IFV管壳式气化器的胀接工艺及控制

 

2020-05-02 02:45

  IFV管壳式气化器的胀接工艺及控制_电子/电路_工程科技_专业资料。第三届中国 LNG 论坛 论文编号:1240105 IFV 气化器的胀接工艺及控制 裘栋 中海浙江宁波液化天然气有限公司,宁波 315800 摘要:气化器是接收站工艺流程中最关键的设备之一,对于

  第三届中国 LNG 论坛 论文编号:1240105 IFV 气化器的胀接工艺及控制 裘栋 中海浙江宁波液化天然气有限公司,宁波 315800 摘要:气化器是接收站工艺流程中最关键的设备之一,对于东海黄海周边区域海水含沙量较大的接收站来说中间介 质管壳式气化器(简称 IFV)是最理想的选择。IFV 气化器是以丙烷为中间介质的管壳式气化器,几十年来只有日本 神户制钢(Kobe Steel, Ltd.)独家生产,究其原因很大程度上与换热管的胀接难度有关。在 IFV 的 E1 段有 3000 根钛 管、在 E3 段 3200 多根钛管,密布的钛管与管板连接结构的质量直接影响换热器操作运行的安全性。 本文介绍了 IFV 气化器基本结构及各段换热管的胀接的方法的选择、胀接设备的选用和胀接工艺的控制要求,结合作者对进口 IFV 气化器制造中的一些粗浅认识,为今后 IFV 的国产制造实践提供借鉴和参考。 关键词∶液化天然气、IFV 气化器、管壳式换热器、钛管、胀管率 1. 引言 在气候变暖的威胁愈演愈烈和石油、煤炭等化石能源趋于枯竭的今天,水电、风能、潮汐等新 能源的应用前景为人们所看好,其中作为清洁能源的液化天然气(简称 LNG)在国内的用量逐年增 长。2007 年我国进口 291 万吨 LNG, 2009 年的进口量是 553 万吨,而去年海关总署的统计数据显 示 2011 年全年进口 LNG 总量是 1220 万吨。未来我国对国外 LNG 的依赖还将进一步增加,预计到 2020 年进口量或将达 4400 万吨。LNG 储量主要分布在中东、澳洲、俄罗斯和北美一带,开采出来 的天然气除部分通过管道直接输送之外,主要通过液化气船运的方式,这跟 LNG 的特性有关。 LNG(Liquefied Natural Gas) ,即液化天然气的英文缩写。天然气是在气田中自然开采出来的可 燃气体,LNG 主要成分为甲烷,另有少量乙烷、丙烷等烃类,几乎不含水、硫、二氧化碳等物质, 是一种洁净、利于环保的能源。液化天然气常压下储存温度为-162℃,液化后体积缩小为原来的 600 分之一,运输方便。 从上面 LNG 产业链图中可以看出,LNG 接收站是接收海上 LNG 运输的终端站场,在站内将 LNG 接收、储存、气化、外输至下游用户。而气化器是接收站工艺中最关键的设备之一,它的处理 能力及运行参数代表了接收站的实际处理量。 目前世界上 LNG 接收站常用的气化器有三种:海水开架式气化器(Open Rack Vaporizer 简称 ORV) ,浸没燃烧式气化器(Submerged Combustion Vaporizer 简称 SCV) ,中间介质管壳式气化器 (Intermediate Fluid Vaporizer 简称 IFV) 。前两者由于存在对海水清洁度要求高或运行成本较高等不 利因素,对于东海、黄海周边含沙量较大海域的接收站来说,由耐海水冲蚀能力超强的钛管制造而 成的中间介质管壳式气化器是最为理解的选项。 浙江 LNG 由于海油气电集团、浙能集团和宁波电力三家共同投资在北仑兴建的 LNG 接收站项 1 目,一期建设规模 300 万吨/年。浙江 LNG 接收站选择的主气化器就是四台 IFV 气化器。 2. 中间介质管壳式气化器 IFV 气化器由以下三段管壳式换热器组成,如下图所示 ⑴ 中间介质丙烷气化器 E-1 段:固定管板管壳式换热器 ⑵ LNG 气化器 E-2 段:U 型管管壳式换热器 ⑶ NG 调温加热器 E-3 段:固定管板管壳式换热器 LNG 气化器 E-2 的管束被插入到中间介质丙烷气化器 E-1 段圆筒型的上部,而 E-1 段的下部分 布着钛管流通海水。E-1 段封闭的壳内充入丙烷液体,高度以浸没 E-1 段的钛管为宜。