在液氮存儲與供給系統(tǒng)中,壓力管理是穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。液氮在密閉管路中受熱蒸發(fā),體積會急劇膨脹,氣液比約為1:700。如果管路系統(tǒng)沒有合理的泄壓措施,壓力累積達(dá)到承壓極限時(shí),可能導(dǎo)致管路破裂、接頭崩開甚至儲罐損壞。因此,安全閥與爆破片的合理設(shè)置,是液氮管路設(shè)計(jì)和使用中不可或缺的環(huán)節(jié)。
首先要了解管路壓力為什么會異常升高,才能有針對性地設(shè)置防護(hù)。
第一個(gè)原因是熱侵入。即便使用了真空絕熱管,也不可能做到零熱交換。當(dāng)液氮在管路中靜止一段時(shí)間,外部熱量緩慢傳入,部分液氮?dú)饣?,管?nèi)壓力就會逐步上升。特別是在兩段閥門之間截留了液態(tài)氮的情況下,這部分液體受熱膨脹,壓力升高得很快,形成“封閉管段憋壓”。
第二個(gè)原因是操作順序不當(dāng)。比如在補(bǔ)液或供氣過程中,先關(guān)閉了管路兩端的閥門,再停液氮泵,中間的液氮就困在管路里了。隨著管路回溫,壓力迅速上升。這種因操作疏忽造成的憋壓,在實(shí)際工作中并不少見。
第三個(gè)原因是真空失效。真空絕熱管一旦夾層真空度下降,隔熱性能大幅降低,液氮蒸發(fā)量驟增,管內(nèi)壓力會在短時(shí)間內(nèi)沖破設(shè)計(jì)壓力。這種情況需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理,但泄壓裝置必須在緊急時(shí)刻發(fā)揮作用。

安全閥是壓力泄放的主要裝置,其選型和安裝位置需要符合管路系統(tǒng)的實(shí)際流程。對于液氮管路,通常在每個(gè)可能形成封閉憋壓的管段設(shè)置安全閥。具體來說,以下幾處是需要重點(diǎn)考慮的:
儲罐出口管段。儲罐自身雖然有安全閥,但當(dāng)儲罐出口閥門關(guān)閉后,閥門與罐體之間若存有液氮,仍可能形成憋壓。在出口閥門上游加裝安全閥,可以保護(hù)這一段管路。
兩閥門之間的管段。液氮輸送管線上,經(jīng)常會有兩個(gè)閥門串聯(lián)的布局,比如儲罐出口一個(gè)閥,末端用氣點(diǎn)一個(gè)閥。如果兩個(gè)閥門同時(shí)關(guān)閉且管內(nèi)有液氮存留,這段管路就成了封閉空間,必須在管段上設(shè)置安全閥或泄壓閥。
泵出口管路。液氮泵出口到下游閥門之間的管段,同樣容易在停泵后形成憋壓。泵的出口管路建議配置安全閥,壓力設(shè)定應(yīng)略高于泵的額定出口壓力,但低于管路設(shè)計(jì)壓力。
安全閥的整定壓力應(yīng)小于管路或設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力,通常按設(shè)計(jì)壓力的90%左右設(shè)定。安全閥排放口應(yīng)導(dǎo)向室外或安全區(qū)域,不能朝向人員操作通道,避免低溫氮?dú)鈬娚湓斐扇毖趸騼鰝?/p>
爆破片:安全閥的互補(bǔ)裝置
爆破片是一種一次性的壓力泄放裝置,當(dāng)壓力達(dá)到爆破壓力時(shí),金屬膜片瞬間破裂,釋放壓力。它通常作為安全閥的補(bǔ)充或備用,應(yīng)用在以下幾種場合:
管路壓力可能快速攀升的區(qū)段。安全閥的動作速度相對平穩(wěn),如果遇到壓力急劇升高的場景,比如真空夾層突然失效導(dǎo)致大量液氮瞬間氣化,爆破片的響應(yīng)速度更快,能更及時(shí)地卸壓。
安全閥下游需要無泄漏的場合。有些用戶擔(dān)心安全閥的密封面在長期使用后可能出現(xiàn)微漏,就在安全閥前端串聯(lián)一個(gè)爆破片。平時(shí)爆破片保證了零泄漏,安全閥起二級保護(hù)作用。這種串聯(lián)結(jié)構(gòu)在醫(yī)藥、電子等對介質(zhì)純凈度要求較高的行業(yè)比較常見。需要注意的是,安全閥與爆破片之間必須設(shè)置壓力表或排氣口,以監(jiān)測中間腔的壓力,防止腔壓累積導(dǎo)致爆破片異常打開。
腐蝕或易堵塞環(huán)境。如果管路內(nèi)可能存在固體顆?;蛞子诮Y(jié)晶的物質(zhì),安全閥閥芯可能被卡住或堵塞。爆破片的開放面積大,沒有運(yùn)動部件,在這類工況下更為可靠。
安全閥需要定期校驗(yàn),一般每年至少一次,校驗(yàn)內(nèi)容包括開啟壓力、回座壓力和密封性。用于液氮管路的安全閥,在低溫下可能出現(xiàn)彈簧剛度變化或密封面收縮,有條件的話盡量做低溫工況下的校驗(yàn)。
爆破片雖然是一次性使用,但安裝后也需要定期目視檢查,查看膜片是否有腐蝕、變形或夾持部位松動。如果爆破片材質(zhì)是鋁或鎳,需要注意環(huán)境中有沒有會腐蝕膜片的介質(zhì)。爆破片臨近使用壽命或到達(dá)規(guī)定年限,應(yīng)按廠家的建議進(jìn)行預(yù)防性更換。
另外,安全閥和爆破片的排放管道應(yīng)有足夠的通徑,不能隨意縮徑或加裝閥門。排放管出口要防止雨水、雜物進(jìn)入,避免凍結(jié)堵塞。北方地區(qū)尤其要注意排放口的防凍措施,排放管要有一定坡度,防止積水結(jié)冰。
再好的泄壓裝置,也代替不了規(guī)范的操作。操作人員應(yīng)養(yǎng)成切斷管路前先排空管內(nèi)液氮的習(xí)慣,盡量通過放空閥把管段內(nèi)的液體釋放或排至氣相狀態(tài),再關(guān)閉閥門。管線停用時(shí)間較長時(shí),也應(yīng)確認(rèn)管內(nèi)無存液。
制定操作規(guī)程時(shí),可以按“先排液、后關(guān)閥、再停泵”的順序來設(shè)計(jì)步驟,從源頭上減少憋壓的可能。新安裝或檢修后的管路,投用前還要進(jìn)行壓力試驗(yàn),確認(rèn)安全閥和爆破片的設(shè)定值是否正確,排放管路是否暢通。
液氮管路的安全運(yùn)行,最終是靠設(shè)備防護(hù)和人員規(guī)范操作的共同作用。把安全閥和爆破片設(shè)置在需要的位置,定期校驗(yàn),配合正確的開關(guān)閥順序,整個(gè)壓力管理體系就能有效運(yùn)轉(zhuǎn)。