储气库高压天然气压缩机空冷器制造经验浅析

张果

摘 要：储气库天然气压缩机空冷器制造国内起步较晚，与国外技术相比存在一定的差距，针对该储气库天然气压缩机空冷器项目，结合国内现行的标准，对高压、大排量天然气压缩机空冷器设计、选材、焊接、无损检测进行了分析。

关键词：储气库;高压大排量;天然气压缩机空冷器

0 引言

随着我国经济社会不断发展，对天然气的需求越来越大，长期以来，我国北方冬季出现气荒，严重影响人们生活水平。为此，急需找到一种方式解决天然气供需平衡。地下储气库是截至目前国际公认最经济有效的天然气季节调峰手段，也是我国天然气战略储备的重要手段。但是我国储气库起步较晚，建设周期长、投入大，相关配套设施要求高。目前，国内空冷器设计标准NB/T47007-2018《空冷式热交换器》规定设计压力不高于35MPa[1]，但是国内储气库天然气压缩机空冷器设计压力均超过了35MPa，迫切需要找到一种新的设计制造方法。

1 空冷器的设计难点

1.1 热工计算

该储气库压缩机空冷器单台介质流量104.2～146.43×

104Nm3/d，且为变工况，排量大、最高设计压力36.5MPa，运行时产生交变载荷，在设计时，必须对压缩机的每个工况运行参数进行校核，分析复杂环境对空冷器带来的影响，保证各种条件下的冷却效果。

1.2 压降的控制

由于天然气压缩机排量大，天然气在通过空冷器管束时存在一定的压力降，压降太大，压缩后的天然气经过空冷器管束时阻力较大，出现节流，导致压缩机负荷增加，还会对管束造成较大冲击，产生振动、异响，冲击承压部件焊接接头，长时间运行后，焊接接头可能出现裂纹，导致事故发生。

1.3 空冷器集合管管箱结构设计难度较大

NB/T47007-2018《空冷式热交换器》标准未规定工作压力超过35MPa时管箱式结构形式，因此，必须找到一种新型的集合管箱结构，该空冷器二级气管束设计压力为36.5MPa，已经超过GB150-2010《压力容器》和NB/T47007《空冷式热交换器》适用范围，结构强度设计难度较大。若选用常规的管箱结构，管箱材料厚度大，焊接和无损检测质量不易控制，无法确保空冷器的质量，因此只能依据现有的设计标准，在现有的条件下找到一种新的结构形式，确保核心部件的质量安全。

2 质量控制措施

2.1 设计优化

2.1.1 强度计算

该空冷器最高设计压力已经超过GB150-2011《压力容器》规定的适用范围，强度设计可依据依据JB/T4732-1995《钢制压力容器-分析设计标准》进行计算。该标准是一分析设计为基础的钢制压力容器标准，提供了以弹性分析和塑形失效准则、弹塑失效准则为基础的设计方法;对选材、制造、检验和验收规定了比GB150-2011《压力容器》更为严格的要求。[2]

2.1.2 热工计算

根据压缩机运行参数，得出热负荷，从而计算出所需的换热面积，选取合适的风机参数，进行整体设计布置。使用专业授权正版软件HTRI或hysys对空冷器运行工况进行模拟，建立空冷器的模型，对运行工艺参数进行校核，达到最优化的设计。根据空冷器的结构，模拟出介质在空冷器内介质流速，控制最大的压降，减小介质对换热管内壁的冲击，从而较小压缩机的负荷，延长空冷器的寿命。由于该空冷器天然气流量较大，运行工况复杂。需要对每个工况进行模拟，尤其是在极端条件的情况，要确保冷却效果。

2.1.3 管箱和翅片管结构形式选择

该空冷器最高设计压力超过国内空冷器标准规定值，且标准未推荐可选用管箱结构。根据压力容器制造经验，可选择整体锻焊式结构。该种结构安全系数高，质量稳定，制造难度小。翅片管是空冷器的核心部件，翅片管形式选择DR型，该种翅片管抗腐蚀性能好，使用寿命长，传热效率高，压降小，翅片的整体性和刚度高，翅片牢固，不易变形，可用高压水清洗，便于后期维护保养。[3]

