LNG繞管式換熱器的研發

尹麗艷

（開封空分集團有限公司總工辦，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）工藝進行天然氣液化。為了滿足不斷發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。經過40多年的發展，單體繞管式換熱的液化能力已經由最初的100萬噸LNG/年增到780萬噸LNG/年。纏繞管式換熱器用作LNG液化主低溫換熱器（MCHE）是其自身的特點決定的：①管內介質以螺旋方式流動，殼程介質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、殼程介質以純逆流方式進行傳熱，即使在較低的雷諾數下其流動形態也為湍流，換熱系數較高；②多種介質共存于一臺纏繞管式換熱器進行傳熱時，由于其傳熱元件為圓管，纏繞管式換熱器對不同介質之間的壓差和溫差限制要求較小，降低了生產裝置的操作難度，提高了設備的安全性；③結構相對緊湊、耐高壓且密封可靠、熱膨脹可自行補償［1］。

但是，目前國內廠家還沒有設計和制造大型LNG繞管式換熱器的豐富經驗。大型LNG繞管式換熱器的研究可以填補國內先關技術領域的空白，未來有廣闊的應用前景。

2 LNG繞管式換熱器研發技術方案

由于大型LNG液化工廠的熱負荷都是數十乃至數百兆瓦級的，繞管式換熱器運行于低溫環境下，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計和制造技術在國內較為成熟，并且有很多設備成功運行的案例。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用于纏繞管式換熱器中，需要開展以下相應的研究工作。

2.1 管板與換熱管的連接技術研究

管板與換熱管的連接技術

管板的結構形式主要選擇：鋁鎂合金管板和不銹鋼復合鋁鎂合金復合層管板，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：強度脹接+密封焊；

b.鋁管板與換熱管連接方式：貼脹+強度焊；

c.不銹鋼復合鋁鎂合金復合層與換熱管連接方式：強度脹接+密封焊；

采用試驗的方式檢驗管板與換熱管的連接性能，在研發過程中對試件進行了以下的試驗：

①拉脫試驗：對上述三種連接方式做試驗件，對試驗件進行拉脫試驗，記錄拉脫力數據，與換熱管的抗拉強度對比，驗證符合要求的結構型式。

②焊接試驗：對不銹鋼復合鋁鎂合金復合層與換熱管的連接方式做一個打孔的試驗件，開孔間隙符合GB151的規定，換熱管與管板焊接試驗。

③低溫試驗：管板的復合技術研究，在常溫下成形后復合管板的低溫機械性能。

針對拉脫試驗結果，開封空分集團有限公司設計一臺試驗件樣機，管程設計壓力8.0MPa，殼程設計壓力5.0MPa，對其進行水壓試驗，驗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，為了解決這個問題，開封空分集團有限公司預采用一種特殊結構，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。采用這種結構可以實現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

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構是一個富有彈性的整體。無論是生產過程的水平放置，還是工作狀態下的垂直放置，所有重量都能均布在各個聯接點上。隨著芯體直徑的增加，可以通過增加墊條、卡箍數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展，芯體直徑越來越大，由于載荷分布不均勻等原因，芯體內部受力會越來越差。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中心筒。芯體總層數是49層，在纏繞到第35層時增加第二個中心筒。通過翼板把兩個中心筒和殼體連接成為一個整體。墊條點焊在第二中心筒上，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現管端束管不順利等困難，但是通過調整盤繞起始位置等措施最終使問題都得到了解決。證明該調節手段在實施上的可行性，目前利用這種結構的繞管換熱器已經繞制完成一臺并發送到用戶現場。

實驗證明，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繞管換熱器在結構上更穩定可靠。

2.4 芯體的固定技術

開封空分集團有限公司擁有豐富的不銹鋼繞管換熱器的設計制造經驗，公司的工藝攻關可以滿足目前大型LNG繞管換熱器制造要求，鋁制芯體的固定可以采用專用結構滿足要求。

2.5 鋁制芯體和不銹鋼殼體過渡方法的實驗研究

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行可行性實驗驗證。

2.6 檢驗技術研究方案

針對大型LNG繞管式換熱器，主要從以下幾個方面對設備及其零部件進行檢驗：

無損檢測：對管板、封頭、殼體等主要受壓元件的采購原材料進廠后進行射線檢測，對殼體上的A、B類焊縫進行射線檢測，對于特殊焊縫不能進行100%射線檢測的，我們對其進行超聲檢測，以保證設備焊縫的質量。

壓力試驗：設備制作完成后，對設備進行氣壓試驗、水壓試驗及氣密性試驗。

具體壓力試驗方法和試驗結果需要通過采取合適的工藝措施來進行保證。

氨檢漏試驗和微漏檢查：壓力試驗完成后，對設備進行氨檢漏試驗以保證換熱管與管板連接的可靠性，在對大型LNG繞管換熱器試制初期可以通過微漏檢查來對氨檢漏試驗進行對比和驗證。

針對整個樣機的檢驗技術，還需進行一些其他的試驗，如低溫試驗等。通過這些試驗，能更好地保證試制樣機的安全可靠。

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