LNG繞管式換熱器的研發(fā)

尹麗艷

（開封空分集團(tuán)有限公司總工辦，河南 開封 475000）

1 概述

繞管式換熱器主要用于大型陸上天然氣液化廠和大型LNG-FPSO（Floating liquefied naturals）工藝進(jìn)行天然氣液化。為了滿足不斷發(fā)展的然氣液化工藝要求，繞管式換熱器的液化能力逐年增大。經(jīng)過40多年的發(fā)展，單體繞管式換熱的液化能力已經(jīng)由最初的100萬噸LNG/年增到780萬噸LNG/年。纏繞管式換熱器用作LNG液化主低溫?fù)Q熱器（MCHE）是其自身的特點(diǎn)決定的：①管內(nèi)介質(zhì)以螺旋方式流動(dòng)，殼程介質(zhì)逆流橫向交叉通過繞管，換熱器層與層之間換熱管反向纏繞，管、殼程介質(zhì)以純逆流方式進(jìn)行傳熱，即使在較低的雷諾數(shù)下其流動(dòng)形態(tài)也為湍流，換熱系數(shù)較高；②多種介質(zhì)共存于一臺(tái)纏繞管式換熱器進(jìn)行傳熱時(shí)，由于其傳熱元件為圓管，纏繞管式換熱器對(duì)不同介質(zhì)之間的壓差和溫差限制要求較小，降低了生產(chǎn)裝置的操作難度，提高了設(shè)備的安全性；③結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊、耐高壓且密封可靠、熱膨脹可自行補(bǔ)償［1］。

但是，目前國內(nèi)廠家還沒有設(shè)計(jì)和制造大型LNG繞管式換熱器的豐富經(jīng)驗(yàn)。大型LNG繞管式換熱器的研究可以填補(bǔ)國內(nèi)先關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的空白，未來有廣闊的應(yīng)用前景。

2 LNG繞管式換熱器研發(fā)技術(shù)方案

由于大型LNG液化工廠的熱負(fù)荷都是數(shù)十乃至數(shù)百兆瓦級(jí)的，繞管式換熱器運(yùn)行于低溫環(huán)境下，目前采用的換熱管材料有兩種：奧氏體不銹鋼和鋁合金。換熱面積2×104m2以下的纏繞管式換熱器換熱管還可以考慮采用薄壁奧氏體不銹鋼材料，2×104m2以上的纏繞管式換熱器換熱管基本上采用鋁合金材料。全奧氏體不銹鋼材料的纏繞管式換熱器設(shè)計(jì)和制造技術(shù)在國內(nèi)較為成熟，并且有很多設(shè)備成功運(yùn)行的案例。大型的LNG繞管換熱器采用奧氏體不銹鋼換熱管設(shè)備的重量過大，給制造帶來了困難，因此大型LNG纏繞管式換熱器考慮采用鋁鎂合金換熱管，為了使鋁鎂合金換熱管成功運(yùn)用于纏繞管式換熱器中，需要開展以下相應(yīng)的研究工作。

2.1 管板與換熱管的連接技術(shù)研究

管板與換熱管的連接技術(shù)

管板的結(jié)構(gòu)形式主要選擇：鋁鎂合金管板和不銹鋼復(fù)合鋁鎂合金復(fù)合層管板，換熱管與管板連接采用如下形式：

a.鋁管板與換熱管連接方式：強(qiáng)度脹接+密封焊；

b.鋁管板與換熱管連接方式：貼脹+強(qiáng)度焊；

c.不銹鋼復(fù)合鋁鎂合金復(fù)合層與換熱管連接方式：強(qiáng)度脹接+密封焊；

采用試驗(yàn)的方式檢驗(yàn)管板與換熱管的連接性能，在研發(fā)過程中對(duì)試件進(jìn)行了以下的試驗(yàn)：

①拉脫試驗(yàn)：對(duì)上述三種連接方式做試驗(yàn)件，對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行拉脫試驗(yàn)，記錄拉脫力數(shù)據(jù)，與換熱管的抗拉強(qiáng)度對(duì)比，驗(yàn)證符合要求的結(jié)構(gòu)型式。

②焊接試驗(yàn)：對(duì)不銹鋼復(fù)合鋁鎂合金復(fù)合層與換熱管的連接方式做一個(gè)打孔的試驗(yàn)件，開孔間隙符合GB151的規(guī)定，換熱管與管板焊接試驗(yàn)。

③低溫試驗(yàn)：管板的復(fù)合技術(shù)研究，在常溫下成形后復(fù)合管板的低溫機(jī)械性能。

針對(duì)拉脫試驗(yàn)結(jié)果，開封空分集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)一臺(tái)試驗(yàn)件樣機(jī)，管程設(shè)計(jì)壓力8.0MPa，殼程設(shè)計(jì)壓力5.0MPa，對(duì)其進(jìn)行水壓試驗(yàn)，驗(yàn)證換熱管與管板的連接方式是否合格。

