天然氣液化用繞管換熱器建造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分析

蘇清博，鹿來(lái)運(yùn)，陳 杰，馬 源

（1.中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100028；2.開(kāi)封空分集團(tuán)有限公司，河南開(kāi)封 410202）

國(guó)際上90%以上新建基荷型天然氣液化工廠采用LNG繞管換熱器[1]，為什么國(guó)內(nèi)缺少超低溫LNG繞管換熱器的應(yīng)用？①受氣田規(guī)模制約國(guó)內(nèi)已有的200余座液化工廠均為中、小型液化裝置，可采用板翅式換熱器作為主低溫冷箱；②繞管換熱器冷箱由Linde、APCI壟斷，價(jià)格高昂；③國(guó)內(nèi)制造單位缺少全套LNG繞管換熱器設(shè)計(jì)、建造自有技術(shù)。中國(guó)自有的LNG繞管換熱器核心技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)缺失已經(jīng)嚴(yán)重制約LNG行業(yè)的發(fā)展。中國(guó)海油技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)起草、實(shí)施的Q/HS10017—2019 繞管式換熱器技術(shù)規(guī)范能為該設(shè)備的設(shè)計(jì)、建造、驗(yàn)收提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析

19世紀(jì)末，德國(guó)林德公司（Linde）開(kāi)發(fā)了一種螺旋纏繞管式換熱器（Linde C.西德專利號(hào)No.88824），英國(guó)漢普森設(shè)計(jì)并改進(jìn)蛇管形螺旋繞管式換熱器（Hampson W.英國(guó)專利號(hào)No.10156）。目前國(guó)際上尚無(wú)已公布實(shí)施的繞管換熱器標(biāo)準(zhǔn)，各生產(chǎn)企業(yè)依據(jù)自有企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施。

國(guó)內(nèi)換熱器設(shè)計(jì)建造的標(biāo)準(zhǔn)為GB150壓力容器、GB/T151熱交換器、TSG21-2016固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程，目前針對(duì)繞管換熱器的標(biāo)準(zhǔn)尚空缺。

國(guó)際上熱交換器及壓力容器通常以ASME壓力容器系列規(guī)范[2]，APCI、Linde在繞管換熱器設(shè)計(jì)制造過(guò)程中均采用企業(yè)自有、未公開(kāi)發(fā)布的繞管換熱器標(biāo)準(zhǔn)。以Linde為例，在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中參考的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范：采用ASME-VIII系列規(guī)范、German AD-Merkblatt、PED等通用規(guī)范，制造采用企業(yè)自有Linde VA系列標(biāo)準(zhǔn)，如：Linde ED 214-2007可用于指導(dǎo)繞管式換熱器的建造，LS211-04用于換熱管與管板連接制造檢驗(yàn)，LS 103-10對(duì)尺寸公差進(jìn)行了規(guī)定要求，還有LS 135-06、LS 141-74、LS 449-01、LS 490-20、LS 513-1等自有規(guī)范指導(dǎo)設(shè)備的建造。

2 材料選型

LNG繞管換熱器主要材料類型可分為管材、板材、鍛件、其他材料。以Linde公司提供的鋁制LNG繞管換熱器為例，換熱器殼體采用5083-O牌號(hào)的鋁鎂合金、執(zhí)行EN485、AD-M W6/1標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)對(duì)標(biāo)：GB/T3880、GB/T3190；換熱管采用5049鎂鋁合金、執(zhí)行EN754、AD-M W6/1標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)無(wú)該牌號(hào)材料；鍛件采用5083-H鋁鎂合金，執(zhí)行EN755、ADM W6/1，國(guó)內(nèi)對(duì)標(biāo)NB/T47029。

2.1 管材選型與技術(shù)要求

一般的LNG繞管式換熱器管程為混合制冷劑、天然氣，管程的工作壓力可以達(dá)到3～8MPa。換熱管需要選取低溫機(jī)械性能良好的材料，換熱管僅能選取奧氏體不銹鋼管、鋁合金換熱管。在設(shè)備大型化（換熱面積大于2×104m2）通常需選用單管長(zhǎng)度大于300m的鋁鎂合金管。由于GB/T151—2014熱交換器又對(duì)焊接管的使用壓力有明確的限制，奧氏體無(wú)縫管長(zhǎng)度不能滿足大型化后的低溫LNG繞管式換熱器建造需求。

