液氮管道內(nèi)壓力超過材料設(shè)計閾值時，會引發(fā)塑性變形或脆性破裂。例如，304 不銹鋼管道在 20℃時抗拉強(qiáng)度約 520MPa，但低溫環(huán)境下（-196℃）雖強(qiáng)度提升，韌性會下降，若壓力超過設(shè)計值（如 3.2MPa），焊縫或彎頭處易產(chǎn)生應(yīng)力集中破裂。2019 年某化工企業(yè)因液氮泵故障導(dǎo)致管道壓力驟升至 4.5MPa，引發(fā) 316L 管道焊縫撕裂，液氮泄漏形成爆沸氣云。
壓力波動會破壞管道接口的密封平衡。法蘭連接中，金屬墊片在持續(xù)高壓下會產(chǎn)生塑性形變，當(dāng)壓力波動超過 0.5MPa / 分鐘時，墊片回彈能力不足導(dǎo)致泄漏。某醫(yī)療實驗室曾因壓力調(diào)節(jié)閥故障，使管道壓力在 5 分鐘內(nèi)從 0.3MPa 驟升至 1.2MPa，聚四氟乙烯密封墊因應(yīng)力松弛失效，造成液氮泄漏至實驗室。
安全閥開啟壓力需嚴(yán)格匹配設(shè)計壓力（通常為工作壓力 1.1 倍），若壓力設(shè)定過低會頻繁泄壓，導(dǎo)致液氮浪費；設(shè)定過高則無法及時泄壓。例如，某 LNG 儲罐管道安全閥因誤調(diào)至 3.5MPa（設(shè)計壓力 2.5MPa），在壓力驟升時未啟動，最終引發(fā)管道鼓包泄漏。
碳鋼在 - 40℃以下會出現(xiàn) “冷脆” 現(xiàn)象，當(dāng)溫度降至 - 196℃（液氮沸點）時，沖擊吸收功可從 20℃的 200J 驟降至 20J 以下，極易發(fā)生脆性斷裂。因此，液氮管道必須采用奧氏體不銹鋼（如 304L）或鋁合金（5083-H112），其在 - 196℃時仍保持≥150J 的沖擊韌性（GB/T 229-2020 標(biāo)準(zhǔn)）。
管道從常溫（25℃）降至 - 196℃時，304 不銹鋼的線膨脹系數(shù)約為 16.9×10??/℃，10 米管道冷縮量可達(dá) 32mm。若未設(shè)置補(bǔ)償器（如 Ω 型膨脹節(jié)），軸向應(yīng)力可超過材料屈服強(qiáng)度（205MPa），導(dǎo)致支架撕裂或法蘭偏移。某食品冷凍車間因未安裝膨脹節(jié)，首次降溫時管道彎頭處產(chǎn)生 1.2mm 裂紋，引發(fā)液氮噴射。
當(dāng)管道絕熱層破損（如聚氨酯泡沫受潮），外界熱量侵入會使液氮氣化，體積膨脹 696 倍，導(dǎo)致壓力驟升。實驗數(shù)據(jù)顯示，1 立方米液氮完全氣化可使 10 立方米密閉空間壓力升高 7MPa。2022 年某生物樣本庫因管道絕熱層老化，日均蒸發(fā)量從 5L 升至 30L，最終導(dǎo)致儲存罐壓力超壓報警。
溫度升高→液氮氣化→壓力上升→若泄壓不及時→溫度進(jìn)一步升高（氣化吸熱效應(yīng)減弱），形成惡性循環(huán)。某半導(dǎo)體廠液氮管道因閥門結(jié)冰卡滯，導(dǎo)致 30 米管段密閉，日照升溫使管內(nèi)壓力從 0.6MPa 升至 2.1MPa，最終法蘭螺栓斷裂泄漏。
- 材料選型：嚴(yán)格遵循 ASME B31.3，低溫段采用 316L 不銹鋼（-196℃許用應(yīng)力 117MPa），焊接后進(jìn)行 - 196℃低溫沖擊試驗（沖擊功≥47J）。
- 壓力溫度聯(lián)動監(jiān)控：部署 PID 智能控制系統(tǒng)，當(dāng)溫度高于 - 180℃時自動啟動液氮補(bǔ)充，壓力超過 1.1 倍設(shè)計值時聯(lián)動開啟安全閥與噴淋降溫。
- 絕熱與補(bǔ)償設(shè)計：采用雙層真空絕熱（夾層真空度≤10?3Pa），每 50 米設(shè)置軸向型波紋補(bǔ)償器（補(bǔ)償量≥50mm），并外包防潮鋁皮（水蒸氣透過率≤5g/㎡?24h）。
根據(jù)《壓力管道規(guī)范 - 工業(yè)管道》（GB/T 20801-2020），液氮管道屬 GC2 級，需滿足：
- 壓力試驗：水壓試驗為 1.5 倍設(shè)計壓力，保壓 30 分鐘無泄漏；
- 溫度監(jiān)控：每 10 米設(shè)置鉑電阻溫度計（精度 ±0.5℃），數(shù)據(jù)接入 DCS 系統(tǒng)；
- 應(yīng)急預(yù)案：配備液氮泄漏專用檢測儀（檢測下限 100ppm），人員需穿戴 - 200℃級低溫防護(hù)服（斷裂強(qiáng)度≥40N）。
液氮管道的安全本質(zhì)是 “壓力 - 溫度 - 材料” 的動態(tài)平衡管理。通過低溫材料韌性優(yōu)化、壓力溫度耦合監(jiān)控及絕熱補(bǔ)償系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計，結(jié)合 GB/T 20801 與 ASME B31.3 的雙重標(biāo)準(zhǔn)管控，可將泄漏風(fēng)險降至 10??次 / 小時以下。企業(yè)需建立壓力 - 溫度關(guān)聯(lián)的預(yù)測性維護(hù)模型，利用振動傳感器與紅外熱像儀實現(xiàn)隱患早期預(yù)警，從根本上保障低溫流體輸送安全。
