IFV氣化器的脹接工藝及控制

裘 棟 中海浙江寧波液化天然氣有限公司 寧波 315010

LNG (Liquefied Natural Gas)接收站是接收海上LNG 運輸的終端站場，在站內將LNG 接收、儲存、氣化、外輸至下游用戶，而氣化器是LNG 接收站中最關鍵的設備之一。

目前，世界上LNG 接收站常用的氣化器有三種:開架式氣化器(稱稱ORV)、浸沒燃燒式氣化器(簡稱SCV)和中間介質管殼式氣化器(簡稱IFV)。由于前兩者存在著對海水清潔度要求高或運行成本較高等不利因素，對于東海、黃海周邊含沙量較大海域的接收站來說，由耐海水沖蝕能力超強的鈦管制造而成的中間介質管殼式氣化器是最為理想的選項。

1 IFV 氣化器

1.1 構成

IFV 氣化器由中間介質丙烷氣化器 (E - 1段)、LNG 氣化器(E -2 段)和NG 調溫加熱器(E-3 段)三段管殼式換熱器組成。見圖1。

圖1 IFV 氣化器構成

LNG 氣化器E-2 的管束被插入到中間介質丙烷氣化器E -1 段圓筒型的上部，而E -1 段的下部分布著鈦管流通海水。E -1 段封閉的殼內充入丙烷液體，高度以浸沒E-1 段的鈦管為宜。E -1段通過錐形的管箱和E-3 段相連接。

1.2 IFV 的工作原理

海水由E -3 段進入經錐形管箱流入E -1 段的管程，殼程內的丙烷(沸點是-42℃)被海水氣化為約-8.3℃的丙烷蒸氣上升至E -2 段的殼程。而通入E-2 段管束內的LNG 與殼程丙烷蒸氣進行熱交換，LNG 受熱氣化為約-28℃的NG 氣體經E-2 段和E-3 段連通的管線進入E -3 段調溫器，與此同時，管束外的丙烷蒸氣被冷凝液化回落至E-1 段殼程下部。進E-3 段殼程的NG 被管程內流入的海水繼續加熱至1℃的天然氣用于外輸。

工作中丙烷在E1 段殼體中進行氣-液態的閉式循環，運行過程中無需添加。用丙烷作為中間介質利用其低沸點的特點，避免直接換熱時由于海水結冰對傳熱效果的影響。

2 換熱管的脹接技術

在固定管板管殼式換熱器中換熱管和管板是換熱器管程和殼程之間的唯一屏障，換熱管與管板之間的連接結構和連接質量決定換熱器的質量優劣和使用壽命，是換熱器制造過程中至關重要的環節［1］。它不但工時耗費量大，更重要的是接頭處往往在十分苛刻的工況下工作，在生產運行中，管子和管板的連接處是換熱器最容易破壞和失效的部位，如換熱器的管子和管板連接質量不好，則直接影響工藝操作的正常進行，甚至導致全線停車。所以必須高度重視對管殼式換熱器中換熱管和管板的連接。

2.1 連接方法

管子和管板的連接方法可分為脹接、焊接和脹焊結合三種。

(1)脹接是一種傳統換熱管與管板的連接方法，利用脹管器械使管板與管子產生塑性變形而緊密貼合，形成牢固連接。強度脹接時在管板開槽，脹接時管外表部分材料塑性變形，嵌入到管板孔內的凹槽內，達到即密封又能抗拉脫的目的。脹接剛性好，更換管子方便，適用于設計壓力低于2.5MPa，最高不超過4 MPa 的場合。

(2)焊接是最常見的一種連接方法，對管板加工要求較低，制造工藝簡單，有較好的密封性，焊接、檢查、維修都很方便。

(3)在密封性能要求較高的場合、承受振動或疲勞載荷的場合、有間隙腐蝕和采用復合管板的場合中，單純采用脹接或焊接均難以保證連接強度和密封性，脹焊結合是目前廣泛采用的方法。神戶制鋼在IFV 氣化器制造中使用了脹焊結合的連接方式。

2.2 脹焊并用的順序

脹接與焊接并用又可分先脹后焊的工藝和先焊后脹的工藝。管殼式換熱器(GB151 -1999)及有關標準中僅提出脹焊并用的連接方法，而對于是先焊后脹，還是先脹后焊，并未明確規定。各制造廠商一般根據各自的制造工藝選擇合適的順序。

采用先脹后焊的工藝，可以通過脹接對管子進行定位，避免在直接焊接時，由于管子的偏斜間隙而影響焊接質量;而采用先焊后脹的工藝，可以防止焊接過程的熱量使已脹接的接頭受熱松動。神戶制鋼在IFV 氣化器換熱管制造中采用的是后一種工藝方法。

2.3 脹接方法

常見的脹接方法有柔性脹接和機械脹接兩類。

柔性脹接有精度較高，并能保證脹接緊密程度均勻一致的特點，連接可靠性比機械脹更好，見圖2。

圖2 柔性脹接

機械脹接能承受一定的軸向力、熱沖擊和反復熱循環，而且操作簡單、使用靈活，在制造和維修中應用較為普遍。它使用滾柱脹管器(構件上嵌入3 ～5 粒小直徑的脹珠，中間有一根錐形脹桿)，插入管板孔中的管子端部，旋轉脹桿、并向管孔推進，脹珠在錐形脹桿擠壓下徑向擴大，這樣通過脹珠沿脹桿周向旋轉，使管子直徑增大并產生塑性變形，而管板只達到彈性變形。當取出脹管器后，管板彈性恢復，使管子和管板間產生一定的擠壓力而貼合在一起，從而達到緊固和密封的目的。見圖3。

