lng绕管式换热器的研发.pdf

河南科技 journal of henan science and technology 总568期第7期 2015年7月 vol.568， no.7 jul， 2015 收稿日期： 2015-6-17 作者简介： 尹丽艳 （1975.12-） ， 女， 本科， 助理工程师， 研究方向： 机械。 lnglng绕管式换热器的研发绕管式换热器的研发 尹丽艳尹丽艳 （开封空分集团有限公司总工办开封空分集团有限公司总工办， 河南河南开封开封475000475000） 摘要： 本文分析了lng绕管式换热器国内外技术发展现状， 并介绍了2015年开封空分集团有限公司进行 lng绕管式换热器研发的立项依据和研究及试验方案。 关键词： 自主创新； lng绕管式换热器； 制造关键技术研究； 检验技术研究 中图分类号： tk172文献标识码： a文章编号： 1003-5168 （2015） 07-0031-2 research and development of lng spiral heat exchanger yin liyan (kaifeng air separation group co. ltd.， chief engineer office， kaifeng henan 475000) abstract： this paper analyzes the technology development status of lng spiral heat exchanger at china and abroad， and introduces the establishment basis， and research and test scheme of the research and development of lng spiral heat exchanger by kaifeng air separation group co.， ltd in 2015. keywords: independent innovation; lng spiral heat exchanger; manufacturing key technology research; inspection technology research 1概述 绕管式换热器主要用于大型陆上天然气液化厂和大 型lng-fpso （floating liquefied naturals） 工艺进行天然 气液化。为了满足不断发展的然气液化工艺要求， 绕管 式换热器的液化能力逐年增大。经过40多年的发展， 单 体绕管式换热的液化能力已经由最初的100万吨lng/年 增到780万吨lng/年。缠绕管式换热器用作lng液化主 低温换热器 （mche） 是其自身的特点决定的： 管内介质 以螺旋方式流动， 壳程介质逆流横向交叉通过绕管， 换热 器层与层之间换热管反向缠绕， 管、 壳程介质以纯逆流方 式进行传热， 即使在较低的雷诺数下其流动形态也为湍 流， 换热系数较高； 多种介质共存于一台缠绕管式换热 器进行传热时， 由于其传热元件为圆管， 缠绕管式换热器 对不同介质之间的压差和温差限制要求较小， 降低了生产 装置的操作难度， 提高了设备的安全性； 结构相对紧凑、 耐高压且密封可靠、 热膨胀可自行补偿 1。 但是， 目前国内厂家还没有设计和制造大型lng绕管 式换热器的丰富经验。大型lng绕管式换热器的研究可以 填补国内先关技术领域的空白， 未来有广阔的应用前景。 2lng绕管式换热器研发技术方案 由于大型lng液化工厂的热负荷都是数十乃至数百 兆瓦级的， 绕管式换热器运行于低温环境下， 目前采用的 换热管材料有两种： 奥氏体不锈钢和铝合金。换热面积 2104m2以下的缠绕管式换热器换热管还可以考虑采用 薄壁奥氏体不锈钢材料， 2104m2以上的缠绕管式换热器 换热管基本上采用铝合金材料。全奥氏体不锈钢材料的 缠绕管式换热器设计和制造技术在国内较为成熟， 并且 有很多设备成功运行的案例。大型的lng绕管换热器采 用奥氏体不锈钢换热管设备的重量过大， 给制造带来了 困难， 因此大型lng缠绕管式换热器考虑采用铝镁合金 换热管， 为了使铝镁合金换热管成功运用于缠绕管式换 热器中， 需要开展以下相应的研究工作。 