E-1 段通过锥 形的管箱和 E-3 段相连接。 IFV 的工作原理:海水由 E-3 段进入经锥形管箱流入 E-1 段的管程,壳程内的丙烷(沸点是- 42℃)被海水气化为约-8.3℃的丙烷蒸气上升至 E-2 段的壳程。而通入 E-2 段管束内的 LNG 与壳 程丙烷蒸气进行热交换, LNG 受热气化为约-28℃的 NG 气体经 E-2 段和 E-3 段连通的管线 段调温器,与此同时,管束外的丙烷蒸气被冷凝液化回落至 E-1 段壳程下部。进入 E-3 段壳程的 NG 被管程内流入的海水继续加热至 1℃的天然气用于外输。 工作中丙烷在 E1 段壳体中进行气-液态的闭式循环,运行过程中无需添加。用丙烷作为中间介 质利用其低沸点的特点,避免直接换热时由于海水结冰对传热效果的影响。 浙江的单台 IFV 设计气化能力是 175 吨/小时,海水的使用量为 7550 吨/小时, 其主要性能参数如 下: 浙江LNG选用IFV的主要性能参数 管程 E-3 NG调温器 壳程 Ⅲ NG 6.28 11.6 -60/60 _ 海水 0.2 0.8 -5/60 SB338 Gr.2 3200O.D.19.05*t1.8*L3510 △pitch 25 34800 管程 E-2 LNG蒸发器 壳程 Ⅲ NG/LNG 6.3 11.6 -165/60 Ⅲ 丙烷 0.26 2.03 -40/60 SA213M TP304 881-UO.D.15.9*t1.6*ST.L9000 △pitch 21 16200 E-1 丙烷气化器 管程 壳程 _ Ⅲ 海水 丙烷 0.17 0.26 0.8 2.03 -5/60 -40/60 SB338 Gr.2 3000O.D.19.05*t1.2*L9008 △pitch 25 48500 名称 容器 类别 介质 操作压力 (Mpa) 设计压力 (Mpa) 最高/最低设 计温度(℃) 管材规格 自重(Kg) 浙江 IFV 的主要规格尺寸: 2 E-1 段换热器 壳程内径 2500mm,介质为丙烷, 壳层设计压力 2.03Mpa, 采用厚度 31mm 的低温碳钢板 (SA516M Gr.415) 管程走海水,采用¢19.05*1.2mm 的焊接钛管(SB338 Gr.2) ,管子数量共 3000 根,换热面积 1576m2,管程压力 0.8 Mpa E-2 段换热器 壳程内径 1050mm,壳层设计压力 2.03Mpa,采用厚度为 20mm 的不锈钢板(SA240M Gr.304) 管程走 LNG/NG,采用¢15.9*1.6mm 的 U 型不锈钢管(SA213M TP.304) ,管子数量共 881 根, 换热面积 778m2,管程压力 11.6Mpa E-3 段换热器 壳程内径 1700mm,介质为 NG,采用厚度为 82mm 的不锈钢板(SA240M Gr.304),壳层设计压 力 11.6Mpa 管程走海水,采用¢19.05*1.8mm 的无缝钛管(SB338 Gr.2) ,管子数量共 3200 根,换热面积 587m2,管程压力 0.8Mpa IFV 的主要特点: 是三类压力容器。介质除了海水就是易燃易爆的丙烷、LNG 液体和 NG 气体,操作条件为 深冷(最低温度-162℃) ,对安全性和连续生产的要求极高; 材料的防腐要求较高。除 E-2 段的换热管为不锈钢管外,在 E-1 和 E-3 中与海水接触的换 热管为耐腐耐磨的钛管,管板和壳体内侧采用复合钢板(碳钢表面复合钛合金,SA516M +SB265) ;管箱内表面采用环氧树脂的内防腐衬里结构。 换热管数量多,与管板连接质量要求高。 自 1978 年的研发至今,在日本的大坂瓦斯、广岛瓦斯、中国的上海 LNG、浙江 LNG 等项目上 已投用了 30 多台 IFV,但制造商仅有日本神户钢铁(Kobe Steel,Ltd.)一家,这不仅因 IFV 气化器 的材料选用上必须满足既要能承受海水腐蚀又能承受低温(-162℃)的要求,换热管的胀接技术上 的难点是主要的障碍。 3. 换热管的胀接技术 在固定管板管壳式换热器中换热管和管板是换热器管程和壳程之间的惟一屏障,换热管与管板 之间的连接结构和连接质量决定了换热器的质量优劣和使用寿命,是换热器制造过程中至关重要的 一个环节[1]。