但機械脹管也有缺點:如管子的脹度不一、連接強度和緊密度不均、脹管接口內表面產生硬化，給重復補脹帶來困難等等。因而選擇機械脹接應控制脹管率以保證脹緊度。

圖3 機械脹接

2.4 脹管率的控制和檢驗

2.4.1 脹管率控制

IFV 氣化器主要介質是液化天然氣/天然氣/丙烷等易燃易爆液體或氣體，且溫度很低。若運行中發生個別脹口泄漏，發生竄料是極其危險的，所以保證脹接質量尤為重要。

為了保證脹接質量，脹接時應首先注意選擇適當的脹管率。脹管率是脹接工藝中主要控制參數之一，通常用脹緊程度與管板孔原有直徑、換熱管內徑或壁厚的百分比表示。在制造過程中，脹管率過小(欠脹)，不能保證必要的連接強度和密封性;脹管率過大(過脹)，會使管壁減薄太大，加工硬化嚴重，甚至發生裂紋。

脹管率計算公式歸納起來可分為兩種:一種是計算脹管前后管子直徑增大率，另一種是計算脹管前后管子壁厚的減薄率。國內現行以內徑測量法計算脹管率的公式有:

(1) 《蒸汽鍋爐安全技術監察規程》第126條，當采用內徑控制法時，脹管率一般應控制在1% ～2.1%范圍內。脹管率可按下面公式計算:

式中，Hn為脹管率，%;d1為脹完后的管子實測內徑，mm;t 為未脹時的管子實測壁厚，mm;d為未脹時的管孔實測直徑，mm。

(2) 《工業鍋爐安裝工程施工及驗收規范》(GB 50273 -98)中規定，當采用內徑控制法時，脹管率應控制在1.3% ～2.1%范圍內，計算公式:

式中，Hn為內徑控制法的脹管率;d1為脹完后的管子實測內徑，mm;d2為未脹時的管子實測內徑，mm;d3為未脹時的管孔實測直徑，mm;δ 為未脹時管孔與管子實測外徑之差，mm。

無論采用哪種計算方法得到的脹管率實際都是對換熱管壁厚減薄量的控制。神戶制鋼使用的是壁厚減小率公式，根據其自身經驗，K 值范圍4% ～9%，控制目標為5% ～6%:

式中，K 為脹管率(或壁厚減小率)，%;d1為脹前換熱管內徑，mm;d2為脹后換熱管內徑，mm;H 為脹前管板孔直徑，mm;d0為脹前換熱管外徑，mm。

2.4.2 脹管率檢查

以IFV 中E-1 段脹管率的控制為例，E-1 段共3000 根換熱管，按5%的抽檢率，確定需檢查的151 根管子，見圖4。

確定了待檢的管子，在脹管前后，用內徑千分尺按順序對鈦管的直徑、壁厚和管板孔徑等數據進行測量和記錄，按上面公式計算得出K 值，見表1 (表中僅列1 ～31 號管子的記錄數據)。

圖4 E-1 段需檢查的換熱管的編號圖

表1 脹管率記錄表(部分數據)

根據實際測量記錄的數據，計算得出的K 值都在4% ～9%之內。抽樣檢查的脹管率均符合設計要求。

3 影響脹接質量的因素

影響脹接質量的主要因素有管子與管板的材料硬度差、尺寸及尺寸精度、形位精度、徑向間隙、表面清潔度、管子與管板的硬度差、管孔的開槽。

在IFV 氣化器制造中，必須做好制造過程各道工序的質量控制，以保證達到要求脹管率。

(1)嚴格控制所采購換熱管的尺寸。如E -1段管子外徑必須控制正偏差，管子的橢圓度不超過±0.2mm，管口端面應平直，端面傾斜度不大于管子外徑的2%，管子全長偏差不大于±5mm，管子彎曲度不大于±5mm。

(2)嚴格控制管板孔和換熱管的配合精度。如E -1 段管板孔控制在19.3 ±0.05mm，機加工后管板孔需鉸制加工，使粗糙度達到7 級。焊接時，管子中心線必須保證和管板孔中心線相重合，若間隙較大，過大的脹接變形將對焊接接頭產生損傷甚至脫焊。

(3)管板材料的硬度要高于換熱管材料的硬度。由于E-1、E-3 段換熱管為鈦管，其硬度比碳鋼復合鋼板高，脹前需對鈦管采用退火以降低其硬度。

(4)在脹接完成后必須進行耐壓試驗，檢查脹口的嚴密性。

4 結語

隨著沿海地區LNG 接收站的快速發展，IFV氣化器國產化勢在必行。采用適當的脹接工藝，建立模型通過試脹來確定脹接工藝參數，保證脹管合格率，是確保脹管質量的關鍵。

1 于 彬，楊洪蘭. 管殼式換熱器中換熱管與管板連接的工藝研究［J］. 金屬加工，2010 (6).

2 GB 151 -1999，管殼式氣化器［S］.

3 蒸汽鍋爐安全技術監察規程［S］. 勞部發(1996)276 號.

4 GB 50273 -98，工業鍋爐安裝工程施工及驗收規范［S］.