2.1管板与换热管的连接技术研究 管板与换热管的连接技术 管板的结构形式主要选择： 铝镁合金管板和不锈钢 复合铝镁合金复合层管板， 换热管与管板连接采用如下 第7期lng绕管式换热器的研发 形式： a.铝管板与换热管连接方式： 强度胀接+密封焊； b.铝管板与换热管连接方式： 贴胀+强度焊； c.不锈钢复合铝镁合金复合层与换热管连接方式： 强 度胀接+密封焊； 采用试验的方式检验管板与换热管的连接性能， 在 研发过程中对试件进行了以下的试验： 拉脱试验： 对上述三种连接方式做试验件， 对试验 件进行拉脱试验， 记录拉脱力数据， 与换热管的抗拉强度 对比， 验证符合要求的结构型式。 焊接试验： 对不锈钢复合铝镁合金复合层与换热 管的连接方式做一个打孔的试验件， 开孔间隙符合 gb151的规定， 换热管与管板焊接试验。 低温试验： 管板的复合技术研究， 在常温下成形后 复合管板的低温机械性能。 针对拉脱试验结果， 开封空分集团有限公司设计一 台试验件样机， 管程设计压力 8.0mpa， 壳程设计压力 5.0mpa， 对其进行水压试验， 验证换热管与管板的连接方 式是否合格。 2.2换热管与中心筒的连接方式研究 大型lng绕管换热器换热管采用铝镁合金换热管， 中心筒采用不锈钢材料。换热管与中心筒无法直接采用 铝垫条固定于中心筒上， 为了解决这个问题， 开封空分集 团有限公司预采用一种特殊结构， 首先第一层垫条采用 不锈钢材料， 第一层管子采用铝镁合金， 第一层管箍采用 不锈钢， 将第一层管子固定于第一层垫条之上， 第一层管 子不作为换热管使用， 作为第二层垫条固定使用。将第 二层垫条点焊于第一层管子上面， 第二层及以后垫条和 管箍采用铝镁合金。采用这种结构可以实现铝镁合金换 热管与不锈钢中心筒的连接。 2.3大直径芯体绕制技术 绕管换热器在芯体绕制过程中， 所有换热管的重量 最后都承载到中心筒上。从第一层管子开始， 垫条通过 焊接固定在中心筒上， 然后第一层绕管依次盘绕在第一 层垫条上， 并且通过卡箍固定好。第二层及以后各层也 是依次通过垫条卡箍连接固定在上一层管束上。 由于换热管是螺旋状盘绕在中心筒上， 虽然有卡箍、 垫条等的固定连接， 但是由于存在一定的间隙， 所以绕管 芯体连接结构是一个富有弹性的整体。无论是生产过程 的水平放置， 还是工作状态下的垂直放置， 所有重量都能 均布在各个联接点上。随着芯体直径的增加， 可以通过 增加垫条、 卡箍数量的方法增加芯体的承重能力。但是 随着lng大型绕管换热器的发展， 芯体直径越来越大， 由 于载荷分布不均匀等原因， 芯体内部受力会越来越差。 为了改善芯体受力情况， 在lng大型绕管换热器芯体绕 制中增加了第二个中心筒。芯体总层数是49层， 在缠绕 到第35层时增加第二个中心筒。通过翼板把两个中心 筒和壳体连接成为一个整体。垫条点焊在第二中心筒 上， 这样从第36层到第49层的换热管都依次缠绕在第二 中心筒上， 可以重新分配垫条位置和数量， 减轻第一层垫 条、 卡箍所承受的载荷。虽然在制作过程中发现管端束 管不顺利等困难， 但是通过调整盘绕起始位置等措施最 终使问题都得到了解决。证明该调节手段在实施上的可 行性， 目前利用这种结构的绕管换热器已经绕制完成一 台并发送到用户现场。 实验证明， 随着大型lng绕管换热器的重量和直径 的增大， 我们可以通过增加第二中心筒的办法均布载荷， 重新分配垫条的分布， 能够使大型lng绕管换热器在结 构上更稳定可靠。 2.4芯体的固定技术 开封空分集团有限公司拥有丰富的不锈钢绕管换 热器的设计制造经验， 公司的工艺攻关可以满足目前大 型lng绕管换热器制造要求， 铝制芯体的固定可以采用 专用结构满足要求。 2.5铝制芯体和不锈钢壳体过渡方法的实验研究 大型lng绕管换热器采用铝制换热管， 壳体采用不 锈钢材料， 铝制换热管的束管方式和不锈钢壳体连接的 方法需要进行可行性实验验证。 2.6检验技术研究方案 针对大型lng绕管式换热器， 主要从以下几个方面 对设备及其零部件进行检验： 无损检测： 对管板、 封头、 壳体等主要受压元件的采 购原材料进厂后进行射线检测， 对壳体上的a、 b类焊缝 进行射线检测， 对于特殊焊缝不能进行100%射线检测 的， 我们对其进行超声检测， 以保证设备焊缝的质量。 压力试验： 设备制作完成后， 对设备进行气压试验、 水压试验及气密性试验。 具体压力试验方法和试验结果需要通过采取合适的 工艺措施来进行保证。 氨检漏试验和微漏检查： 压力试验完成后， 对设备进 行氨