LNG氣化器的材料選擇與應用研究

陳海平 黃 宇 魯 亮 郝思佳

中海石油氣電集團有限責任公司, 北京 100028

0 前言

LNG氣化器是LNG接收站除LNG儲罐外投資最大的單體設備,設計壓力一般為10～17 MPa,屬于高壓容器。由于LNG具有超低溫(-165 ℃)、氣液膨脹比大(600倍)、可燃范圍小(5%～15%)的特點,LNG氣化器成為LNG接收站板塊需要重點突破的關鍵設備,因此,國內科研院所與超低溫裝備制造企業聯合開展技術攻關工作[1]。

LNG接收站用LNG氣化器由于換熱原理不同,其結構形式也不相同[2],經初步統計,常用的中間介質式氣化器(Intermediate Fluid Vaporizer,IFV)、開架式氣化器(Open Rack Vaporizer,ORV)和浸沒燃燒式氣化器(Submerged Combustion Vaporizer,SCV)在國內外LNG接收站項目中的使用比例依次為5%、70%和28%[3]。

國內早期LNG接收站項目全部采用進口LNG氣化器,技術長期被國外壟斷,其中IFV供貨商只有日本KOBELCO Kobe Steel公司,國內供貨數量11臺;ORV供貨商有日本KOBELCO Kobe Steel公司和日本Sumitomo Heavy Industries公司,國內供貨數量43臺;SCV供貨商有德國SELAS-LINDE公司和韓國WONIL T&I公司,國內供貨數量30臺。國內采購進口LNG氣化器的總投資超過15億元,采購談判處于被動地位。

為打破國外技術形成的技術壁壘,國內已經開展IFV、ORV和SCV的研發,在推動設備國產化和自主化方面起到了積極作用[4]。在LNG氣化器研制過程中,需要綜合考慮設計、選材、制造等因素。本文通過對現有LNG氣化器的主要材料進行選擇、分析、試驗與應用研究,提供了LNG氣化器選材方案,為新型LNG氣化器、其他相關設備選材和后續設備國產化提供參考。

1 LNG氣化器介紹

1.1 IFV

IFV工作原理見圖1。IFV主要由蒸發器E1、凝結器E2和加熱器E3組成,利用中間傳熱流體的方法來改善結冰帶來的影響,通常采用丙烷、異丁烷、氟利昂、氨等介質作為中間傳熱流體。實際使用過程中傳熱過程可分為兩級:第一級由LNG和中間傳熱流體進行換熱;第二級由中間傳熱流體和熱源流體進行換熱[5]。IFV占地面積小,適用于含沙量較大、重金屬離子較高的水域,氣化量穩定。IFV最大的優點是能將能量綜合利用,如利用有機朗肯循環的LNG冷能發電技術,但因采用鈦合金換熱管,設備投資高,使用占比較低。

1.2 ORV

ORV工作原理見圖2。ORV以海水為熱源,具有投資高、設計簡單、操作和維護方便的特點。ORV基本單元是換熱管,由若干換熱管組成板狀排列,兩端與聯管焊接形成一個管束板,再由若干個管束板組成氣化器[6],LNG從下部總管進入,在管束板內由下向上垂直流動。ORV頂部有海水均布裝置,海水從管束板外自上而下成薄膜狀均勻沿換熱管下降,海水將熱量傳遞給換熱管內的LNG,LNG受熱氣化。

1.3 SCV

SCV工作原理見圖3。SCV具有熱量輸送量大、占地面積適中等特點。SCV由換熱管、水浴池、燃燒器、燃燒室和鼓風機等組成[7]。天然氣換熱管置于水浴池中水浴液位以下,燃燒器將燃燒后的煙氣直接排入水浴池中,引起水浴的劇烈擾動。煙氣的放熱量基本相當于LNG氣化所需熱量,水浴的溫度保持不變,傳熱效率非常高,開停車迅速、方便,因需提供1.5%的天然氣燃燒作為熱源,導致運行成本高。SCV不作為基本負荷型氣化器,主要用于冬季或緊急調峰工況[8]。

