首要問題.

氨制冷設備經(jīng)過長時間服役,不可避免會引起各類材料損傷和結構失效[1],容易形成重大危險源,引發(fā)設備結構垮塌和分解的災難性事故.我國氨制冷裝置的事故頻發(fā),造成了難以估量的財產(chǎn)損失和人身傷害[2-3].2013年6月3日,吉林省德惠市米沙子鎮(zhèn)吉林寶源豐禽業(yè)有限公司液氨泄漏引發(fā)爆炸,致121人死亡、70多人受傷;2018年3月22日,河南省濟源市三佳食品廠發(fā)生液氨泄漏,致1人死亡;2020年6月17日,安徽省馬鞍山市馬鋼化工能源科技有限公司硫銨工段在生產(chǎn)過程中發(fā)生液氨泄漏,致2人死亡、1人重傷.

根據(jù)現(xiàn)行標準規(guī)范,氨制冷設備的全面檢驗需要拆除保溫層、清空容器內介質以及轉移庫區(qū)物資,增加了企業(yè)運營成本.為了幫助企業(yè)提高經(jīng)濟效益,一些學者提出了在線檢測方案,以保障氨制冷壓力容器的全面運行.文獻[4]采用聲發(fā)射技術對貯氨器進行在線檢測,以常規(guī)無損檢測方法對檢測缺陷進行復驗,有效保障了氨制冷壓力容器的安全運行;文獻[5]針對冷庫壓力容器因生產(chǎn)工藝原因無法停機進行內部檢驗的問題,采用聲發(fā)射技術實現(xiàn)氨制冷系統(tǒng)壓力容器在線安全檢測,建立缺陷評估方法.這些研究雖然實現(xiàn)了氨制冷壓力容器的缺陷檢測,但并未實現(xiàn)設備的長期監(jiān)測,不能及時發(fā)現(xiàn)設備新產(chǎn)生的安全風險.文獻[6]采用紅外熱成像技術,對氨制冷系統(tǒng)進行全天候、無間斷的監(jiān)控,發(fā)現(xiàn)泄漏能夠實時報警,有效提高了氨制冷系統(tǒng)的安全性.但紅外成像設備成本較高,且只實現(xiàn)了泄漏的監(jiān)測.綜上所述,當前的監(jiān)測方式存在監(jiān)測參數(shù)單一、不能準確反映多種損傷模式下氨制冷設備健康狀態(tài)、沒有實現(xiàn)長期監(jiān)測、不能及時發(fā)現(xiàn)設備新生缺陷等問題.

本文以某食品公司氨制冷系統(tǒng)中的貯液器為健康監(jiān)測對象,對其在工作過程中可能發(fā)生的損傷模式和失效形式進行分析,利用三類傳感器對氨制冷設備運行參數(shù)進行采集、分析,及時發(fā)現(xiàn)設備缺陷及損傷的位置并進行預警,實現(xiàn)對設備的實時監(jiān)測.

1 設備簡介

本次監(jiān)測對象為氨制冷系統(tǒng)中的貯液器,容器內介質為液氨.貯液器基本參數(shù)見表1,貯液器見圖1.

表1 貯液器基本參數(shù)

圖1 貯液器

2 貯液器損傷及失效模式分析

2.1 損傷模式分析

1) 設備本體腐蝕.貯液器的材質為Q235C普通碳素結構鋼,主要表現(xiàn)為均勻腐蝕或局部腐蝕.當空氣相對濕度超過60%時,碳鋼腐蝕速率按指數(shù)關系增大;而空氣相對濕度低于50%時,碳鋼腐蝕速率則較低.材料溫度應高出環(huán)境溫度至少3 ℃以上,否則易在材料表面形成冷凝水造成腐蝕.該貯液器表面油漆有脫落,放置于室外環(huán)境,易受潮濕空氣及雨水的侵蝕,在氨制冷系統(tǒng)長期運行的情況下,容易在設備表面發(fā)生無隔熱層的大氣腐蝕[7].

2) 管道腐蝕穿孔.氨制冷系統(tǒng)中回路管道易發(fā)生局部腐蝕引起壁厚減薄.該貯液器使用時間已達17年,防腐層老化脫落表現(xiàn)尤為明顯,由于管道外表面受到大氣的侵蝕,在周圍潮濕環(huán)境影響下,有可能造成管道腐蝕穿孔漏氨.