它不但工时耗费量大,更重要的是接头处往往十分苛刻的工况下工作,在生产运行中, 管子和管板的连接处是换热器最容易破坏和失效的部位,如换热器的管子和管板连接质量不好,则 直接影响工艺操作的正常进行,甚至导致全线停车。因此对管壳式换热器中换热管和管板连接的设 计与制造必须高度重视。 3.1 连接方法 管子和管板的连接方法可分为胀接、焊接和胀焊结合三种,管壳式换热器(GB151-1999)[2]有 如下定义: 贴胀 系指为消除换热管与管孔之间缝隙的轻度胀接; 强度胀接 系指为保证换热管与管板连接的密封性和抗拉脱强度的胀接 密封焊 系指为保证换热管与管板连接密封性能的焊接 强度焊 系指为保证换热管与管板连接的密封性和抗拉脱强度的焊接 胀接是一种传统换热管与管板的连接方法,利用胀管器械使管板与管子产生塑性变形而紧密贴 合,形成牢固连接。强度胀时在管板开槽,胀接时管外表部分材料塑性变形,嵌入到管板孔内的凹 槽内,达到即密封又能抗拉脱的目的。胀接刚性好,更换管子方便,适用于设计压力低于 2.5Mpa, 最高不超过 4 Mpa 的场合。 焊接是最常见的一种连接方法,对管板加工要求较低,制造工艺简单,有较好的密封性,焊接、 3 检查、维修都很方便。 在密封性能要求较高的场合、 承受振动或疲劳载荷的场合、 有间隙腐蚀和采用复合管板的场合, 单纯采用胀接或焊接均难以保证连接强度和密封性,胀焊结合是目前广泛采用的方法。神户制钢在 IFV 气化器制造中使用了胀焊结合的连接方式。 在 IFV 的 E-1、E-2 段采用强度胀接+密封焊连接 E-3 段采用强度胀接+强度焊连接 3.2 胀焊并用的先后顺序 胀接与焊接并用又可分先胀后焊的工艺和先焊后胀的工艺。管壳式换热器(GB151-1999)及有关 标准中仅提出胀焊并用的连接方法,而对于是先焊后胀,还是先胀后焊,并未明确规定。 采用先胀后焊的工艺,可以通过胀接对管子进行定位,避免在直接焊接时,由于管子的偏斜间 隙而影响焊接质量;而采用先焊后胀的工艺,可以防止焊接过程的热量使已胀接的接头受热松动。 神户制钢在 IFV 气化器换热管制造中采用的是后一种工艺方法。 3.3 胀接方法 常见的胀接方法有柔性胀接和机械胀接两类。如下图液压胀、橡胶胀属于柔性胀接 柔性胀接有精度较高、并能保证胀接紧密程度均匀一致的特点,连接可靠性比机械胀更好,但 对于 IFV 这样密布的接头要保证 100%的胀接成功也有困难,所以神户制钢在 IFV 气化器胀接时仍 使用工艺较纯熟的机械胀接方法。 机械胀接能承受一定的轴向力、 热冲击和反复热循环, 而且操作简单、使用灵活,在制造和维修中应用较为普遍。 它使用滚柱胀管器(构件上嵌入 3~5 粒小直径的胀珠, 中间有一根锥形胀杆) ,插入管板孔中的管子端部,旋转 胀杆、并向管孔推进,胀珠在锥形胀杆挤压下径向扩大, 4 这样通过胀珠沿胀杆周向旋转,使管子直径增大并产生塑性变形,而管板只达到弹性变形。当取出 胀管器后,管板弹性恢复,使管子和管板间产生一定的挤压力而贴合在一起,从而达到紧固和密封 的目的。 但机械胀管也有缺点:如管子的胀度不一、连接强度和紧密度不均、胀管接口内表面产生硬化, 给重复补胀带来困难等等。因而选择机械胀接应控制胀管率以保证胀紧度。 3.4、胀管率的控制和检验 IFV 气化器主要介质是液化天然气/天然气/丙烷等易燃易爆液液体或气体, 且温度很低若运行中 发生个别胀口泄漏,发生窜料是极其危险的,保证胀接质量尤为重要。 为了保证胀接质量,胀接时应首先注意选择适当的胀管率。胀管率是胀接工艺中主要控制参数之 一,通常用胀紧程度与管板孔原有直径、换热管内径或壁厚的百分比来表示。在制造过程中,胀管率 过小,(欠胀),不能保证必要的连接强度和密封性;胀管率过大(过胀),会使管壁减薄太大,加工硬化严重, 甚至发生裂纹。 胀管率计算公式归纳起来可分为两种:一种是计算胀管前后管子直径增大率,另一种是计算胀 管前后管子壁厚的减薄率。国内现行以内径测量法计算胀管率的公式有: (1)《蒸汽锅炉安全技术监察规程》第 126 条,当采用内径控制法时,胀管率一般应控制在 1%~ 2.1%范围内。