對(duì)標(biāo)國(guó)際成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，大型LNG繞管式換熱器采用超長(zhǎng)鋁鎂合金換熱管。但選用鋁鎂合金換熱管，對(duì)設(shè)備建造帶來(lái)了難題：①超長(zhǎng)型（＞300m）鋁鎂合金無(wú)縫換熱管的國(guó)產(chǎn)化；②鋁鋼復(fù)合管板技術(shù)研究；③鋁合金焊接質(zhì)量，尤其是薄壁鋁管與復(fù)合管板的連接質(zhì)量問(wèn)題。中國(guó)海油技術(shù)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了系列超低溫LNG繞管換熱器用鋁換熱管，形成了技術(shù)規(guī)范：Q/320211 PBY01—2019繞管式熱交換器用超長(zhǎng)鋁合金管訂貨技術(shù)條件。換熱管的質(zhì)量要求如表1所示。

表1 LNG繞管換熱器換熱管檢測(cè)要求

2.2 板材選型與技術(shù)要求

板材主要用于制造LNG繞管換熱器主要筒體及封頭，其中筒體的設(shè)計(jì)建造按照GB/T 151—2014第6.10節(jié)要求執(zhí)行，封頭設(shè)計(jì)建造按照GB/T 151—2014第5.2節(jié)要求執(zhí)行。

LNG繞管換熱器一般可選用兩種類型的板材，奧氏體不銹鋼304/304L、316/316L，和鋁鎂合金5083-O。板材應(yīng)符合GB 150.1引用標(biāo)準(zhǔn)和GB 150.2有關(guān)規(guī)定。

2.3 鍛件技術(shù)要求

LNG繞管換熱器鍛件包括管板、法蘭等。所有鍛件應(yīng)符合GB 150.2—2011的規(guī)定，鍛件級(jí)別不得低于II級(jí)。不銹鋼鍛件應(yīng)符合NB/T 47010《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》要求。管板鍛件：級(jí)別不應(yīng)低于Ⅲ級(jí)要求。鍛件進(jìn)行100%UT檢測(cè)，符合NB/T 47013.3第3部分中規(guī)定的Ⅰ級(jí)合格。

復(fù)合管板鍛件：可采用堆焊或者爆炸焊接復(fù)合板，應(yīng)當(dāng)采用爆炸焊接復(fù)合板時(shí)，應(yīng)符合NB/T 47002.1～NB/T 47002.4中B1級(jí)的要求。

3 制造加工

3.1 管束體繞制質(zhì)量控制

LNG繞管換熱器制造主要的環(huán)節(jié)是管束體的繞制，換熱管繞制過(guò)程需要逐層不同數(shù)量的換熱管以一定的螺旋升角、層間距、列間距均勻自然繞制而成。

管束體繞制過(guò)程，需對(duì)以下關(guān)鍵環(huán)節(jié)提出技術(shù)要求[3-4]：

（1）換熱管弧度與間距控制。換熱管繞制弧度、層間距與列間距控制的質(zhì)量直接影響到換熱器的換熱效率。需要在繞制中減少窄間隙死角，防止局部區(qū)域布置不均勻，造成流體阻塞或不均勻，減少偏流對(duì)換熱效率的影響。

（2）管束體過(guò)渡段換熱管彎折應(yīng)自然過(guò)渡，在穿管板前換熱管要經(jīng)過(guò)多個(gè)折彎才能穿到管板，在折彎過(guò)程中必須保證圓滑自然，換熱管的截面積形變不應(yīng)大于10%。

（3）換熱管校直預(yù)緊后采用冷繞制工藝?yán)@制，過(guò)程中控制繞制速度、拉力，防止換熱管損傷。

（4）逐層繞制完成后，需對(duì)換熱管逐根進(jìn)行壓力試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為管程設(shè)計(jì)壓力的1.5 倍，10min不發(fā)生泄漏為合格。

