LNG气化器的材料选择与应用研究

陈海平 黄 宇 鲁 亮 郝思佳

中海石油气电集团有限责任公司, 北京 100028

0 前言

LNG气化器是LNG接收站除LNG储罐外投资最大的单体设备,设计压力一般为10～17 MPa,属于高压容器。由于LNG具有超低温(-165 ℃)、气液膨胀比大(600倍)、可燃范围小(5%～15%)的特点,LNG气化器成为LNG接收站板块需要重点突破的关键设备,因此,国内科研院所与超低温装备制造企业联合开展技术攻关工作[1]。

LNG接收站用LNG气化器由于换热原理不同,其结构形式也不相同[2],经初步统计,常用的中间介质式气化器(Intermediate Fluid Vaporizer,IFV)、开架式气化器(Open Rack Vaporizer,ORV)和浸没燃烧式气化器(Submerged Combustion Vaporizer,SCV)在国内外LNG接收站项目中的使用比例依次为5%、70%和28%[3]。

国内早期LNG接收站项目全部采用进口LNG气化器,技术长期被国外垄断,其中IFV供货商只有日本KOBELCO Kobe Steel公司,国内供货数量11台;ORV供货商有日本KOBELCO Kobe Steel公司和日本Sumitomo Heavy Industries公司,国内供货数量43台;SCV供货商有德国SELAS-LINDE公司和韩国WONIL T&I公司,国内供货数量30台。国内采购进口LNG气化器的总投资超过15亿元,采购谈判处于被动地位。

为打破国外技术形成的技术壁垒,国内已经开展IFV、ORV和SCV的研发,在推动设备国产化和自主化方面起到了积极作用[4]。在LNG气化器研制过程中,需要综合考虑设计、选材、制造等因素。本文通过对现有LNG气化器的主要材料进行选择、分析、试验与应用研究,提供了LNG气化器选材方案,为新型LNG气化器、其他相关设备选材和后续设备国产化提供参考。

1 LNG气化器介绍

1.1 IFV

IFV工作原理见图1。IFV主要由蒸发器E1、凝结器E2和加热器E3组成,利用中间传热流体的方法来改善结冰带来的影响,通常采用丙烷、异丁烷、氟利昂、氨等介质作为中间传热流体。实际使用过程中传热过程可分为两级:第一级由LNG和中间传热流体进行换热;第二级由中间传热流体和热源流体进行换热[5]。IFV占地面积小,适用于含沙量较大、重金属离子较高的水域,气化量稳定。IFV最大的优点是能将能量综合利用,如利用有机朗肯循环的LNG冷能发电技术,但因采用钛合金换热管,设备投资高,使用占比较低。

1.2 ORV

ORV工作原理见图2。ORV以海水为热源,具有投资高、设计简单、操作和维护方便的特点。ORV基本单元是换热管,由若干换热管组成板状排列,两端与联管焊接形成一个管束板,再由若干个管束板组成气化器[6],LNG从下部总管进入,在管束板内由下向上垂直流动。ORV顶部有海水均布装置,海水从管束板外自上而下成薄膜状均匀沿换热管下降,海水将热量传递给换热管内的LNG,LNG受热气化。

1.3 SCV

SCV工作原理见图3。SCV具有热量输送量大、占地面积适中等特点。SCV由换热管、水浴池、燃烧器、燃烧室和鼓风机等组成[7]。天然气换热管置于水浴池中水浴液位以下,燃烧器将燃烧后的烟气直接排入水浴池中,引起水浴的剧烈扰动。烟气的放热量基本相当于LNG气化所需热量,水浴的温度保持不变,传热效率非常高,开停车迅速、方便,因需提供1.5%的天然气燃烧作为热源,导致运行成本高。SCV不作为基本负荷型气化器,主要用于冬季或紧急调峰工况[8]。

2 LNG气化器材料

LNG气化常用热源有蒸汽、海水、燃料、环境空气和工厂(或电厂)废热等,热源不同意味着换热器壳程中流体介质也不尽相同,因此需要重点关注气化器换热管等关键部件选材对流体介质的适用性,且不影响换热器的换热效率[9]。由于IFV、ORV和SCV主要为进口,设备选材受限于国外技术,无法实现材料性能优化或制造成本降低。当海水作为流体介质,在设备选材时还需考虑海水腐蚀等因素[10]。

