儲(chǔ)氣庫(kù)高壓天然氣壓縮機(jī)空冷器制造經(jīng)驗(yàn)淺析

張果

摘 要：儲(chǔ)氣庫(kù)天然氣壓縮機(jī)空冷器制造國(guó)內(nèi)起步較晚，與國(guó)外技術(shù)相比存在一定的差距，針對(duì)該儲(chǔ)氣庫(kù)天然氣壓縮機(jī)空冷器項(xiàng)目，結(jié)合國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)高壓、大排量天然氣壓縮機(jī)空冷器設(shè)計(jì)、選材、焊接、無(wú)損檢測(cè)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)氣庫(kù);高壓大排量;天然氣壓縮機(jī)空冷器

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)不斷發(fā)展，對(duì)天然氣的需求越來(lái)越大，長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)北方冬季出現(xiàn)氣荒，嚴(yán)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(chǔ)氣庫(kù)是截至目前國(guó)際公認(rèn)最經(jīng)濟(jì)有效的天然氣季節(jié)調(diào)峰手段，也是我國(guó)天然氣戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備的重要手段。但是我國(guó)儲(chǔ)氣庫(kù)起步較晚，建設(shè)周期長(zhǎng)、投入大，相關(guān)配套設(shè)施要求高。目前，國(guó)內(nèi)空冷器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)NB/T47007-2018《空冷式熱交換器》規(guī)定設(shè)計(jì)壓力不高于35MPa[1]，但是國(guó)內(nèi)儲(chǔ)氣庫(kù)天然氣壓縮機(jī)空冷器設(shè)計(jì)壓力均超過(guò)了35MPa，迫切需要找到一種新的設(shè)計(jì)制造方法。

1 空冷器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)

1.1 熱工計(jì)算

該儲(chǔ)氣庫(kù)壓縮機(jī)空冷器單臺(tái)介質(zhì)流量104.2～146.43×

104Nm3/d，且為變工況，排量大、最高設(shè)計(jì)壓力36.5MPa，運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生交變載荷，在設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)壓縮機(jī)的每個(gè)工況運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行校核，分析復(fù)雜環(huán)境對(duì)空冷器帶來(lái)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(jī)排量大，天然氣在通過(guò)空冷器管束時(shí)存在一定的壓力降，壓降太大，壓縮后的天然氣經(jīng)過(guò)空冷器管束時(shí)阻力較大，出現(xiàn)節(jié)流，導(dǎo)致壓縮機(jī)負(fù)荷增加，還會(huì)對(duì)管束造成較大沖擊，產(chǎn)生振動(dòng)、異響，沖擊承壓部件焊接接頭，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，焊接接頭可能出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致事故發(fā)生。

1.3 空冷器集合管管箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度較大

NB/T47007-2018《空冷式熱交換器》標(biāo)準(zhǔn)未規(guī)定工作壓力超過(guò)35MPa時(shí)管箱式結(jié)構(gòu)形式，因此，必須找到一種新型的集合管箱結(jié)構(gòu)，該空冷器二級(jí)氣管束設(shè)計(jì)壓力為36.5MPa，已經(jīng)超過(guò)GB150-2010《壓力容器》和NB/T47007《空冷式熱交換器》適用范圍，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)難度較大。若選用常規(guī)的管箱結(jié)構(gòu)，管箱材料厚度大，焊接和無(wú)損檢測(cè)質(zhì)量不易控制，無(wú)法確?？绽淦鞯馁|(zhì)量，因此只能依據(jù)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在現(xiàn)有的條件下找到一種新的結(jié)構(gòu)形式，確保核心部件的質(zhì)量安全。

