LNG氣化器的材料選擇與應(yīng)用研究

陳海平 黃 宇 魯 亮 郝思佳

中海石油氣電集團有限責(zé)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(shè)備,設(shè)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(guān)鍵設(shè)備,因此,國內(nèi)科研院所與超低溫裝備制造企業(yè)聯(lián)合開展技術(shù)攻關(guān)工作[1]。

LNG接收站用LNG氣化器由于換熱原理不同,其結(jié)構(gòu)形式也不相同[2],經(jīng)初步統(tǒng)計,常用的中間介質(zhì)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(nèi)外LNG接收站項目中的使用比例依次為5%、70%和28%[3]。

國內(nèi)早期LNG接收站項目全部采用進口LNG氣化器,技術(shù)長期被國外壟斷,其中IFV供貨商只有日本KOBELCO Kobe Steel公司,國內(nèi)供貨數(shù)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(nèi)供貨數(shù)量43臺;SCV供貨商有德國SELAS-LINDE公司和韓國WONIL T&I公司,國內(nèi)供貨數(shù)量30臺。國內(nèi)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(shù)形成的技術(shù)壁壘,國內(nèi)已經(jīng)開展IFV、ORV和SCV的研發(fā),在推動設(shè)備國產(chǎn)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(shè)計、選材、制造等因素。本文通過對現(xiàn)有LNG氣化器的主要材料進行選擇、分析、試驗與應(yīng)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(guān)設(shè)備選材和后續(xù)設(shè)備國產(chǎn)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(fā)器E1、凝結(jié)器E2和加熱器E3組成,利用中間傳熱流體的方法來改善結(jié)冰帶來的影響,通常采用丙烷、異丁烷、氟利昂、氨等介質(zhì)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(wěn)定。IFV最大的優(yōu)點是能將能量綜合利用,如利用有機朗肯循環(huán)的LNG冷能發(fā)電技術(shù),但因采用鈦合金換熱管,設(shè)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(shè)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(lián)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(nèi)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(nèi)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(fēng)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(dǎo)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(diào)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(huán)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(zhì)也不盡相同,因此需要重點關(guān)注氣化器換熱管等關(guān)鍵部件選材對流體介質(zhì)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(shè)備選材受限于國外技術(shù),無法實現(xiàn)材料性能優(yōu)化或制造成本降低。當海水作為流體介質(zhì),在設(shè)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(yīng)選用具有鈦合金管結(jié)構(gòu)的IFV。IFV與海水接觸部分(如海水進、出口側(cè)換熱管及筒體)的材料使用鈦合金,可以抵抗化學(xué)腐蝕、微生物腐蝕和海水點蝕[11]；在加熱器E3區(qū)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(shè)備性能和成本優(yōu)化的關(guān)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(yōu)質(zhì)材料,被譽為“海洋金屬”,在海洋工程、化工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。某LNG項目IFV鈦合金管內(nèi)漏故障使得鈦合金選材引起關(guān)注，當出現(xiàn)鈦合金管內(nèi)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(nèi)壓力升高,進一步影響設(shè)備安全。內(nèi)漏故障的處理一般將內(nèi)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(nèi)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(xué)成分與機械性能見表1。

表1 鈦合金材料化學(xué)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(nèi)漏。國內(nèi)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(jīng)濟優(yōu)勢。在高含沙海水條件下的IFV要實現(xiàn)選材突破,同時在江水條件較好的某內(nèi)河LNG接收(轉(zhuǎn)運)站工程中,因需采用IFV進行LNG冷能利用,創(chuàng)新性地采用不銹鋼代替鈦合金換熱管,設(shè)備投資下降50%以上,在制造成本、環(huán)境影響、占地面積等方面較ORV更具優(yōu)勢。

2.2 ORV材料比選

ORV的換熱結(jié)構(gòu)主要是由匯管、換熱管和海水系統(tǒng)三部分組成[14]。ORV需要溫度高于5 ℃、水質(zhì)較好的海水作為熱源,所以O(shè)RV主要構(gòu)件材料選擇導(dǎo)熱性能良好的鋁合金。根據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》關(guān)于鋁合金壓力容器的要求,ORV設(shè)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(shè)計要求和不同的材料加工要求,ORV換熱管與聯(lián)管采用不同的材料設(shè)計。鋁合金材料化學(xué)成分與機械性能見表2。

表2 鋁合金材料化學(xué)成分與機械性能表

ORV換熱管設(shè)計為不規(guī)則的星型結(jié)構(gòu),可在有限空間內(nèi)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(shè)計為常規(guī)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(dǎo)致斷裂或剝離,因此，鋁合金構(gòu)件的防腐涂層噴涂處理十分關(guān)鍵。ORV換熱管和聯(lián)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(xiàn)鋁合金換熱管的保護,保證設(shè)備安全、可靠運行[16]。根據(jù)國內(nèi)項目經(jīng)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(yīng)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(yīng)減少。涂層技術(shù)國產(chǎn)化工作正在開展,主要參考GB/T 19352.1～19352.4《熱噴涂結(jié)構(gòu)的質(zhì)量要求》等標準和規(guī)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(gòu)件表面涂層材料,通過在ORV常規(guī)Zn-Al涂層基礎(chǔ)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(xué)成分與機械性能見表3。

表3 不銹鋼材料化學(xué)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(qū)別,304和316的耐熱性分別優(yōu)于304L和316L,但耐蝕性分別低于304L和316L[20]。316L在304L基礎(chǔ)上增加了Mo,提高了耐晶間腐蝕、氧化物應(yīng)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(shù)被國外壟斷,從節(jié)省成本考慮,SCV設(shè)計采用不銹鋼304L,因304L的耐腐蝕能力較弱,換熱管一旦出現(xiàn)損壞，維修難度極大,所以在設(shè)備使用期間pH值控制加藥系統(tǒng)被重點監(jiān)控,間接增加了運行成本。隨著國內(nèi)設(shè)計和運維經(jīng)驗的增加,國內(nèi)LNG接收站在設(shè)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(shè)備故障概率。

3 結(jié)論

隨著國產(chǎn)LNG氣化器技術(shù)的不斷成熟,各類LNG氣化器的選材逐步實現(xiàn)最優(yōu)設(shè)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(jīng)驗,為后續(xù)LNG氣化器生產(chǎn)企業(yè)提供參考。

自2006年國內(nèi)第一個LNG接收站——大鵬LNG投產(chǎn)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(diào)峰站和內(nèi)河LNG轉(zhuǎn)運站的建設(shè)需要,具有適應(yīng)性強、能耗低和利用廢熱實現(xiàn)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(fā)打下堅實的研究基礎(chǔ)。