儲氣庫高壓天然氣壓縮機空冷器制造經驗淺析

張果

摘 要：儲氣庫天然氣壓縮機空冷器制造國內起步較晚，與國外技術相比存在一定的差距，針對該儲氣庫天然氣壓縮機空冷器項目，結合國內現行的標準，對高壓、大排量天然氣壓縮機空冷器設計、選材、焊接、無損檢測進行了分析。

關鍵詞：儲氣庫;高壓大排量;天然氣壓縮機空冷器

0 引言

隨著我國經濟社會不斷發展，對天然氣的需求越來越大，長期以來，我國北方冬季出現氣荒，嚴重影響人們生活水平。為此，急需找到一種方式解決天然氣供需平衡。地下儲氣庫是截至目前國際公認最經濟有效的天然氣季節調峰手段，也是我國天然氣戰略儲備的重要手段。但是我國儲氣庫起步較晚，建設周期長、投入大，相關配套設施要求高。目前，國內空冷器設計標準NB/T47007-2018《空冷式熱交換器》規定設計壓力不高于35MPa[1]，但是國內儲氣庫天然氣壓縮機空冷器設計壓力均超過了35MPa，迫切需要找到一種新的設計制造方法。

1 空冷器的設計難點

1.1 熱工計算

該儲氣庫壓縮機空冷器單臺介質流量104.2～146.43×

104Nm3/d，且為變工況，排量大、最高設計壓力36.5MPa，運行時產生交變載荷，在設計時，必須對壓縮機的每個工況運行參數進行校核，分析復雜環境對空冷器帶來的影響，保證各種條件下的冷卻效果。

1.2 壓降的控制

由于天然氣壓縮機排量大，天然氣在通過空冷器管束時存在一定的壓力降，壓降太大，壓縮后的天然氣經過空冷器管束時阻力較大，出現節流，導致壓縮機負荷增加，還會對管束造成較大沖擊，產生振動、異響，沖擊承壓部件焊接接頭，長時間運行后，焊接接頭可能出現裂紋，導致事故發生。

1.3 空冷器集合管管箱結構設計難度較大

NB/T47007-2018《空冷式熱交換器》標準未規定工作壓力超過35MPa時管箱式結構形式，因此，必須找到一種新型的集合管箱結構，該空冷器二級氣管束設計壓力為36.5MPa，已經超過GB150-2010《壓力容器》和NB/T47007《空冷式熱交換器》適用范圍，結構強度設計難度較大。若選用常規的管箱結構，管箱材料厚度大，焊接和無損檢測質量不易控制，無法確保空冷器的質量，因此只能依據現有的設計標準，在現有的條件下找到一種新的結構形式，確保核心部件的質量安全。

2 質量控制措施

2.1 設計優化

2.1.1 強度計算

該空冷器最高設計壓力已經超過GB150-2011《壓力容器》規定的適用范圍，強度設計可依據依據JB/T4732-1995《鋼制壓力容器-分析設計標準》進行計算。該標準是一分析設計為基礎的鋼制壓力容器標準，提供了以彈性分析和塑形失效準則、彈塑失效準則為基礎的設計方法;對選材、制造、檢驗和驗收規定了比GB150-2011《壓力容器》更為嚴格的要求。[2]

2.1.2 熱工計算

根據壓縮機運行參數，得出熱負荷，從而計算出所需的換熱面積，選取合適的風機參數，進行整體設計布置。使用專業授權正版軟件HTRI或hysys對空冷器運行工況進行模擬，建立空冷器的模型，對運行工藝參數進行校核，達到最優化的設計。根據空冷器的結構，模擬出介質在空冷器內介質流速，控制最大的壓降，減小介質對換熱管內壁的沖擊，從而較小壓縮機的負荷，延長空冷器的壽命。由于該空冷器天然氣流量較大，運行工況復雜。需要對每個工況進行模擬，尤其是在極端條件的情況，要確保冷卻效果。

2.1.3 管箱和翅片管結構形式選擇

該空冷器最高設計壓力超過國內空冷器標準規定值，且標準未推薦可選用管箱結構。根據壓力容器制造經驗，可選擇整體鍛焊式結構。該種結構安全系數高，質量穩定，制造難度小。翅片管是空冷器的核心部件，翅片管形式選擇DR型，該種翅片管抗腐蝕性能好，使用壽命長，傳熱效率高，壓降小，翅片的整體性和剛度高，翅片牢固，不易變形，可用高壓水清洗，便于后期維護保養。[3]