3.2 換熱管與管板連接質(zhì)量控制

LNG繞管換熱器屬于低溫、高壓壓力容器，換熱管與管板的連接方式采用脹接+焊接的連接方式。不銹鋼材料管板與換熱管連接可按照GB/T 151要求執(zhí)行，鋁換熱管與管板的連接按照J(rèn)B/T 4734要求執(zhí)行。

（1）薄壁換熱管與管板焊接質(zhì)量控制。薄壁換熱管與厚管板的焊接一直是制造過(guò)程的難題，尤其是鋁材熔點(diǎn)低，換熱管與管板焊接位置易產(chǎn)生缺陷。焊接接頭處經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)的焊接缺陷，需采取必要的返修措施清除焊接缺陷。

（2）換熱管與管板脹接質(zhì)量控制。立式結(jié)構(gòu)換熱器下端換熱管與管板之間易產(chǎn)生間隙腐蝕，是常見(jiàn)的損壞形式。脹度設(shè)計(jì)可按照GB/T 151—2014 第6.6.1節(jié)相關(guān)要求執(zhí)行，消除間隙，防止腐蝕，同時(shí)也應(yīng)防止過(guò)脹引起的換熱管損壞和管板塑性變形，保證脹接的可靠度。

4 檢測(cè)驗(yàn)收

4.1 尺寸偏差檢測(cè)

尺寸偏差應(yīng)該滿足GB 151—2014第8.12節(jié)的相關(guān)要求。

（1）圓度：中心筒其任一截面上的圓度公差，最大直徑與最小直徑之差≤0.9%中心筒外直徑。

（2）直線度：通過(guò)中心線的水平和垂直面，中心筒的直線度偏差不大于0.8‰中心筒的長(zhǎng)度。

（3）總體直徑偏差：管束體逐層繞制完成后，其直徑偏差應(yīng)≤0.9nmm（n為本層所在層數(shù)），繞管體直徑總體偏差不得大于25mm。

4.2 無(wú)損檢測(cè)

LNG繞管換熱器無(wú)損檢測(cè)必須符合TSG 21、GB 150、GB 151及設(shè)計(jì)的規(guī)定。對(duì)LNG繞管換熱器的筒體、封頭、管板等主要承壓部件進(jìn)行射線檢測(cè)。筒體上A、B類焊縫進(jìn)行100%RT檢測(cè)，管板鍛件原材料進(jìn)行100%UT檢測(cè)，管板與換熱管對(duì)焊接頭進(jìn)行100%RT檢測(cè)，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)[5]。

4.3 壓力檢測(cè)及安全性試驗(yàn)

與常規(guī)的壓力容器相同，繞管換熱器的壓力試驗(yàn)應(yīng)該滿足TSG 21-2016第4.7節(jié)、4.8節(jié)要求，同時(shí)制造完工的容器應(yīng)按圖樣及相關(guān)規(guī)定進(jìn)行壓力試驗(yàn)、氣密性試驗(yàn)。

除以上壓力檢測(cè)以外，安全性試驗(yàn)還應(yīng)考慮極限耐壓強(qiáng)度試驗(yàn)、疲勞性能試驗(yàn)。如設(shè)備需進(jìn)行安全性試驗(yàn)時(shí)，極限耐壓強(qiáng)度試驗(yàn)、疲勞性能試驗(yàn)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求執(zhí)行即可。

5 結(jié)語(yǔ)

分析了天然氣液化用繞管換熱器標(biāo)準(zhǔn)目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，亟須研究該LNG繞管換熱器的國(guó)產(chǎn)化及標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題。本文針對(duì)LNG繞管換熱器建造過(guò)程中存在的難點(diǎn)技術(shù)和通用標(biāo)準(zhǔn)的缺失現(xiàn)狀，逐一分析了LNG繞管換熱器在材料選型、加工制造及檢驗(yàn)驗(yàn)收過(guò)程中需要控制的技術(shù)指標(biāo)，為L(zhǎng)NG繞管換熱器建造提供必要的支持。