2 LNG氣化器材料

LNG氣化常用熱源有蒸汽、海水、燃料、環境空氣和工廠(或電廠)廢熱等,熱源不同意味著換熱器殼程中流體介質也不盡相同,因此需要重點關注氣化器換熱管等關鍵部件選材對流體介質的適用性,且不影響換熱器的換熱效率[9]。由于IFV、ORV和SCV主要為進口,設備選材受限于國外技術,無法實現材料性能優化或制造成本降低。當海水作為流體介質,在設備選材時還需考慮海水腐蝕等因素[10]。

2.1 IFV材料比選

在海水懸沙量較大的情況下,LNG接收站的基本負荷型LNG氣化器應選用具有鈦合金管結構的IFV。IFV與海水接觸部分(如海水進、出口側換熱管及筒體)的材料使用鈦合金,可以抵抗化學腐蝕、微生物腐蝕和海水點蝕[11]；在加熱器E3區域殼程筒體部分采用的材料是耐低溫合金鋼[12]；LNG接觸的換熱管和管箱的材料可選取奧氏體不銹鋼材料。因此,IFV選材核心就是鈦合金,是設備性能和成本優化的關鍵。相比于銅鎳合金及不銹鋼來說,鈦有高比強度、耐腐蝕的特點,是海水換熱器的優質材料,被譽為“海洋金屬”,在海洋工程、化工等領域應用廣泛。某LNG項目IFV鈦合金管內漏故障使得鈦合金選材引起關注，當出現鈦合金管內漏時,海水將進入丙烷空間與丙烷混合,影響冷凝效果并不斷造成丙烷空間內壓力升高,進一步影響設備安全。內漏故障的處理一般將內漏的換熱管切斷,剩余管口與管板焊死,造成換熱面積減少,換熱效率下降。在國內研制IFV過程中,重點對鈦合金主要牌號及性能進行選取研究[13]。鈦合金材料化學成分與機械性能見表1。

表1 鈦合金材料化學成分與機械性能表

從表1可以看出,按TA1、TA2和TA3的順序,除Ti外，其他成分含量依次增高,成分的變化使鈦合金的機械強度和硬度依次增強,同時塑性韌性依次下降。KOBELCO Kobe Steel公司供貨的IFV常用TA1作為換熱管主材,防止因強度不足造成內漏。國內制造的IFV最終選取TA2作為主材,TA2較TA1具有更高的強度和硬度,滿足鈦管與管板焊接和海水沖刷的強度要求,比TA3更具有經濟優勢。在高含沙海水條件下的IFV要實現選材突破,同時在江水條件較好的某內河LNG接收(轉運)站工程中,因需采用IFV進行LNG冷能利用,創新性地采用不銹鋼代替鈦合金換熱管,設備投資下降50%以上,在制造成本、環境影響、占地面積等方面較ORV更具優勢。

2.2 ORV材料比選

ORV的換熱結構主要是由匯管、換熱管和海水系統三部分組成[14]。ORV需要溫度高于5 ℃、水質較好的海水作為熱源,所以ORV主要構件材料選擇導熱性能良好的鋁合金。根據TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》關于鋁合金壓力容器的要求,ORV設計壓力一般不高于16 MPa[15]。因LNG與海水的超臨界換熱、氣化高壓的設計要求和不同的材料加工要求,ORV換熱管與聯管采用不同的材料設計。鋁合金材料化學成分與機械性能見表2。

