船用高壓LNG繞管式換熱器的設(shè)計(jì)和制造

（湖北迪峰船舶技術(shù)有限公司，武漢 430070）

0 引言

隨著環(huán)境污染日益嚴(yán)重，人們?cè)絹碓疥P(guān)注空氣污染問題。根據(jù)MARPOL公約附則VI的要求，將在全球航運(yùn)界逐步實(shí)施更加嚴(yán)格的NOX和SOX排放規(guī)定。國際上已經(jīng)劃分了多個(gè)排放控制區(qū)（Emission Control Area，ECA），如波羅的海、北海、北美和加勒比海等。國內(nèi)設(shè)立了珠三角、長三角、環(huán)渤海（京津冀）水域船舶排放控制區(qū)[1]。防治空氣污染的目標(biāo)驅(qū)動(dòng)著海事界尋求先進(jìn)的技術(shù)來減少船舶的污染物排放，為此，天燃?xì)馊剂蟿?dòng)力船舶應(yīng)運(yùn)而生，各類船舶開始配套安裝LNG燃料純氣體或雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。

德國MAN公司的MAN B&W ME-GI雙燃料低速二沖程船用柴油機(jī)的供氣壓力達(dá)到30 MPa[2]，為滿足30 MPa主機(jī)供氣要求，在船用高壓供氣系統(tǒng)中設(shè)計(jì)一種高壓LNG換熱器是十分必要的。

與傳統(tǒng)管殼式換熱器相比，繞管式換熱器具有以下優(yōu)點(diǎn)[3]：1）繞管式換熱器產(chǎn)品體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、單位容積傳熱面積大；2）傳熱效率高，相鄰層之間換熱管繞制方向相反，此種結(jié)構(gòu)可改變流體流動(dòng)狀態(tài)，使殼程流體形成湍流流動(dòng)，管內(nèi)介質(zhì)成螺旋狀態(tài)流動(dòng)，可強(qiáng)化傳熱；3）熱補(bǔ)償好，管束兩端均有一定自由段，可自行膨脹，管束熱膨脹應(yīng)力?。?）換熱管內(nèi)操作壓力高，最高設(shè)計(jì)壓力可達(dá) 33 MPa；5）一臺(tái)換熱器可以實(shí)現(xiàn)多種介質(zhì)同時(shí)換熱。

但由于自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，繞管式換熱器也存在一些缺點(diǎn)，主要如下：1）換熱管直徑較小，易造成換熱管堵塞，管程介質(zhì)須具備高的潔凈度；2）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造和檢修較困難；3）清洗較難，通常選用化學(xué)方法清洗。

在船用高壓LNG供氣系統(tǒng)中，換熱設(shè)備有如下特點(diǎn)：高壓、低溫、介質(zhì)潔凈、介質(zhì)進(jìn)出口溫差大。根據(jù)上述對(duì)繞管式換熱器優(yōu)缺點(diǎn)的分析，可知其應(yīng)用于LNG船舶領(lǐng)域是合理的選擇。

1 船用高壓繞管式換熱器的參數(shù)、選材與制造

高壓繞管式換熱器的主要制造難點(diǎn)在于換熱管管束的繞制以及換熱管與管板的焊接。整個(gè)制造環(huán)節(jié)包含如下內(nèi)容：換熱器的參數(shù)選定、選材、管束的繞制、換熱管與管板焊接、筒體制造、零部件焊接、無損檢測(cè)和壓力試驗(yàn)等。

1.1 換熱器的參數(shù)選定

殼程介質(zhì)為水/乙二醇溶液，管程介質(zhì)為高壓LNG或高壓NG。

管程工作壓力為30 MPa，管程設(shè)計(jì)壓力為33 MPa；管程工作溫度為?162℃～45℃，管程設(shè)計(jì)溫度為?165℃；殼程工作壓力為 0.3 MPa，殼程設(shè)計(jì)壓力為0.6 MPa；殼程工作溫度為65℃～80℃，殼程設(shè)計(jì)溫度為100℃；