2.2 材料选择

2.2.1 换热管选择

钢管应为冷拔高精度无缝钢管[4]，钢管应满足GB/T6479-2013《高压化肥设备用无缝钢管》的相应要求外还应满足以下要求：①钢管应满足NB/T47019-2011《锅炉、热交换器用管订货技术条件》的相应规定;②钢管应按GB/T5777-2008《无缝钢管超声波探伤检验方法》的规定逐根全长进行超声波探伤检验，对比样管纵向刻槽深度等级按L2执行;③钢管应按NB/T47013-2015《承压设备无损检测》逐根进行100%的MT或PT检测，要求I级合格;④无缝钢管应按标准逐根进行设计压力1.5倍进行水压试验，在不少于10S的保压时间内;⑤换热管材料回厂后应对材料的化学成分，力学性能进行复验。

2.2.2 集合管选择

集合管箱是空冷器设备最核心部件，直接影响空冷器的使用安全。目前我国先后引进了两种不同型式管箱结构的高压空冷器，一种是锻焊型管箱，一种是焊接型管箱。该项目集合管采用整体锻焊型管箱，集合管的强度设计根据JB/T4732-1995《钢制压力容器-分析设计标准》进行设计计算，采用Ansys建立模拟模型，对强度进行分析设计，保证设备安全。

集合管锻件除应符合NB/T47008-2017《承压设备用碳素钢和合金钢锻件》中16Mn锻件的要求外还应符合以下要求：①锻件最终热处理状态应为正火;②锻件应符合NB/T47008-2010《碳素钢和合金钢锻件》中IV锻件要求;且超声检测应按此标准执行;③锻件应进行-20℃夏比V型缺口冲击试验，要求三个标准试验冲击功均要求不小于34J;④锻件按GB/T10561-2005<钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法>规定，检验结果应满足A类、B类、C类、D类夹杂物不大于2级，且四者和不大于3.5级;⑤锻件按GB/T226-1991《鋼的低倍组织及缺陷酸腐蚀试验法》规定试验，其结果应满足一般疏松≤2级，中心疏松≤2级，偏析≤1.5级，不允许锻件内部存在白点、裂纹、气孔等缺陷;⑥锻件按GB/T6394-2002《金属平均晶粒度测定方法》规定，其结果应是6级或6级以上的晶粒度;⑦锻件应复验化学成分、力学性能复验及其超声波复验;⑧锻件要求超声波复检其结果应满足以下要求：检测起始灵敏度为φ2当量直径，φ2当量直径一下的缺陷不计，但应作记录，不作验收要求。且不允许存在当量φ4的单个缺陷，且缺陷聚集区应控制在一下范围内;缺陷聚集区的总面积应小于检测面积的3%，且每区面积小于10cm，间距不小于200mm;⑨超声检测应分两次进行，第一次超声波检测和第二次检测分别在初加工后和终加工后。

设备焊接前应对焊接补强接面分别按NB/T47013-2015《承压设备无损检测》进行100%的超声波检测，要求I级合格，且要求无分层等影响焊接的缺陷。

集合管焊接完毕应按热处理工艺进行整体热处理。

2.3 焊接及其无损检测

加厚接管与集合管采用骑座焊的方式连接，根据预焊接工艺，采用氩弧焊打底，手工焊盖面的方式，焊接完成后，对焊缝根部进行清理，为了确保焊接质量。加厚接管与集合管焊接一层需要进行100%PT检测，所有承压部件对接焊接接头进行100%RT检测，按照NB/T47013.2-2015《承压设备无损检测》，技术等级AB级，II级合格。

2.4 强度试验和气密性试验

按照强度试验工艺卡，对管束进行强度试验，无任何异响、泄漏现象。强度试验完成后对管束进行气密封试验，确保管束使用安全。

3 结语

通过上述对储气库高压天然气压缩机空冷器制造的分析，在设计、选材、焊接、无损检测以及各种试验环节加以控制，做到每一个环节有据可依，扬长避短，依据我们现有的技术条件，完全能够制造出安全可靠的高压天然气压缩机空冷器，为我国储气库事业的发展做出贡献。

参考文献：

[1] NB/T47007-2018.空冷式热交换器[S].北京：国家能源局，2018.

[2] JB/T4732-1995.钢制压力容器-分析设计标准[S].北京：国家机械工业部，1995.

[3]马义伟.空冷器设计与应用[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998.

[4] GB/T6479-2013.高压化肥设备用无缝钢管[S].北京：国家质量监督检验检疫总局，2013.