表2 鋁合金材料化學成分與機械性能表

ORV換熱管設計為不規則的星型結構,可在有限空間內增加換熱面積,ORV換熱管材料需要具有可塑性,因鋁合金SB 221-6063的主要合金元素為Si,屬于可熱處理的變形鋁合金,可擠壓各種薄壁、中空型材,焊接性和熱縮性較好,最終選擇SB 221-6063作為ORV換熱管材料。ORV匯管設計為常規圓管并保證一定強度,鋁合金SB 241-5083的主要合金元素為Mn和Mg,屬于不可熱處理的變形鋁合金,具有強度良好、耐蝕性、可焊接性能等特點,廣泛用于船舶、壓力容器(如液體罐車)、制冷裝置等,最終選擇SB241-5083作為ORV匯管材料。

鋁合金材料在海水沖刷下會造成鋁合金換熱管的腐蝕,當腐蝕集中在某些部位時就會造成材料的空隙,材料強度降低,從而導致斷裂或剝離,因此，鋁合金構件的防腐涂層噴涂處理十分關鍵。ORV換熱管和聯管表面需噴涂厚度為200～400 μm的Al、Zn、Mg或其合金保護層,利用犧牲陽極保護陰極的腐蝕機理實現鋁合金換熱管的保護,保證設備安全、可靠運行[16]。根據國內項目經驗,ORV采用鋅重量百分比占2%的鋁合金金屬涂層[17],當海水重金屬離子含量Cu2+<10 μg/L、Hg2+<0.5 μg/L、含沙量<80 mg/L時,涂層的有效使用時間超過25 000 h,當涂層厚度小于50 μm時應立即進行涂層補涂[18],當海水含沙量不滿足上述指標要求時,涂層的有效使用時間相應減少。涂層技術國產化工作正在開展,主要參考GB/T 19352.1～19352.4《熱噴涂結構的質量要求》等標準和規范要求,并嘗試使用Zn-Al-Cu-Y合金(犧牲陽極涂層新型合金)作為鋁合金構件表面涂層材料,通過在ORV常規Zn-Al涂層基礎上添加Cu和合金化稀土元素Y,可以提高材料強度、硬度,以及改善涂層抗沖蝕、抗腐蝕性能。

2.3 SCV材料比選

不銹鋼在冶煉過程中加入Cr、Ni、Mn、Si等合金元素,使鋼具有耐蝕性,在選取SCV換熱管材料時,綜合考慮耐低溫、高強度、耐腐蝕、成本低等因素,最終選取不銹鋼材料[19]。不銹鋼材料化學成分與機械性能見表3。

表3 不銹鋼材料化學成分與機械性能表

不銹鋼材料因C含量不同,其耐熱性和耐蝕性也有區別,304和316的耐熱性分別優于304L和316L,但耐蝕性分別低于304L和316L[20]。316L在304L基礎上增加了Mo,提高了耐晶間腐蝕、氧化物應力腐蝕的能力,有良好的耐氯化物腐蝕性能。304、304L、316和316L的價格依次遞增,316L價格最貴。前期由于SCV技術被國外壟斷,從節省成本考慮,SCV設計采用不銹鋼304L,因304L的耐腐蝕能力較弱,換熱管一旦出現損壞，維修難度極大,所以在設備使用期間pH值控制加藥系統被重點監控,間接增加了運行成本。隨著國內設計和運維經驗的增加,國內LNG接收站在設計階段已逐步要求采用316L取代304L,以增加換熱管耐蝕性,降低設備故障概率。

3 結論

隨著國產LNG氣化器技術的不斷成熟,各類LNG氣化器的選材逐步實現最優設計,本文通過對LNG氣化器常用材料的分析研究,給出選材的實踐經驗,為后續LNG氣化器生產企業提供參考。

自2006年國內第一個LNG接收站——大鵬LNG投產以來,LNG氣化器的選型局限于IFV、ORV和SCV,隨著中小型LNG氣化站、LNG調峰站和內河LNG轉運站的建設需要,具有適應性強、能耗低和利用廢熱實現能源耦合等特點的新型LNG氣化器是下階段科研投入的重點,通過對LNG氣化器常用的超低溫材料進行的整體研究,為新型LNG氣化器的開發打下堅實的研究基礎。