1.2 換熱器的選材

板材材質(zhì)為S30408，符合GB 150—2011《壓力容器》、GB 24511—2009《承壓設(shè)備用不銹鋼鋼板及鋼帶》、《鋼制海船入級(jí)規(guī)范》及修改通報(bào)和 CCS《材料與焊接規(guī)范》及修改通報(bào)等規(guī)范要求。

管板材質(zhì)為S30408Ⅲ，符合NB/T 47010—2010《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》和 CCS《材料與焊接規(guī)范》及修改通報(bào)等規(guī)范要求。進(jìn)行鍛造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收，鍛件級(jí)別不低于Ⅲ級(jí)，供貨狀態(tài)為固溶處理。鍛件進(jìn)行100%UT檢測(cè)，符合NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)》中規(guī)定的Ⅰ級(jí)合格。

換熱管材質(zhì)為不銹鋼無縫鋼管 S30408，符合 GB 150—2011《壓力容器》、GB/T 151—2014《熱交換器》、GB 13296—2013《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》和 CCS《材料與焊接規(guī)范》及修改通報(bào)等規(guī)范要求。單根換熱管不允許拼接，換熱管應(yīng)逐根進(jìn)行渦流檢測(cè)及液壓試驗(yàn)，供貨狀態(tài)為固溶處理。

中心筒材質(zhì)為S30408，符合GB/T 14976—2012《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》要求。

1.3 換熱管管束的繞制

換熱管外徑為8 mm～16 mm，使用專用設(shè)備完成管束的繞制。先將墊條點(diǎn)焊在中心筒上，再將中心筒固定在設(shè)備工裝上，然后開始換熱管的繞制，通過中心筒的旋轉(zhuǎn)，換熱管沿著墊條一層一層纏繞在中心筒上，注意將繞制速度控制在合理范圍內(nèi)。每繞制完一層需要通過管箍和墊條固定。繞制過程中，對(duì)質(zhì)量的控制直接影響繞管換熱器的傳熱效率和設(shè)計(jì)壽命，為保證產(chǎn)品質(zhì)量需注意以下幾點(diǎn)：

1）由于換熱管采用盤管供貨，在盤管進(jìn)行繞制前需使用專用校管機(jī)校直和預(yù)緊，防止換熱管在繞制過程中產(chǎn)生回彈；

2）由于換熱管采用冷繞制工藝，注意控制繞制速度、力度和總長，防止換熱管被壓癟及出現(xiàn)其他機(jī)械損傷；

3）換熱管徑向和軸向間距應(yīng)布置均勻，墊條與換熱管接觸部位應(yīng)圓滑過渡，防止運(yùn)行過程中損傷換熱管，降低使用壽命；

4）通過平墊條和管箍的配合使用，起到固定管束的作用，平墊條點(diǎn)焊在前一層抱箍上；

5）管束二端管子過渡應(yīng)圓滑，不應(yīng)出現(xiàn)尺寸突變等情形，避免換熱管產(chǎn)生較大應(yīng)力；

6）每繞制完一根換熱管需要進(jìn)行壓力試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為管程設(shè)計(jì)壓力的1倍（即33 MPa），10 min不發(fā)生泄漏即為合格。

7）換熱管繞制后進(jìn)行通球檢驗(yàn)，通球直徑為換熱管內(nèi)徑的85%～90%。

1.4 換熱管與管板的焊接

該設(shè)備屬于船用低溫高壓產(chǎn)品，換熱管與管板的連接方式采用對(duì)接連接。焊接采用氬弧焊方式，焊接層數(shù)為二層，第一層打底熔化焊，第二層填絲焊。

1.5 筒體制造

繞管式換熱器殼體材質(zhì)為S30408，冷卷成型加工。當(dāng)筒體由 2塊及以上鋼板拼接而成時(shí)，其對(duì)接坡口處的錯(cuò)邊量、兩端面錯(cuò)邊量、各筒節(jié)體之間的周長允差、筒節(jié)體與組對(duì)封頭間的周長允差應(yīng)符合GB 150—2011中對(duì)殼體環(huán)向接頭錯(cuò)邊量的要求。

