论文部分内容阅读
摘 要：针对深冷设备YT-20型焦炉气制天然气液化冷箱2016年3月份泄露的故障现象，通过分析、判断，最终找到了引起冷箱内混合制冷剂泄漏故障的原因，并从检修和日常管理等方面提出了技术性改进建议。
关键词：深冷设备;冷箱;混合制冷剂;内部泄漏
中图分类号： TQ116.34 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2017）01-166-2
1 设备简介
河南京宝新奥新能源有限公司YT-20型焦炉气制天然气液化冷箱深冷设备由四川空分设备（集团）有限责任公司设计、制造。原料天然气流量809kmol/h，混合剂流量2254kmol/h，液化LNG产量540kmol/h，原料天然气压力1.82MPa，混合制冷剂压力2.8MPa，液化LNG压力0.4MPa。于2013年9月建成投产，各项技术参数均达到设计指标。在设备运行期间考虑到冷箱的特殊性，故每次大修和日常维护期间都对冷箱视为重点。而在2016年3月份的制冷剂补充量有所增加，并且补充量成逐渐上升趋势，取样化验分析发现冷箱内部有重组分，经分析断定冷箱内部混合制冷剂管道发生泄漏。
2 流程简介
混合制冷液化流程简称MRC，即Mixed Refrigerant Cycle.MRC是以C1和C5的碳氢化合物及N2等五种以上的多组分混合制冷剂为工质，进行逐级的冷凝、蒸发、节流膨胀得到不同温度水平的制冷量，以达到逐步冷却和液化天然气的目的。MRC既达到类似级联式液化流程的目的，又克服了其系统复杂的缺点。
冷箱实际上是铝板翅式换热器加上钢壳保温箱。核心部分是铝板翅式换热器，设计和制造的难点易在于此。多股持压的物流在其中按化工工艺条件和参数进行复杂的、有相变的换热过程，其操作温度一般为+30℃至-196℃，最高操作压力约为5MPa。
冷箱技术关键有三个方面：一是正确、精密的板翅式换热器原件设计;二是专用制造技术和严谨的工艺程序;三是严格的质量监控和先进的测试技术。
河南京宝新奥新能源有限公司YT-20型焦炉气制天然气液化冷箱中混合制冷剂包括五种组分：分别是氮气（N2/12.99%）、甲烷（CH4/37.67%）、乙烯（C2H4/25.15%）、丙烷（C3H8/16.10%）、异戊烷（i-C5H12/8.09%）。
冷箱制冷剂系统隔离：关闭离心机入口大阀，关闭一段、二段防喘振前后手阀，二级液相制冷剂去冷箱、二级气相制冷剂去冷箱阀后加盲板，关闭一级液相制冷剂进冷箱阀门及一段入口分离器加热管线阀门。
冷箱制冷剂管道置换：利用制冷剂补氮气阀门向制冷剂系统冲压，从二级气相进冷箱管线导淋、二级液相进冷箱管线导淋、离心机入口分离器底部导淋及冷箱内部混冷高温分离器和混冷低温分离器底部放空泄压。
3 故障现象
2016年3月在日常的维护检修中发现，冷箱有异常现象发生。
①制冷剂补充液量加大;
②经分析化验发现冷箱内有重组分;
③冷箱外部阀门及法兰连接处有结冰现象;
④冷箱内部测温点温度有异常;
⑤冷箱底部有积液微量漏出。
冷箱的所有异常的表现引起了工艺和设备人员的高度重视，设备部门有关领导组织维修人员，开始逐步的查找原因。经过图纸结合实际观察分析确定，是冷箱内部混合制冷剂管道泄露所制。
4 查找漏点
冷箱内部制冷剂管道泄露的事实一经确定，设备部领导班子召开紧急会议，研究查漏、除漏的处理方案。