胀管率可按下面公式计算:[3] Hn = ( 式中: d1 + 2t ? 1) × 100% d d1 ____ 胀后换热管内径,mm t ____ 胀前管子实测壁厚,mm, d ____ 胀前管板孔直径,mm H n ____ 胀管率,% (2)《工业锅炉安装工程施工及验收规范》 (GB50273-98)中规定,当采用内径控制法时,胀管 率应控制在 1.3%~2.1%范围内,计算公式:[4] Hn = 式中: d1 ? d 2 ? δ × 100% d d1 ____ 胀后换热管内径,mm δ ____ 胀前管子与管板之间间隙,mm, δ = d ? d 0 d ____ 胀前管板孔直径,mm d 2 ____ 胀前换热管内径,mm H n ____ 胀管率,% 无论采用哪种计算方法得到的胀管率实际都是对换热管壁厚减薄量的控制。神户制钢使用有是 壁厚减小率公式,根据其自身经验,K 值范围 4%~9%,控制目标为 5%~6%: K = [(d 2 ?d 1 ) ? (H ? d 0 )]/ (d 0 ? d1 ) × 100% 式中: K ____ 胀管率(或壁厚减小率) ,% d1 ____ 胀前换热管内径,mm d 2 ____ 胀后换热管内径,mm H ____ 胀前管板孔直径,mm d 0 ____ 胀前换热管外径,mm 以 IFV 中 E-1 段胀管率的控制为例:E-1 段共 3000 根换热管,按 5%的抽检率,确定需检查的 5 的 151 根管子,如下图: E-1 段需检查的换热管的编号图 确定了待检的管子,在胀管前后,用内径千分尺按顺序对钛管的直径、壁厚和管板孔径等数据 进行测量和记录,按上面公式计算得出 K 值,如下表(表中仅列 1~31 号管子的记录数据) : 胀管率记录表(部分数据) 根据实际测量记录的数据,计算得出的 K 值都在 4%~9%之内。结论,抽样检查的胀管率符合 设计要求。 4. 影响胀接质量的因素 胀接质量的主要影响因素有管子与管板的材料硬度差、尺寸及其尺寸精度、形位精度、径向间 隙、表面清洁度、管子与管板的硬度差、管孔的开槽。 6 1) 2) 3) 4) 在 IFV 制造中,必须做好制造过程各道工序的质量控制,以保证达到要求胀管率。 严格控制所采购换热管的尺寸。如 E-1 段管子外径必须控制正偏差,管子的椭圆度不超过 ± 0.2mm,管口端面应平直,端面倾斜度不大于管子外径的 2%,管子全长偏差不大于±5mm,管 子弯曲度不大于±5mm; 严格控制管板孔和换热管的精度和配合。如 E-1 段管板孔控制在 19.3±0.05mm,机加工后管板 孔需铰制加工使粗糙度需达到 7 级。焊接时,管子中心线必须保证和管板孔中心线相重合,若 间隙较大,过大的胀接变形将对焊接接头产生损伤甚至脱焊; 管板材料的硬度要高于换热管材料的硬度。由于 E-1、E-3 段换热管为钛管,其硬度比碳钢复合 钢板高,胀前需对钛管采用退火以降低其硬度; 在胀接完成后必须进行耐压试验,检查胀口的严密性。 5. 结束语 随着沿海地区 LNG 接收站的快速发展,IFV 国产化势在必行。目前国内对 IFV 气化器的研发工 作尚在起步阶段,在国产化实践中胀接难点仍将是制造中的一个瓶颈,需要摸索和积累经验。采用 适当的胀接工艺,建立模型通过试胀来确定胀接工艺参数,保证胀管率合格,是确保胀管质量的关 键,到那时制造出合格的 IFV 的日子就指日可待了。 参考文献 [1]于彬,杨洪兰.管壳式换热器中换热管与管板连接的工艺研究[J].金属加工,2010,第 6 期 [2]管壳式气化器(GB151-1999).国家质量技术监督局.2000 年 1 月 [3]《蒸汽锅炉安全技术监察规程》.劳部发(1996)276 号 [4]《工业锅炉安装工程施工及验收规范》 (GB50273-98). 国家质量技术监督局.1998 年 12 月 作者简介:裘栋,工程师;先后从事化纤设备和液化开然气接收站设备的管理。中海浙江宁波液化天然气有限公司 工程部。地址: (315800)电线,。7

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