氨制冷系统低温压力管道材料问题的探讨

氨制冷系统低温压力管道材料问题的探讨

专业技术 2008-07-22 15:24:51 阅读232 评论3 字号：大中小 订阅

（国内贸易工程设计研究院 黄劲松 申广辉）

四、执行规范中所遇问题

1．按照GB50316-2000《工业金属管道设计规范》4.3.1条规定，（见附录A）。碳素钢钢管（无缝钢管）10号、20号的使用温度下限为-20℃以上，16Mn使用温度下限为-40℃以上，09MnD使用为-50℃以上。

2．制冷压力容器执行JB/T4750-2003《制冷装置压力容器》规范，所以目前大冷、烟冷及国内制冷设备厂商所生产的压力容器，均为用碳素钢钢板。如果按照GB50316-2000《工业金属管道设计规范》要求，最终均不能通过验收。

3．阀门、弯头：在制冷系统中当前生产的阀门均为铸铁和碳素钢所制，弯头也是采用普通碳素钢，且机制弯头R均为1.5D。

4．按照当前市场价，每吨20号碳素钢无缝钢管和16Mn的差价约为3000元，09MnD的差价则更大，在全国范围内其一次投资将是一笔十分巨大的费用。

众所周知商业制冷行业，在过去的几十年里在没执行这些规范之前在低温系统一般都是采用10号、20号碳素钢无缝钢管，经过几十年的实际运行并没出现过因管道破裂而产生制冷剂泄漏事故。在执行

压力管道规范的过程中又遇上压力容器及机压弯头的配套问题，所以对氨制冷系统实际运行工况及管材选用应进行必要的探讨。

五、氨制冷系统中低压管道的应力分析

氨制冷系统管道内工质均为液化气体随着使用温度的降低，其压力（管道内的应力）也随之降低，处于低温低应力工况。低温管道的破坏方式主要是低温下的脆断，构成低温脆断需有个必要且充分的条件，一是材料低温下脆化，二是有足够的应力，二者缺一不可，所谓低温低应力工况就是容器处于低温环境，但由于介质压力随温度的降低而下降，导致应力低于或等于某个量值（材料常温屈服点的，且

不大于50Mpa时），断裂的推动力过小，也不可能发生脆断，也就是说属于低温低应力工况的容器，可不按低温容器对待，可不使用压力容器用低温钢，其设计温度可按使用温度与50℃的代数和。

根据氨制冷系统几十年的实际应用结果以及GB50316-2000《工业金属管道设计规范》和JB/T4750-2003《制冷装置压力容器》中对低温低应力所下的定义，下面我们对制冷系统低温压力管道部分在实际运行中的应力进行计算。

1．JB/T4750-2003《制冷装置用压力容器》3.5.1.2低压侧设计温度中规定，当使用温度低于0℃，若使用温度下一次总体薄膜应力小于或等于材料常温屈服点的，且不大于50Mpa时，则设计温度取使

用温度与50℃的代数和。

当按上述办法得到的设计温度不低于0℃且不高于38℃时其设计温度最终按38℃选取。

2．在食品加工行业，氨制冷系统中的蒸发温度一般在-10℃～﹣45℃范围之内。 3．在氨制冷系统内使用的无缝钢管一般在φ10～φ273范围内。 4．根据JB/T4750-2003《制冷装置用压力容器》中应力的计算公式： ??????????????????（1） 式中：δt——试验压力下圆筒的应力[Mpa] Di——圆筒内直径[mm] PT——试验压力[Mpa] δe——圆筒的有效厚度[mm] δe=δa-C1-C2 φ——圆筒的焊接接头系数。见表3 δa——圆筒的名义厚度[mm] C1——腐蚀裕度，碳素钢和低合金钢取C2≤1 mm，奥体不锈钢当介质的腐蚀性极微时取C2=0 mm。 C2——壁厚减薄量。见表2 表1 氨制冷系统常用蒸发温度加50℃后的温度 蒸发温度 加50℃后的温度 -20℃ 30℃ -25℃ 25℃ -30℃ 20℃ -35℃ 15℃ -40℃ 10℃ -45℃ 5℃ 从上表中可看出从-20℃到-45℃，加上50℃以后的代数和均不低于0℃且不高于38℃，所以其设计温度均按38℃取PT=1.470Mpa。

a）采用φ38×2.5无缝钢管：

C1=0 C2=0.25（2.5×10%=0.25） δe=2.5-0.25=2.25 20号碳素钢屈服应力=

10号碳素钢屈服应力=

16MnR 屈服应力=

40.8 ∴ 34

＞14.4＜50MPa

b）采用φ108×4 C2=0.7（7×10%=0.7）

40.8 34

c）采用φ133×4

d）采用φ159×4.5 采用φ159×6

e）采用φ219×6 采用φ219×8

C2=0.6（6×10%=0.6）

f）采用φ273×7.0无缝钢管 采用φ273×8无缝钢管

C2=0.7（7×10%=0.7） 40.8

＞38.8＜50MPa

34＜38.8＜50MPa

＞26.5＜50MPa

g）采用φ325×8 采用φ325×10

根据以上对ф38～ф273管道应力计算（蒸发温度在t0=-20～-45℃），其管内工作应力在14.4～38.8Mpa范围之内，20号碳素钢管从ф38～ф273其应力均满足低温低应力条件，10号碳素钢从ф38～ф

133满足低温低应力条件，而ф159以上管应对应力进行计算，超出低温低应力范围的可通过增加壁厚来满足低温应力的条件。见表4。 表4 几种常用无缝钢管在低温低应力工况下的应力 管径 ф38×2.5 ф108×4 ф133×4 ф159×4.5 ф159×6 ф219×6 ф219×8 ф273×7 ф273×8 ф325×8 ф325×10 工作应力MPa 14.4 26.5 32.8 35 26 36 26.8 38.8 33.7 40.3 31.5 10号碳素钢 √ √ √ × √ × √ × √ × √ 20号碳素钢 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ 注：表中“√”表示满足低温低应力条件，“×”不满足低温低应力条件。 表2 无缝钢管厚度负偏差C1值 管子种类 碳素钢和低合金钢 壁厚（mm） 冷拔 热轧 冷拔 不锈钢 热轧 ＞1.0～3.0 3～20 ＞1.0～3.0 3.0 ≤10 ＞10 负偏差 普通级 10% 12.5% 15% 10% 15% 20% 高级 10% 12.5% 10% 10% 12.5% 15% 注：本表数据符合GB8163-87、GB2270-80和GB9948-88标准规定厚度允许偏差，采用高级精度的钢管应在订货时注明。

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