FLNG 緊湊高效換熱器的管嘴熱膨脹補償設計

唐勝波，沈小兵，李云山，張經緯

（惠生（南通）重工有限公司，江蘇南通 226009）

0 引言

中國的浮式液化天然氣裝置（Floating Liquefied Natural Gas，FLNG）產業，經歷了從無到有、從小到大的曲折過程。換熱器是FLNG成套設備的關鍵部件，同時也是影響整個裝置能耗的關鍵設備。LNG換熱器需要在低溫高壓的環境中運行，其主要作用是將液化天然氣加熱或將天然氣液化。但是由于熱脹冷縮的物理特性，在換熱器開始運行的過程中，會讓換熱器管嘴有較大的收縮位移[1]。

國內FLNG換熱器研究與國外存在很大差距，大多還處在工程樣機試驗階段。近幾年來，江蘇科技大學創新性地提出采用增材制造技術整體制備FLNG換熱器，并已制作完成樣機，工業化測試總體方案已獲批，正在積極推進工業化測試。

本文通過線膨脹量計算FLNG換熱器設備本體熱脹冷縮的位移，通過各種位移補償方式的優缺點分析，為FLNG換熱器選取合理的管嘴收縮位移補償措施。

1 FLN G 緊湊高效換熱器基本結構

FLNG換熱器管嘴呈十字交叉形式。LNG輸入輸出管嘴為長度方向，乙二醇輸入輸出方向為徑向。膨脹量的計算按照LNG換熱器最長的距離，即換熱器長度方向來來計算冷收縮量。本文所選的換熱器設備實驗壓力為20MPa，設備管嘴通徑為DN50，設備材質選用316L不銹鋼。整個換熱器設備內核通過增材制造技術生成。FLNG緊湊高效換熱器的基本機構如圖1所示。

圖1 FLNG 緊湊高效換熱器

設備管嘴是設備與設備、設備與管道之間連接的橋梁。如果設備管嘴損壞，則必須要停止工廠運轉，維護或更換設備。在設備的運行過程中采取有效的保護措施，可以合理延長設備的使用壽命。補償膨脹量的方法有以下幾種[2]。

1）使用管道膨脹彎。利用管道的柔性自然補償來補償管道的伸長量。膨脹彎可以減少熱脹冷縮給管路帶來的應力，延長管道壽命。然而，利用管道柔性補償的缺點是：需要很大的空間（見圖2）。

圖2 膨脹彎示意圖

2）使用膨脹節。膨脹節可對軸向、橫向和角向位移進行吸收，用于吸收在管道及設備系統的加熱位移、機械位移，可以吸收振動、降低噪音等。膨脹節便于安裝，廣泛應用于各種有應力的管路或者設備接口。膨脹節可以利用較小的空間吸收較大的位移。其缺點是：由于膨脹節的伸長，收縮結構，膨脹節一般很少應用于高壓系統（見圖3）。

圖3 膨脹節示意圖

3）使用滑動基座。將設備的基座設置為滑動形式，在有熱位移的時候，可以通過設備的移動來補償連接處的應力；在基座的位置開腰圓孔，可以使長度方向有位移，橫向無位移。設備滑動可以對管嘴進行保護，防止管嘴損壞。其缺點是：對多方向都有管嘴的設備無法補償其伸長量（見圖4）。

圖4 滑動基座示意圖

4）用軟管連接。金屬軟管具有優良的柔軟性、耐蝕性、耐高溫性和耐高壓性，在管路中可對任何方向進行連接，用以溫度補償和吸收振動、降低噪聲、改變介質輸送方向、消除管道間或管道與設備間的機械位移等。其缺點是：金屬軟管占用的空間雖然比彎管小，但是比膨脹節大，在使用過程中占用了較大的空間（見圖5）。

圖5 軟管示意圖

2 LN G 換熱器線膨脹量計算

線性膨脹是指物體受環境變化膨脹的曲線是線性的，即有規律地膨脹，一般指由于外界溫度、壓力（主要指溫度）變化時，物體的線性尺寸隨溫度、壓力（主要指溫度）的變化率線性膨脹系數即：固體物質的溫度每改變1℃時，其長度的變化和它在原溫度時的長度之比[3]。

線膨脹量基本公式如下：

式中：x為膨脹量；α為膨脹系數；L為管段總長度；ΔT為最大溫差。

圖1所示的FLNG換熱器，材質為316L不銹鋼的，換熱器長度方向長度（包括管嘴）為1 000 mm。LNG換熱器設計溫度為?196～70 ℃，管嘴通徑為DN50。LNG換熱器設計壓力為20 MPa。

由于316L不銹鋼屬于奧氏體不銹鋼。查閱表1可得：316L不銹鋼的膨脹系數α為14.67×10?6。按照線膨脹量的公式，計算出該換熱器的膨脹量為3.872 88 mm。

表1 不同溫度下鋼材的平均線膨脹系數

續表1 ：

3 結果及分析

1）管道膨脹彎吸收膨脹量需要很大的空間，如果在設備管嘴使用管道膨脹彎會增加設備重量，管道膨脹彎會占用很大空間。由于船舶行業對空間要求較高，管道膨脹彎不適用于寸土寸金的船舶空間，故排除使用管道膨脹彎的補償膨脹量方法。

2）膨脹節雖然適用范圍廣、占用空間小，但是在選擇過程中一般傾向應用于壓力較低的系統，系統壓力一般不超過6 MPa。雖然膨脹節的軸向位移、徑向位移和角位移補償好，但是很難做到20 MPa的設計壓力。故排除使用膨脹節的補償膨脹量方法。

3）滑動形式需要管嘴在設備的一側，這樣就不會影響另一個方向的線性膨脹長度。本文所示的換熱器管嘴在不同方向，故滑動基座形式也被排除。

4）金屬軟管具有優良的柔軟性、耐蝕性、耐高溫性、耐低溫性和耐高壓性，在管路中可對任何方向進行連接，可以補償和吸收軸向位移，徑向位移以及角位移。故在本項目中，金屬的軟管連接形式為最優的連接方式。

金屬軟管的長度計算如圖6所示。

圖6 金屬軟管的長度結構

當θ≤45°時：

當θ＞45°時：

式中：L為金屬軟管長度，mm；RJ(Rd)為金屬軟管靜態（或動態）彎曲半徑，mm；γ為金屬軟管徑向位移量，mm；θ為金屬軟管彎曲角度，(°)；d為金屬軟管外徑，mm；l為金屬軟管接頭長度，mm。

管道為DN50，外徑為OD60.3 mm，彎曲半徑Rj（Rd）為管外徑的5倍（301.5 mm），l金屬軟管接頭長度為150 mm，長度方向位移為4 mm。由于角度較小，金屬軟管的角度設定為1°。由于角度小于45°，按照式（2），項目所需軟管的最短長度L＝431.119 mm，由此可知：本項目所選軟管不小于432 mm。

4 結論

FLNG緊湊高效換熱器宜選用軟管連接補償熱脹冷縮的位移，軟管長度不小于432mm。以下為筆者對該行業的幾點建議：

1）我國對于設備材料選型還有待研究，需要尋找能耐低溫、耐高壓，對LNG氣體無污染、不被LNG腐蝕且膨脹系數小的材料，以減小線膨脹對設備的影響。

2）需要加大對大尺度LNG設備補償件的研究，盡快找到替代金屬軟管吸收補償的材料。這樣可以減小補償件的空間，有利于管道的綜合布置。