2.2 換熱管與中心筒的連接方式研究

大型LNG繞管換熱器換熱管采用鋁鎂合金換熱管，中心筒采用不銹鋼材料。換熱管與中心筒無法直接采用鋁墊條固定于中心筒上，為了解決這個(gè)問題，開封空分集團(tuán)有限公司預(yù)采用一種特殊結(jié)構(gòu)，首先第一層墊條采用不銹鋼材料，第一層管子采用鋁鎂合金，第一層管箍采用不銹鋼，將第一層管子固定于第一層墊條之上，第一層管子不作為換熱管使用，作為第二層墊條固定使用。將第二層墊條點(diǎn)焊于第一層管子上面，第二層及以后墊條和管箍采用鋁鎂合金。采用這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)鋁鎂合金換熱管與不銹鋼中心筒的連接。

2.3 大直徑芯體繞制技術(shù)

繞管換熱器在芯體繞制過程中，所有換熱管的重量最后都承載到中心筒上。從第一層管子開始，墊條通過焊接固定在中心筒上，然后第一層繞管依次盤繞在第一層墊條上，并且通過卡箍固定好。第二層及以后各層也是依次通過墊條卡箍連接固定在上一層管束上。

由于換熱管是螺旋狀盤繞在中心筒上，雖然有卡箍、墊條等的固定連接，但是由于存在一定的間隙，所以繞管芯體連接結(jié)構(gòu)是一個(gè)富有彈性的整體。無論是生產(chǎn)過程的水平放置，還是工作狀態(tài)下的垂直放置，所有重量都能均布在各個(gè)聯(lián)接點(diǎn)上。隨著芯體直徑的增加，可以通過增加墊條、卡箍數(shù)量的方法增加芯體的承重能力。但是隨著LNG大型繞管換熱器的發(fā)展，芯體直徑越來越大，由于載荷分布不均勻等原因，芯體內(nèi)部受力會(huì)越來越差。為了改善芯體受力情況，在LNG大型繞管換熱器芯體繞制中增加了第二個(gè)中心筒。芯體總層數(shù)是49層，在纏繞到第35層時(shí)增加第二個(gè)中心筒。通過翼板把兩個(gè)中心筒和殼體連接成為一個(gè)整體。墊條點(diǎn)焊在第二中心筒上，這樣從第36層到第49層的換熱管都依次纏繞在第二中心筒上，可以重新分配墊條位置和數(shù)量，減輕第一層墊條、卡箍所承受的載荷。雖然在制作過程中發(fā)現(xiàn)管端束管不順利等困難，但是通過調(diào)整盤繞起始位置等措施最終使問題都得到了解決。證明該調(diào)節(jié)手段在實(shí)施上的可行性，目前利用這種結(jié)構(gòu)的繞管換熱器已經(jīng)繞制完成一臺(tái)并發(fā)送到用戶現(xiàn)場(chǎng)。

實(shí)驗(yàn)證明，隨著大型LNG繞管換熱器的重量和直徑的增大，我們可以通過增加第二中心筒的辦法均布載荷，重新分配墊條的分布，能夠使大型LNG繞管換熱器在結(jié)構(gòu)上更穩(wěn)定可靠。

2.4 芯體的固定技術(shù)

開封空分集團(tuán)有限公司擁有豐富的不銹鋼繞管換熱器的設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)，公司的工藝攻關(guān)可以滿足目前大型LNG繞管換熱器制造要求，鋁制芯體的固定可以采用專用結(jié)構(gòu)滿足要求。

2.5 鋁制芯體和不銹鋼殼體過渡方法的實(shí)驗(yàn)研究

大型LNG繞管換熱器采用鋁制換熱管，殼體采用不銹鋼材料，鋁制換熱管的束管方式和不銹鋼殼體連接的方法需要進(jìn)行可行性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2.6 檢驗(yàn)技術(shù)研究方案

針對(duì)大型LNG繞管式換熱器，主要從以下幾個(gè)方面對(duì)設(shè)備及其零部件進(jìn)行檢驗(yàn)：

無損檢測(cè)：對(duì)管板、封頭、殼體等主要受壓元件的采購原材料進(jìn)廠后進(jìn)行射線檢測(cè)，對(duì)殼體上的A、B類焊縫進(jìn)行射線檢測(cè)，對(duì)于特殊焊縫不能進(jìn)行100%射線檢測(cè)的，我們對(duì)其進(jìn)行超聲檢測(cè)，以保證設(shè)備焊縫的質(zhì)量。

壓力試驗(yàn)：設(shè)備制作完成后，對(duì)設(shè)備進(jìn)行氣壓試驗(yàn)、水壓試驗(yàn)及氣密性試驗(yàn)。

具體壓力試驗(yàn)方法和試驗(yàn)結(jié)果需要通過采取合適的工藝措施來進(jìn)行保證。

氨檢漏試驗(yàn)和微漏檢查：壓力試驗(yàn)完成后，對(duì)設(shè)備進(jìn)行氨檢漏試驗(yàn)以保證換熱管與管板連接的可靠性，在對(duì)大型LNG繞管換熱器試制初期可以通過微漏檢查來對(duì)氨檢漏試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比和驗(yàn)證。

針對(duì)整個(gè)樣機(jī)的檢驗(yàn)技術(shù)，還需進(jìn)行一些其他的試驗(yàn)，如低溫試驗(yàn)等。通過這些試驗(yàn)，能更好地保證試制樣機(jī)的安全可靠。

［1］浦暉，陳杰.繞管式換熱器在大型天然氣液化裝置中的應(yīng)用及國產(chǎn)化技術(shù)分析［J］.制冷技術(shù)，2011（3）：24-27。