首先，公司领导组织了冷箱除漏小组，针对提出的冷箱壁打孔寻找漏点的方案进行深入讨论，寻找漏电的原理是：通过冷箱壁打孔观察内部珠光砂的物理状态情况，再结合冷箱图纸来判断冷箱内部混合制冷剂漏点的部位。其次，领导小组针对冷箱壁打孔存在的危险进行了充分的考察论证，最终确定冷箱壁打孔存在的危险是在可控范围之内的：保证冷箱内部处于正压状态，做好防爆消防防护措施，即使冷箱内部可燃气体引燃也不会发生爆炸，配备相应的灭火器可以即时的把火扑灭。综上所述，冷箱壁打孔寻找漏点的方案是相对安全可行的。除漏的方案确定后，领导小组就积极的组织检修人员，对冷箱内部漏点部位进行查找、确定，其次确定漏点部位后，根据漏点情况用什么有效的快速处理方法，尽最大可能减少停车除漏的时间，使停车损失减少到最小。
按照传统的冷箱泄露处理方法，在对冷箱检修期间，全厂要停车把冷箱切出，对冷箱内的珠光砂进行彻底清除，经置换合格后检修人员方可从人孔进入，对制冷剂管道进行一一排查，找出漏点确定处理方案。
经过公司领导及设备、工艺工程师的缜密讨论，公司决定采用边生产边查漏的方案。具体方案是：在安全部门及公司领导的监督下，检修工用磁力钻（钻头Φ16mm）在冷箱的可疑部位钻孔，从冷箱高层向下钻孔排查，通过钻孔观察冷箱该层内部珠光砂的状态来判断漏点部位（混合制冷剂中异戊烷是液态，如果该层珠光砂抱团，说明该处存在漏点）。
在该方案实施前应先做到检修前确认：
①确认冷箱开始检修前，工艺处理已经完成，阀门已经确认完毕，盲板已安装完成，置换完成，压力已排至0;
②确认条件，工具准备齐全，如：垫片、盲法兰、冷箱堵头、检漏工具、各种型号扳手，备用螺栓、吊葫芦等足够;
③确认踏板牢固可靠，作业票办理完整，安全防护措施落实到位，劳保用品穿戴齐全，作业必须使用防爆工具;
④确认检修项目负责人、人员分组情况、小组人员已确定，分工明确。 5 漏点确定及处理
检修及工艺人员经过对冷箱的逐层钻孔分析，通过图纸结合冷箱实际情况逐步分析推断。在距冷箱顶部6米处冷箱中珠光砂出现抱团现象，初步判断漏点位置，在该层多次钻孔观察确定漏点位置。领导及参加维修人员积极提出处理意见，对漏点处周围处进行连续钻孔，然后用直径Φ8mmx3长度分为1.7m、1.4m、0.8m的钢管，对漏点四周不同深度打入发泡剂筑成一个密闭空间，把漏点处隔离出来。在对应的漏点处开一个人孔，进入发泡剂隔离的空间查找漏点出的准确位置。见图1（冷箱夹层中存有易燃易爆气体，在此期间要特别注意随时检测周围气体的成分，并随身携带可燃气体报警仪，所有工具均符合防爆标准。）
在隔离的漏点处人孔打开后，检修人员穿戴氧气呼吸器从人孔进入隔离空间内，查找漏点具体位置。经检修人员的细心检查，在混冷高温分离器出口，Φ125mm×5的弯管拐角处发现漏点，漏点直径有1.0mm左右。漏点直径计算过程如下：
制冷剂每天泄露补充量：M=1500kg
（补充的液态混合制冷剂主要成分为异戊烷和丙烷，也有少量的乙烯溶入丙烷和异戊烷中，但溶入量很少计算时可忽略不计。）
（在混合制冷剂中丙烷和异戊烷体积比为1：1）
ρ丙烷=600kg·m-3 ρ异戊烷=650 kg·m-3 ρ混=625 kg·m-3
每天混合制冷剂泄露体积：V=M/ρ混=2.4m3
每秒泄漏量：Q=0.000028m3
混合制冷剂泄露前压力：P1=300kPa
混合制冷剂泄露后压力：P2=0.5kPa（计算时可忽略不计）
混合制冷剂泄露前流速可看做零：μ1=0
混合制冷剂泄漏时流速由伯努利方程代入已知数据可得：
gz1+μ12/2+P1/ρ混+ωe=gz2+μ22/2+P2/ρ混
μ2=30.98m/s
漏洞截面积：S=Q/μ2 S=π·R2
漏洞直径：d=R=0.00107m
考虑到冷箱内易燃易爆气体的复杂危险性，公司有关领导及工程师决定，使用抱箍带压堵漏的处理方案。
6 原因分析