2 質(zhì)量控制措施

2.1 設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1.1 強(qiáng)度計(jì)算

該空冷器最高設(shè)計(jì)壓力已經(jīng)超過(guò)GB150-2011《壓力容器》規(guī)定的適用范圍，強(qiáng)度設(shè)計(jì)可依據(jù)依據(jù)JB/T4732-1995《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行計(jì)算。該標(biāo)準(zhǔn)是一分析設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的鋼制壓力容器標(biāo)準(zhǔn)，提供了以彈性分析和塑形失效準(zhǔn)則、彈塑失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法;對(duì)選材、制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收規(guī)定了比GB150-2011《壓力容器》更為嚴(yán)格的要求。[2]

2.1.2 熱工計(jì)算

根據(jù)壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)，得出熱負(fù)荷，從而計(jì)算出所需的換熱面積，選取合適的風(fēng)機(jī)參數(shù)，進(jìn)行整體設(shè)計(jì)布置。使用專(zhuān)業(yè)授權(quán)正版軟件HTRI或hysys對(duì)空冷器運(yùn)行工況進(jìn)行模擬，建立空冷器的模型，對(duì)運(yùn)行工藝參數(shù)進(jìn)行校核，達(dá)到最優(yōu)化的設(shè)計(jì)。根據(jù)空冷器的結(jié)構(gòu)，模擬出介質(zhì)在空冷器內(nèi)介質(zhì)流速，控制最大的壓降，減小介質(zhì)對(duì)換熱管內(nèi)壁的沖擊，從而較小壓縮機(jī)的負(fù)荷，延長(zhǎng)空冷器的壽命。由于該空冷器天然氣流量較大，運(yùn)行工況復(fù)雜。需要對(duì)每個(gè)工況進(jìn)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(jié)構(gòu)形式選擇

該空冷器最高設(shè)計(jì)壓力超過(guò)國(guó)內(nèi)空冷器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，且標(biāo)準(zhǔn)未推薦可選用管箱結(jié)構(gòu)。根據(jù)壓力容器制造經(jīng)驗(yàn)，可選擇整體鍛焊式結(jié)構(gòu)。該種結(jié)構(gòu)安全系數(shù)高，質(zhì)量穩(wěn)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(zhǎng)，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(hù)保養(yǎng)。[3]

2.2 材料選擇

2.2.1 換熱管選擇

鋼管應(yīng)為冷拔高精度無(wú)縫鋼管[4]，鋼管應(yīng)滿足GB/T6479-2013《高壓化肥設(shè)備用無(wú)縫鋼管》的相應(yīng)要求外還應(yīng)滿足以下要求：①鋼管應(yīng)滿足NB/T47019-2011《鍋爐、熱交換器用管訂貨技術(shù)條件》的相應(yīng)規(guī)定;②鋼管應(yīng)按GB/T5777-2008《無(wú)縫鋼管超聲波探傷檢驗(yàn)方法》的規(guī)定逐根全長(zhǎng)進(jìn)行超聲波探傷檢驗(yàn)，對(duì)比樣管縱向刻槽深度等級(jí)按L2執(zhí)行;③鋼管應(yīng)按NB/T47013-2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》逐根進(jìn)行100%的MT或PT檢測(cè)，要求I級(jí)合格;④無(wú)縫鋼管應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)逐根進(jìn)行設(shè)計(jì)壓力1.5倍進(jìn)行水壓試驗(yàn)，在不少于10S的保壓時(shí)間內(nèi);⑤換熱管材料回廠后應(yīng)對(duì)材料的化學(xué)成分，力學(xué)性能進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。

2.2.2 集合管選擇

集合管箱是空冷器設(shè)備最核心部件，直接影響空冷器的使用安全。目前我國(guó)先后引進(jìn)了兩種不同型式管箱結(jié)構(gòu)的高壓空冷器，一種是鍛焊型管箱，一種是焊接型管箱。該項(xiàng)目集合管采用整體鍛焊型管箱，集合管的強(qiáng)度設(shè)計(jì)根據(jù)JB/T4732-1995《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，采用Ansys建立模擬模型，對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，保證設(shè)備安全。