3) 應力腐蝕開裂.無水液氨對碳鋼只產(chǎn)生輕微的均勻腐蝕,但液氨儲罐在充裝、排料及檢修的過程中容易受到空氣的污染,空氣中的氧和二氧化碳加速氨對碳鋼的腐蝕.該貯液器內部暴露于液氨中,氨氣與碳鋼反應產(chǎn)生的氨基甲酸對碳鋼有強烈的腐蝕作用,當焊縫處殘余應力較高時,可使鋼材表面的鈍化膜產(chǎn)生破裂,造成應力腐蝕開裂.

2.2 失效模式分析

1) 泄漏.與貯液器相連的管路系統(tǒng)包含管道、閥門和連接法蘭等部件,使用過程中可能存在節(jié)流閥故障引起的貯液器壓力過大導致液氨泄漏;壓縮機工作異?；蛘{節(jié)閥故障引起的流量過大導致氨泄漏;液氨儲罐的出口閥門密封不嚴、管道與筒體連接密封不嚴以及各接頭及壓力表安裝處密封不嚴導致氨泄漏.

2) 脆性斷裂.貯液罐在充裝、排料及檢修過程中,空氣中的氧、二氧化碳和氨反應產(chǎn)生的氨基甲酸氨對碳鋼具有強烈的腐蝕作用,且焊縫處存在的殘余應力會使鋼材發(fā)生低應力腐蝕脆性斷裂.

3 監(jiān)測方案與傳感器布置

3.1 監(jiān)測方案

采用聲發(fā)射監(jiān)測儀、應變片、和氨氣濃度傳感器對氨制冷設備進行監(jiān)測:

1) 聲發(fā)射是材料內部局部源迅速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波現(xiàn)象,可以利用聲發(fā)射檢測儀接收氨制冷設備在外力作用下金屬材料中缺陷的萌生、擴展、屈服和塑性變形、斷裂及脫開時所釋放的聲發(fā)射信號,從而確定缺陷的危害程度及存在部位;

2) 采用應變監(jiān)測技術對貯液器在運行過程中的應力腐蝕開裂及脆性斷裂的損傷及失效狀況進行監(jiān)測,將應變片貼在被測物體上,應變片里面的金屬箔材隨著被測定物的應變伸長或者縮短,進而其電阻值會隨著變化,并轉換為測點的應變值,經(jīng)應變儀發(fā)送至采集終端;

3) 采用氨氣濃度傳感器對氨制冷系統(tǒng)在運行過程中可能發(fā)生氨氣泄漏的情況進行監(jiān)測,當目標氣體進入氨氣濃度傳感器氣體探頭,傳感器第一時間做出感應,并根據(jù)氣體濃度的高低產(chǎn)生一定的電量信號,該信號經(jīng)過模數(shù)轉換后發(fā)送至采集終端.

將聲發(fā)射監(jiān)測儀、應變片、氨氣濃度傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至PC端,全面展示和監(jiān)測氨制冷設備裂紋萌生和擴展趨勢、局部應變及環(huán)境中氨氣濃度等情況,PC端能夠對數(shù)據(jù)進行儲存、分析,當監(jiān)測數(shù)值超標后自動報警.系統(tǒng)總體方案如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)總體方案圖

3.2 傳感器布置方案

本方案采用的三類傳感器基本參數(shù)如表2所示.傳感器布置方案為(見圖3):

表2 傳感器類型及型號

圖3 傳感器方案布置示意圖

1) 聲發(fā)射檢測儀布置方案.該貯液器最可能發(fā)生裂紋萌生和擴展的部位在焊縫處,采用三角時差法定位方式將6只聲發(fā)射檢測儀探頭圍繞左右環(huán)焊縫布置進行實時監(jiān)測.左邊焊縫布置3只探頭,其中2只探頭布置在環(huán)焊縫右側筒體上,距離環(huán)焊縫20 mm,兩探頭相距30 mm,另1只探頭布置在環(huán)焊縫左側的封頭上,距離環(huán)焊縫20 mm,與另外2個環(huán)焊縫呈等腰三角形形狀布置;右側環(huán)焊縫與左側環(huán)焊縫的探頭呈現(xiàn)對稱布置.聲發(fā)射探頭布置如圖4所示.

圖4 聲發(fā)射探頭布置圖

2) 應變片布置方案.貯液器內部受壓后會沿軸向和環(huán)向產(chǎn)生變形,在設備停機期間,在罐體中軸線部位以軸向和環(huán)向各布置1個應變片,另外2個應變片以同樣方式對稱布置在另一側的罐體中軸線部位,故本方案使用4個應變片.應變片布置如圖5所示,由于另外2個應變片對稱布置在另一側,故圖5上不顯示另外2個應變片.

圖5 應變片布置圖

3) 氨氣濃度傳感器布置方案.根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境條件,本方案使用2個氨氣濃度傳感器,由于氨氣密度比空氣小,所以將氨氣濃度傳感器懸掛于貯液器的正上方管道處.氨氣濃度傳感器布置如圖6所示.

