液氮管道在低温输送过程中，因管道外壁与环境空气存在剧烈温差，极易导致空气中的水分凝结成冰。这种结冰现象不仅会增加管道热损失、降低输送效率，更可能引发管道冻胀破裂、阀门卡滞等安全隐患。本文系统梳理液氮管道结冰的成因与危害，从材料选择、系统设计到运行维护，提供一套完整的防结冰技术方案。
一、结冰机理与危害分析
液氮（-196℃）在管道内流动时，管道外壁温度通常低于 - 100℃，当环境空气湿度超过 60%
时，水分会在管道表面迅速凝结为霜层，随时间累积形成冰层。其危害主要体现在三个方面：
- 热损失加剧：1mm 厚的冰层会使管道热流密度增加 30%，导致液氮蒸发率提升
15%-20%
- 结构损伤风险：冰层膨胀产生的径向压力可达 0.5MPa，可能造成管道接口密封失效
- 系统故障隐患：阀门与法兰处的结冰会导致操作卡滞，极端情况下引发管道爆裂（尤其在室外低温环境中）
![图 1：液氮管道结冰过程示意图](图片位置提示：左侧为正常管道截面，标注 "绝热层 - 管道 -
液氮"；右侧为结冰状态，标注 "冰层（厚度 5-10mm）- 结霜层 - 冷凝水路径"，中间用箭头指示 "湿度＞60%
时的水分迁移"）
二、防结冰设计的核心技术参数
2.1 绝热材料性能对比
管道绝热是防结冰的第一道防线，不同材料的隔热性能直接影响结冰概率：
注：数据基于 GB/T 10294-2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定
防护热板法》
2.2 关键设计指标
- 绝热层厚度：根据环境温度计算，当环境湿度＞70%
时，真空绝热层厚度需≥50mm，聚氨酯泡沫需≥100mm
- 管道温差控制：外壁温度应高于环境露点温度 5℃以上（例如环境湿度 60%、温度 25℃时，露点为
15.8℃，管道外壁需≥21℃）
- 压力降限制：液氮流速控制在
8-12m/s，压力降≤0.1MPa/100m，避免湍流产生的局部低温区
三、全流程防结冰技术方案
3.1 系统设计阶段优化
尽量缩短外露管道长度，避开空调出风口、门窗等湿度波动大的区域。采用 "低进高出" 的敷设方式，在管道最低点设置排水阀（如图
2 所示），定期排放冷凝水。
![图 2：液氮管道排水系统示意图](图片位置提示：主管道呈 5°
倾斜，底部安装带保温层的手动排水阀，旁通管连接自动疏水器，标注 "排水周期：每日一次"）
采用 "真空夹层 + 气凝胶" 复合绝热结构：内层真空夹层（真空度≤10?3Pa）阻断热传导，外层 20mm
气凝胶毡吸收渗透热量，最外层包裹铝箔反射层（反射率＞95%）。法兰连接处使用可拆式绝热套，确保密封面温度＞0℃。
在液氮储罐出口安装吸附式干燥器，将气体露点降至 -
70℃以下（含水量≤0.005g/m3）。干燥器采用双塔交替工作模式，再生周期设置为 8
小时，确保持续除湿效果。
3.2 运行过程控制
沿管道每隔 5 米布置一个铂电阻温度传感器（精度 ±0.1℃），实时监测外壁温度。当温度低于露点温度
2℃时，自动启动伴热系统（采用自限温电伴热带，功率 20W/m）。
通过变频泵控制液氮流量，维持管道内压力稳定在 0.3-0.5MPa。开启阀门时采用渐进式操作（每次开度增加 10%，间隔
30 秒），避免瞬间低温冲击。
管道所在空间安装除湿机，将相对湿度控制在
40%-50%。对于室外管道，加装防雨罩并填充惰性气体（如氮气）形成微正压环境（压力≥50Pa），防止潮湿空气侵入。
3.3 维护与应急处理
- 每周：测量绝热层外表面温度分布，记录温差＞5℃的异常点
- 每月：检测干燥器出口露点，更换吸附剂（当露点＞-60℃时）
发现局部结冰时，立即停止输送，用热风枪（温度≤50℃）缓慢解冻，禁止使用明火加热。结冰厚度＞5mm
时，需排空管道后进行全面检查，更换受损的密封件。
四、典型案例与效果验证
某生物制药车间的液氮输送系统（长度 150m）曾因结冰导致每月停车 2-3
次。通过实施以下改造：
- 将原聚氨酯绝热层更换为真空夹层 + 气凝胶复合结构
改造后实现连续 6 个月无结冰现象，液氮蒸发率从 12% 降至 6.5%，年节约液氮成本约 8
万元。
五、关键注意事项
绝热层施工时需确保无接缝空隙，法兰螺栓涂抹低温润滑脂（工作温度 - 200℃至
150℃）。操作人员必须佩戴低温防护手套，避免直接接触可能结冰的管道部位。
每 2 年进行一次真空夹层漏率检测（漏率≤1×10??Pa?m3/s），每 3
年更换一次干燥器吸附剂。建立管道结冰应急预案，定期开展模拟演练（每年至少 2 次）。
通过设计优化、运行管控与精细维护的三维协同，可实现液氮管道结冰率降低 90%
以上，确保系统长期稳定运行。对于高湿度、长距离的复杂工况，建议采用数字化孪生技术，通过仿真模拟预判潜在结冰风险点，进一步提升防控精度。