1.6 其他零部件的焊接

其他零部件的焊接包括管板與中心筒的焊接、管板與球封頭的焊接、管板與筒體的焊接。由于這些部件的加工難度不大，在此不再贅述。

1.7 無損檢測(cè)

對(duì)筒體、封頭、管板等主要受壓元件進(jìn)行射線檢測(cè)。對(duì)筒體上A、B類焊縫進(jìn)行100%RT檢測(cè)，對(duì)管板鍛件原材料進(jìn)行100%UT檢測(cè)，對(duì)管板與換熱管對(duì)焊接頭進(jìn)行100%RT檢測(cè)，對(duì)不能進(jìn)行射線檢測(cè)的其他特殊焊縫進(jìn)行100%PT檢測(cè)。

1.8 壓力試驗(yàn)

1）管程。首先，每根換熱管繞制完后需進(jìn)行33 MPa氣壓試驗(yàn)，保壓10 min不發(fā)生泄漏方可進(jìn)行下一根換熱管的繞制；其次，設(shè)備制造完后對(duì)管程進(jìn)行49.5 MPa水壓試驗(yàn)[4]（試驗(yàn)壓力為1.5倍設(shè)計(jì)壓力），保壓30 min不發(fā)生泄漏，然后降壓至33 MPa，保壓15 min不發(fā)生泄漏；水壓試驗(yàn)合格后，將管程內(nèi)水吹干并進(jìn)行33 MPa氣密性試驗(yàn)，保壓30 min不發(fā)生泄漏為合格。

2）殼程。對(duì)筒體進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)前將焊接接頭外表面處理干凈，且保持外表面干燥。對(duì)殼程進(jìn)行0.9 MPa水壓試驗(yàn)（試驗(yàn)壓力為1.5倍設(shè)計(jì)壓力），保壓 30 min不發(fā)生泄漏，然后降壓至 0.6 MPa，保壓15 min不發(fā)生泄漏為合格。

2 船用高壓LNG繞管式換熱器的關(guān)鍵部件的分析計(jì)算

按照工藝條件計(jì)算確定管板的初始厚度，結(jié)合設(shè)計(jì)條件進(jìn)行管板有限元分析，對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行分析和評(píng)定?？紤]高壓LNG繞管式換熱器球封頭、管板、錐形封頭和殼體為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為方便計(jì)算，建立 1/16的計(jì)算模型。殼體長度取200 mm，大于影響長度（局部應(yīng)力衰減范圍）。采用ANSYS軟件提供的Solid 186單元進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，有限元分析模型和網(wǎng)格劃分模型如圖 1所示，注意考慮網(wǎng)格劃分精度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。由于高壓LNG繞管式換熱器的管束可以自由伸縮、補(bǔ)償溫差應(yīng)力，故管板不考慮熱膨脹差的影響，主要計(jì)算管程和殼程設(shè)計(jì)壓力同時(shí)作用時(shí)管板的應(yīng)力分布情況，工況加載模型如圖2所示。圖3為計(jì)算結(jié)果，最大應(yīng)力值為326.937 MPa。

圖1 網(wǎng)格模型圖

圖2 管程和殼程同時(shí)加載模型圖

圖3 管程和殼程設(shè)計(jì)壓力共同作用下應(yīng)力分布圖

對(duì)高壓LNG繞管式換熱器管板在設(shè)計(jì)和操作工況下進(jìn)行有限元應(yīng)力計(jì)算[5]，并按JB/T 4732—1995《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（2005年確認(rèn)）的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，其評(píng)定結(jié)果為合格。

3 結(jié)論

換熱器作為船用高壓 LNG供氣系統(tǒng)重要設(shè)備之一，其采用繞管式結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)勢(shì)。通過對(duì)船用高壓繞管式換熱器的材料選型、管束繞制、設(shè)備焊接、無損檢測(cè)和壓力試驗(yàn)等進(jìn)行研究，并對(duì)管板等結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，確定船用高壓繞管式換熱器的關(guān)鍵技術(shù)。

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