集合管鍛件除應(yīng)符合NB/T47008-2017《承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件》中16Mn鍛件的要求外還應(yīng)符合以下要求：①鍛件最終熱處理狀態(tài)應(yīng)為正火;②鍛件應(yīng)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(cè)應(yīng)按此標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行;③鍛件應(yīng)進(jìn)行-20℃夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)，要求三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)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(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法>規(guī)定，檢驗(yàn)結(jié)果應(yīng)滿足A類(lèi)、B類(lèi)、C類(lèi)、D類(lèi)夾雜物不大于2級(jí)，且四者和不大于3.5級(jí);⑤鍛件按GB/T226-1991《鋼的低倍組織及缺陷酸腐蝕試驗(yàn)法》規(guī)定試驗(yàn)，其結(jié)果應(yīng)滿足一般疏松≤2級(jí)，中心疏松≤2級(jí)，偏析≤1.5級(jí)，不允許鍛件內(nèi)部存在白點(diǎn)、裂紋、氣孔等缺陷;⑥鍛件按GB/T6394-2002《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》規(guī)定，其結(jié)果應(yīng)是6級(jí)或6級(jí)以上的晶粒度;⑦鍛件應(yīng)復(fù)驗(yàn)化學(xué)成分、力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)及其超聲波復(fù)驗(yàn);⑧鍛件要求超聲波復(fù)檢其結(jié)果應(yīng)滿足以下要求：檢測(cè)起始靈敏度為φ2當(dāng)量直徑，φ2當(dāng)量直徑一下的缺陷不計(jì)，但應(yīng)作記錄，不作驗(yàn)收要求。且不允許存在當(dāng)量φ4的單個(gè)缺陷，且缺陷聚集區(qū)應(yīng)控制在一下范圍內(nèi);缺陷聚集區(qū)的總面積應(yīng)小于檢測(cè)面積的3%，且每區(qū)面積小于10cm，間距不小于200mm;⑨超聲檢測(cè)應(yīng)分兩次進(jìn)行，第一次超聲波檢測(cè)和第二次檢測(cè)分別在初加工后和終加工后。

設(shè)備焊接前應(yīng)對(duì)焊接補(bǔ)強(qiáng)接面分別按NB/T47013-2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》進(jìn)行100%的超聲波檢測(cè)，要求I級(jí)合格，且要求無(wú)分層等影響焊接的缺陷。

集合管焊接完畢應(yīng)按熱處理工藝進(jìn)行整體熱處理。

2.3 焊接及其無(wú)損檢測(cè)

加厚接管與集合管采用騎座焊的方式連接，根據(jù)預(yù)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(duì)焊縫根部進(jìn)行清理，為了確保焊接質(zhì)量。加厚接管與集合管焊接一層需要進(jìn)行100%PT檢測(cè)，所有承壓部件對(duì)接焊接接頭進(jìn)行100%RT檢測(cè)，按照NB/T47013.2-2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》，技術(shù)等級(jí)AB級(jí)，II級(jí)合格。

2.4 強(qiáng)度試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)

按照強(qiáng)度試驗(yàn)工藝卡，對(duì)管束進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，無(wú)任何異響、泄漏現(xiàn)象。強(qiáng)度試驗(yàn)完成后對(duì)管束進(jìn)行氣密封試驗(yàn)，確保管束使用安全。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)高壓天然氣壓縮機(jī)空冷器制造的分析，在設(shè)計(jì)、選材、焊接、無(wú)損檢測(cè)以及各種試驗(yàn)環(huán)節(jié)加以控制，做到每一個(gè)環(huán)節(jié)有據(jù)可依，揚(yáng)長(zhǎng)避短，依據(jù)我們現(xiàn)有的技術(shù)條件，完全能夠制造出安全可靠的高壓天然氣壓縮機(jī)空冷器，為我國(guó)儲(chǔ)氣庫(kù)事業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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

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[3]馬義偉.空冷器設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998.

[4] GB/T6479-2013.高壓化肥設(shè)備用無(wú)縫鋼管[S].北京：國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2013.