①在DN125的混合制冷剂主管弯头拐角处有一溶洞沙眼，此洞是安装过程中遗留的缺陷，而在检漏过程中该缺陷并没有表现出来。经过将近3年的运行，小沙眼变成足以破坏运行工况的小洞口。当设备正常运行时，混合制冷剂由小沙眼漏出。
②泄露处位置所制，漏点刚好处于弯管拐角处，正是混合制冷剂改变方向与弯管着力处。弯管拐角处正是受力点，混合制冷剂对弯管拐角处的摩擦力较大，从而增加了管壁的磨损，导致弯管处泄露。
③管道弯管本身质量所制，弯管在焊接出厂时本身就存在缺陷，在所处环境发生变化时缺陷表现出来，就产生了制冷剂泄露。
7 经验与结论
通过对冷箱内泄露故障的处理，深刻认识到深冷设备从设计、安装、调试到正式投入运行以及正常运行期间的维护保养，都是一项严谨细致的工作，在以后的生产过程中应注意以下几个方面：
①设备安装、做质检气密性实验时，用户都要全程跟踪调查。
②无论设备检修还是验收时，都要逐项检查，不留任何死角。
③冷箱密封要严实，其内部密封气要保持正压，防止空气进入冷箱内部，这样会使冷箱环境发生变化，影响设备状态。
④在日常工艺操作过程中，严格遵守操作规程，严格控制各项工艺技术参数，尤其是各项控制点处温度、压力不能发生骤变，操作要缓慢。
我公司对深冷设备LNG冷箱故障的检修，与以往传统的检修方式有很大的区别，在处理故障的方案上有技术性的创新。冷箱避打孔是存在很大的安全隐患，但经过技术性论证：只要冷箱内部保持正压，内部氧含量控制在安全范围之内，安全防范措施到位，即使所存在的安全隐患也在可控范围内，所以冷箱壁打孔寻找漏点的处理方案是可行的。其次在处理故障时前期工作比较漫长，在大修停车前准备工作历时近两个月之久。但从检修回复生产的时间上来说，我公司对冷箱的检修方案确实是个大胆的技术性创新，冷箱内部除漏到恢复生产仅仅用了三天时间，为大修快速恢复生产争取到了最短的时间。
此次检修冷箱除漏方案，不仅为公司减少了近百万元的经济损失，而且取得了很大的技术性创新，有很多地方值得借鉴。我公司的这次冷箱内部混合制冷剂泄露处理方案，为以后处理冷箱内部泄露积累了宝贵的经验。
关键词：深冷设备;冷箱;混合制冷剂;内部泄漏
中图分类号： TQ116.34 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2017）01-166-2
1 设备简介
河南京宝新奥新能源有限公司YT-20型焦炉气制天然气液化冷箱深冷设备由四川空分设备（集团）有限责任公司设计、制造。原料天然气流量809kmol/h，混合剂流量2254kmol/h，液化LNG产量540kmol/h，原料天然气压力1.82MPa，混合制冷剂压力2.8MPa，液化LNG压力0.4MPa。于2013年9月建成投产，各项技术参数均达到设计指标。在设备运行期间考虑到冷箱的特殊性，故每次大修和日常维护期间都对冷箱视为重点。而在2016年3月份的制冷剂补充量有所增加，并且补充量成逐渐上升趋势，取样化验分析发现冷箱内部有重组分，经分析断定冷箱内部混合制冷剂管道发生泄漏。
2 流程简介
混合制冷液化流程简称MRC，即Mixed Refrigerant Cycle.MRC是以C1和C5的碳氢化合物及N2等五种以上的多组分混合制冷剂为工质，进行逐级的冷凝、蒸发、节流膨胀得到不同温度水平的制冷量，以达到逐步冷却和液化天然气的目的。MRC既达到类似级联式液化流程的目的，又克服了其系统复杂的缺点。
冷箱实际上是铝板翅式换热器加上钢壳保温箱。核心部分是铝板翅式换热器，设计和制造的难点易在于此。多股持压的物流在其中按化工工艺条件和参数进行复杂的、有相变的换热过程，其操作温度一般为+30℃至-196℃，最高操作压力约为5MPa。
冷箱技术关键有三个方面：一是正确、精密的板翅式换热器原件设计;二是专用制造技术和严谨的工艺程序;三是严格的质量监控和先进的测试技术。
