LNG绕管式换热器的研发

尹丽艳

（开封空分集团有限公司总工办，河南 开封 475000）

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：①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；②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；③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。

2 LNG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2×104m2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，2×104m2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：

①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。

②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。

③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，对设备进行氨检漏试验以保证换热管与管板连接的可靠性，在对大型LNG绕管换热器试制初期可以通过微漏检查来对氨检漏试验进行对比和验证。

针对整个样机的检验技术，还需进行一些其他的试验，如低温试验等。通过这些试验，能更好地保证试制样机的安全可靠。

［1］浦晖，陈杰.绕管式换热器在大型天然气液化装置中的应用及国产化技术分析［J］.制冷技术，2011（3）：24-27。