圖6 氨氣濃度傳感器布置圖

將聲發(fā)射監(jiān)測儀、應變片和氨氣濃度傳感器布置于貯液器本體和管道處感知設備運行狀態(tài),并將數(shù)據(jù)傳輸至現(xiàn)場PC集成箱(見圖7)進行數(shù)據(jù)分析.

圖7 現(xiàn)場PC分析集成箱

4 監(jiān)測結果分析

4.1 聲發(fā)射數(shù)據(jù)結果分析

在進行實際操作之前,已對聲發(fā)射檢測儀進行斷鉛實驗及靈敏度測試,設置采集門檻為50 dB、時間間隔為1 min.當幅值超過80 dB,且時長保持在1 min以上時,報警器發(fā)生報警信號.通過持續(xù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)幅值大多分布在50～60 dB,信號來源多為噪聲信號,設備無明顯裂紋萌生和擴展趨勢.

4.2 應變數(shù)據(jù)結果分析

通道1和通道3顯示軸向應變值,通道2和通道4顯示環(huán)向應變值.應變片所測部分應變值如表3所示.

表3 部分應變值 με

根據(jù)GB 150.2—2011標準規(guī)定[8],貯液器材料Q235C在厚度為14 mm、使用溫度為50 ℃情況下,其許用應力為120 MPa.考慮到Q235C碳素鋼的彈性模量,其值為2.0×1011Pa,則Q235C碳素鋼的許用應變600×10-6με.

本次監(jiān)測設置時間間隔為1 min,當微應變值超過最大允許微應變值,且時長在1 min以上時,報警器發(fā)生報警信號.通過監(jiān)測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),貯液器在使用過程中隨著內部壓力的變化,設備表面局部應變也一直處于變化之中,但發(fā)生的形變都在允許范圍以內,設備處于健康狀態(tài).

4.3 氨氣濃度數(shù)據(jù)結果分析

使用2個氨氣濃度傳感器所測得的部分氨氣濃度值如表4所示.

表4 部分氨氣濃度值 10-6 mol/mol

《職業(yè)場所有害因素職業(yè)接觸限值》(GBZ 2.1—2019)[9]規(guī)定工作場所空氣中氨的容許濃度見表5.

表5 氨的容許濃度表

單位換算公式為：

C=22.4X/M

式中：C為氨氣以10-6mol/mol表示的濃度值;X為污染物以mg/m3表示的濃度值;M為氨氣的分子量,其值為17.

計算得氨的時間加權平均容許濃度(PC-TWA)為26.4×10-6mol/mol;氨的短時間接觸容許濃度(PC-STET)為39.5×10-6mol/mol.監(jiān)測設置時間間隔為1 min,當氨氣濃度值超過氨的時間加權平均容許濃度,且保持時長在1 min以上時,報警器發(fā)出報警信號.通過監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),貯液器周圍環(huán)境的氨氣濃度大部分時間都在允許濃度范圍內,但出現(xiàn)了幾次超過允許濃度的情況.經(jīng)過排查,發(fā)現(xiàn)與設備相連的管道連接處密封墊有老化現(xiàn)象,經(jīng)過更換后,環(huán)境中氨濃度穩(wěn)定低于20×10-6mol/mol.

5 結論

1) 本文以貯液器為對象,設計了一套健康監(jiān)測裝置,能夠實時監(jiān)測設備裂紋萌生和擴展趨勢、局部應變狀態(tài)及環(huán)境中氨氣濃度等參數(shù),當監(jiān)測數(shù)據(jù)超標后系統(tǒng)平臺能發(fā)出報警信號,提示現(xiàn)場巡檢人員進行應急處理,有效保證設備全生命周期運行安全;

2) 聲發(fā)射特征參數(shù)幅值監(jiān)測數(shù)據(jù)主要分布在50～60 dB,信號幅值較低,根據(jù)試驗比對,若聲發(fā)射信號是由材料出現(xiàn)了裂紋或現(xiàn)有裂紋擴展引起,則信號幅值會在80 dB及以上,故未發(fā)現(xiàn)該貯液器內部發(fā)生萌生和擴展現(xiàn)象;

3) 該貯液器在停機到正常工作狀態(tài)下,局部會隨著內部工作壓力的變化而產(chǎn)生變形,但變形量在材料允許范圍以內;

4) 監(jiān)測期間貯液器周圍氨氣濃度存在超過允許濃度的現(xiàn)象,后經(jīng)系統(tǒng)排查和對老化的管道密封件進行更換,解決了氨氣泄漏問題.