河南京宝新奥新能源有限公司YT-20型焦炉气制天然气液化冷箱中混合制冷剂包括五种组分：分别是氮气（N2/12.99%）、甲烷（CH4/37.67%）、乙烯（C2H4/25.15%）、丙烷（C3H8/16.10%）、异戊烷（i-C5H12/8.09%）。
冷箱制冷剂系统隔离：关闭离心机入口大阀，关闭一段、二段防喘振前后手阀，二级液相制冷剂去冷箱、二级气相制冷剂去冷箱阀后加盲板，关闭一级液相制冷剂进冷箱阀门及一段入口分离器加热管线阀门。
冷箱制冷剂管道置换：利用制冷剂补氮气阀门向制冷剂系统冲压，从二级气相进冷箱管线导淋、二级液相进冷箱管线导淋、离心机入口分离器底部导淋及冷箱内部混冷高温分离器和混冷低温分离器底部放空泄压。
3 故障现象
2016年3月在日常的维护检修中发现，冷箱有异常现象发生。
①制冷剂补充液量加大;
②经分析化验发现冷箱内有重组分;
③冷箱外部阀门及法兰连接处有结冰现象;
④冷箱内部测温点温度有异常;
⑤冷箱底部有积液微量漏出。
冷箱的所有异常的表现引起了工艺和设备人员的高度重视，设备部门有关领导组织维修人员，开始逐步的查找原因。经过图纸结合实际观察分析确定，是冷箱内部混合制冷剂管道泄露所制。
4 查找漏点
冷箱内部制冷剂管道泄露的事实一经确定，设备部领导班子召开紧急会议，研究查漏、除漏的处理方案。
首先，公司领导组织了冷箱除漏小组，针对提出的冷箱壁打孔寻找漏点的方案进行深入讨论，寻找漏电的原理是：通过冷箱壁打孔观察内部珠光砂的物理状态情况，再结合冷箱图纸来判断冷箱内部混合制冷剂漏点的部位。其次，领导小组针对冷箱壁打孔存在的危险进行了充分的考察论证，最终确定冷箱壁打孔存在的危险是在可控范围之内的：保证冷箱内部处于正压状态，做好防爆消防防护措施，即使冷箱内部可燃气体引燃也不会发生爆炸，配备相应的灭火器可以即时的把火扑灭。综上所述，冷箱壁打孔寻找漏点的方案是相对安全可行的。除漏的方案确定后，领导小组就积极的组织检修人员，对冷箱内部漏点部位进行查找、确定，其次确定漏点部位后，根据漏点情况用什么有效的快速处理方法，尽最大可能减少停车除漏的时间，使停车损失减少到最小。
按照传统的冷箱泄露处理方法，在对冷箱检修期间，全厂要停车把冷箱切出，对冷箱内的珠光砂进行彻底清除，经置换合格后检修人员方可从人孔进入，对制冷剂管道进行一一排查，找出漏点确定处理方案。
经过公司领导及设备、工艺工程师的缜密讨论，公司决定采用边生产边查漏的方案。具体方案是：在安全部门及公司领导的监督下，检修工用磁力钻（钻头Φ16mm）在冷箱的可疑部位钻孔，从冷箱高层向下钻孔排查，通过钻孔观察冷箱该层内部珠光砂的状态来判断漏点部位（混合制冷剂中异戊烷是液态，如果该层珠光砂抱团，说明该处存在漏点）。
在该方案实施前应先做到检修前确认：
①确认冷箱开始检修前，工艺处理已经完成，阀门已经确认完毕，盲板已安装完成，置换完成，压力已排至0;
②确认条件，工具准备齐全，如：垫片、盲法兰、冷箱堵头、检漏工具、各种型号扳手，备用螺栓、吊葫芦等足够;
③确认踏板牢固可靠，作业票办理完整，安全防护措施落实到位，劳保用品穿戴齐全，作业必须使用防爆工具;
④确认检修项目负责人、人员分组情况、小组人员已确定，分工明确。 5 漏点确定及处理
检修及工艺人员经过对冷箱的逐层钻孔分析，通过图纸结合冷箱实际情况逐步分析推断。在距冷箱顶部6米处冷箱中珠光砂出现抱团现象，初步判断漏点位置，在该层多次钻孔观察确定漏点位置。领导及参加维修人员积极提出处理意见，对漏点处周围处进行连续钻孔，然后用直径Φ8mmx3长度分为1.7m、1.4m、0.8m的钢管，对漏点四周不同深度打入发泡剂筑成一个密闭空间，把漏点处隔离出来。在对应的漏点处开一个人孔，进入发泡剂隔离的空间查找漏点出的准确位置。见图1（冷箱夹层中存有易燃易爆气体，在此期间要特别注意随时检测周围气体的成分，并随身携带可燃气体报警仪，所有工具均符合防爆标准。）