2.2 材料選擇

2.2.1 換熱管選擇

鋼管應為冷拔高精度無縫鋼管[4]，鋼管應滿足GB/T6479-2013《高壓化肥設備用無縫鋼管》的相應要求外還應滿足以下要求：①鋼管應滿足NB/T47019-2011《鍋爐、熱交換器用管訂貨技術條件》的相應規定;②鋼管應按GB/T5777-2008《無縫鋼管超聲波探傷檢驗方法》的規定逐根全長進行超聲波探傷檢驗，對比樣管縱向刻槽深度等級按L2執行;③鋼管應按NB/T47013-2015《承壓設備無損檢測》逐根進行100%的MT或PT檢測，要求I級合格;④無縫鋼管應按標準逐根進行設計壓力1.5倍進行水壓試驗，在不少于10S的保壓時間內;⑤換熱管材料回廠后應對材料的化學成分，力學性能進行復驗。

2.2.2 集合管選擇

集合管箱是空冷器設備最核心部件，直接影響空冷器的使用安全。目前我國先后引進了兩種不同型式管箱結構的高壓空冷器，一種是鍛焊型管箱，一種是焊接型管箱。該項目集合管采用整體鍛焊型管箱，集合管的強度設計根據JB/T4732-1995《鋼制壓力容器-分析設計標準》進行設計計算，采用Ansys建立模擬模型，對強度進行分析設計，保證設備安全。

集合管鍛件除應符合NB/T47008-2017《承壓設備用碳素鋼和合金鋼鍛件》中16Mn鍛件的要求外還應符合以下要求：①鍛件最終熱處理狀態應為正火;②鍛件應符合NB/T47008-2010《碳素鋼和合金鋼鍛件》中IV鍛件要求;且超聲檢測應按此標準執行;③鍛件應進行-20℃夏比V型缺口沖擊試驗，要求三個標準試驗沖擊功均要求不小于34J;④鍛件按GB/T10561-2005<鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法>規定，檢驗結果應滿足A類、B類、C類、D類夾雜物不大于2級，且四者和不大于3.5級;⑤鍛件按GB/T226-1991《鋼的低倍組織及缺陷酸腐蝕試驗法》規定試驗，其結果應滿足一般疏松≤2級，中心疏松≤2級，偏析≤1.5級，不允許鍛件內部存在白點、裂紋、氣孔等缺陷;⑥鍛件按GB/T6394-2002《金屬平均晶粒度測定方法》規定，其結果應是6級或6級以上的晶粒度;⑦鍛件應復驗化學成分、力學性能復驗及其超聲波復驗;⑧鍛件要求超聲波復檢其結果應滿足以下要求：檢測起始靈敏度為φ2當量直徑，φ2當量直徑一下的缺陷不計，但應作記錄，不作驗收要求。且不允許存在當量φ4的單個缺陷，且缺陷聚集區應控制在一下范圍內;缺陷聚集區的總面積應小于檢測面積的3%，且每區面積小于10cm，間距不小于200mm;⑨超聲檢測應分兩次進行，第一次超聲波檢測和第二次檢測分別在初加工后和終加工后。

設備焊接前應對焊接補強接面分別按NB/T47013-2015《承壓設備無損檢測》進行100%的超聲波檢測，要求I級合格，且要求無分層等影響焊接的缺陷。

集合管焊接完畢應按熱處理工藝進行整體熱處理。

2.3 焊接及其無損檢測

加厚接管與集合管采用騎座焊的方式連接，根據預焊接工藝，采用氬弧焊打底，手工焊蓋面的方式，焊接完成后，對焊縫根部進行清理，為了確保焊接質量。加厚接管與集合管焊接一層需要進行100%PT檢測，所有承壓部件對接焊接接頭進行100%RT檢測，按照NB/T47013.2-2015《承壓設備無損檢測》，技術等級AB級，II級合格。

2.4 強度試驗和氣密性試驗

按照強度試驗工藝卡，對管束進行強度試驗，無任何異響、泄漏現象。強度試驗完成后對管束進行氣密封試驗，確保管束使用安全。

3 結語

通過上述對儲氣庫高壓天然氣壓縮機空冷器制造的分析，在設計、選材、焊接、無損檢測以及各種試驗環節加以控制，做到每一個環節有據可依，揚長避短，依據我們現有的技術條件，完全能夠制造出安全可靠的高壓天然氣壓縮機空冷器，為我國儲氣庫事業的發展做出貢獻。

參考文獻：

[1] NB/T47007-2018.空冷式熱交換器[S].北京：國家能源局，2018.

[2] JB/T4732-1995.鋼制壓力容器-分析設計標準[S].北京：國家機械工業部，1995.

[3]馬義偉.空冷器設計與應用[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1998.

[4] GB/T6479-2013.高壓化肥設備用無縫鋼管[S].北京：國家質量監督檢驗檢疫總局，2013.