在隔离的漏点处人孔打开后，检修人员穿戴氧气呼吸器从人孔进入隔离空间内，查找漏点具体位置。经检修人员的细心检查，在混冷高温分离器出口，Φ125mm×5的弯管拐角处发现漏点，漏点直径有1.0mm左右。漏点直径计算过程如下：
制冷剂每天泄露补充量：M=1500kg
（补充的液态混合制冷剂主要成分为异戊烷和丙烷，也有少量的乙烯溶入丙烷和异戊烷中，但溶入量很少计算时可忽略不计。）
（在混合制冷剂中丙烷和异戊烷体积比为1：1）
ρ丙烷=600kg·m-3 ρ异戊烷=650 kg·m-3 ρ混=625 kg·m-3
每天混合制冷剂泄露体积：V=M/ρ混=2.4m3
每秒泄漏量：Q=0.000028m3
混合制冷剂泄露前压力：P1=300kPa
混合制冷剂泄露后压力：P2=0.5kPa（计算时可忽略不计）
混合制冷剂泄露前流速可看做零：μ1=0
混合制冷剂泄漏时流速由伯努利方程代入已知数据可得：
gz1+μ12/2+P1/ρ混+ωe=gz2+μ22/2+P2/ρ混
μ2=30.98m/s
漏洞截面积：S=Q/μ2 S=π·R2
漏洞直径：d=R=0.00107m
考虑到冷箱内易燃易爆气体的复杂危险性，公司有关领导及工程师决定，使用抱箍带压堵漏的处理方案。
6 原因分析
①在DN125的混合制冷剂主管弯头拐角处有一溶洞沙眼，此洞是安装过程中遗留的缺陷，而在检漏过程中该缺陷并没有表现出来。经过将近3年的运行，小沙眼变成足以破坏运行工况的小洞口。当设备正常运行时，混合制冷剂由小沙眼漏出。
②泄露处位置所制，漏点刚好处于弯管拐角处，正是混合制冷剂改变方向与弯管着力处。弯管拐角处正是受力点，混合制冷剂对弯管拐角处的摩擦力较大，从而增加了管壁的磨损，导致弯管处泄露。
③管道弯管本身质量所制，弯管在焊接出厂时本身就存在缺陷，在所处环境发生变化时缺陷表现出来，就产生了制冷剂泄露。
7 经验与结论
通过对冷箱内泄露故障的处理，深刻认识到深冷设备从设计、安装、调试到正式投入运行以及正常运行期间的维护保养，都是一项严谨细致的工作，在以后的生产过程中应注意以下几个方面：
①设备安装、做质检气密性实验时，用户都要全程跟踪调查。
②无论设备检修还是验收时，都要逐项检查，不留任何死角。
③冷箱密封要严实，其内部密封气要保持正压，防止空气进入冷箱内部，这样会使冷箱环境发生变化，影响设备状态。
④在日常工艺操作过程中，严格遵守操作规程，严格控制各项工艺技术参数，尤其是各项控制点处温度、压力不能发生骤变，操作要缓慢。
我公司对深冷设备LNG冷箱故障的检修，与以往传统的检修方式有很大的区别，在处理故障的方案上有技术性的创新。冷箱避打孔是存在很大的安全隐患，但经过技术性论证：只要冷箱内部保持正压，内部氧含量控制在安全范围之内，安全防范措施到位，即使所存在的安全隐患也在可控范围内，所以冷箱壁打孔寻找漏点的处理方案是可行的。其次在处理故障时前期工作比较漫长，在大修停车前准备工作历时近两个月之久。但从检修回复生产的时间上来说，我公司对冷箱的检修方案确实是个大胆的技术性创新，冷箱内部除漏到恢复生产仅仅用了三天时间，为大修快速恢复生产争取到了最短的时间。
此次检修冷箱除漏方案，不仅为公司减少了近百万元的经济损失，而且取得了很大的技术性创新，有很多地方值得借鉴。我公司的这次冷箱内部混合制冷剂泄露处理方案，为以后处理冷箱内部泄露积累了宝贵的经验。