2.1 IFV材料比选

在海水悬沙量较大的情况下,LNG接收站的基本负荷型LNG气化器应选用具有钛合金管结构的IFV。IFV与海水接触部分(如海水进、出口侧换热管及筒体)的材料使用钛合金,可以抵抗化学腐蚀、微生物腐蚀和海水点蚀[11]；在加热器E3区域壳程筒体部分采用的材料是耐低温合金钢[12]；LNG接触的换热管和管箱的材料可选取奥氏体不锈钢材料。因此,IFV选材核心就是钛合金,是设备性能和成本优化的关键。相比于铜镍合金及不锈钢来说,钛有高比强度、耐腐蚀的特点,是海水换热器的优质材料,被誉为“海洋金属”,在海洋工程、化工等领域应用广泛。某LNG项目IFV钛合金管内漏故障使得钛合金选材引起关注，当出现钛合金管内漏时,海水将进入丙烷空间与丙烷混合,影响冷凝效果并不断造成丙烷空间内压力升高,进一步影响设备安全。内漏故障的处理一般将内漏的换热管切断,剩余管口与管板焊死,造成换热面积减少,换热效率下降。在国内研制IFV过程中,重点对钛合金主要牌号及性能进行选取研究[13]。钛合金材料化学成分与机械性能见表1。

表1 钛合金材料化学成分与机械性能表

从表1可以看出,按TA1、TA2和TA3的顺序,除Ti外，其他成分含量依次增高,成分的变化使钛合金的机械强度和硬度依次增强,同时塑性韧性依次下降。KOBELCO Kobe Steel公司供货的IFV常用TA1作为换热管主材,防止因强度不足造成内漏。国内制造的IFV最终选取TA2作为主材,TA2较TA1具有更高的强度和硬度,满足钛管与管板焊接和海水冲刷的强度要求,比TA3更具有经济优势。在高含沙海水条件下的IFV要实现选材突破,同时在江水条件较好的某内河LNG接收(转运)站工程中,因需采用IFV进行LNG冷能利用,创新性地采用不锈钢代替钛合金换热管,设备投资下降50%以上,在制造成本、环境影响、占地面积等方面较ORV更具优势。

2.2 ORV材料比选

ORV的换热结构主要是由汇管、换热管和海水系统三部分组成[14]。ORV需要温度高于5 ℃、水质较好的海水作为热源,所以ORV主要构件材料选择导热性能良好的铝合金。根据TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》关于铝合金压力容器的要求,ORV设计压力一般不高于16 MPa[15]。因LNG与海水的超临界换热、气化高压的设计要求和不同的材料加工要求,ORV换热管与联管采用不同的材料设计。铝合金材料化学成分与机械性能见表2。

表2 铝合金材料化学成分与机械性能表

ORV换热管设计为不规则的星型结构,可在有限空间内增加换热面积,ORV换热管材料需要具有可塑性,因铝合金SB 221-6063的主要合金元素为Si,属于可热处理的变形铝合金,可挤压各种薄壁、中空型材,焊接性和热缩性较好,最终选择SB 221-6063作为ORV换热管材料。ORV汇管设计为常规圆管并保证一定强度,铝合金SB 241-5083的主要合金元素为Mn和Mg,属于不可热处理的变形铝合金,具有强度良好、耐蚀性、可焊接性能等特点,广泛用于船舶、压力容器(如液体罐车)、制冷装置等,最终选择SB241-5083作为ORV汇管材料。

铝合金材料在海水冲刷下会造成铝合金换热管的腐蚀,当腐蚀集中在某些部位时就会造成材料的空隙,材料强度降低,从而导致断裂或剥离,因此，铝合金构件的防腐涂层喷涂处理十分关键。ORV换热管和联管表面需喷涂厚度为200～400 μm的Al、Zn、Mg或其合金保护层,利用牺牲阳极保护阴极的腐蚀机理实现铝合金换热管的保护,保证设备安全、可靠运行[16]。根据国内项目经验,ORV采用锌重量百分比占2%的铝合金金属涂层[17],当海水重金属离子含量Cu2+<10 μg/L、Hg2+<0.5 μg/L、含沙量<80 mg/L时,涂层的有效使用时间超过25 000 h,当涂层厚度小于50 μm时应立即进行涂层补涂[18],当海水含沙量不满足上述指标要求时,涂层的有效使用时间相应减少。涂层技术国产化工作正在开展,主要参考GB/T 19352.1～19352.4《热喷涂结构的质量要求》等标准和规范要求,并尝试使用Zn-Al-Cu-Y合金(牺牲阳极涂层新型合金)作为铝合金构件表面涂层材料,通过在ORV常规Zn-Al涂层基础上添加Cu和合金化稀土元素Y,可以提高材料强度、硬度,以及改善涂层抗冲蚀、抗腐蚀性能。

2.3 SCV材料比选

不锈钢在冶炼过程中加入Cr、Ni、Mn、Si等合金元素,使钢具有耐蚀性,在选取SCV换热管材料时,综合考虑耐低温、高强度、耐腐蚀、成本低等因素,最终选取不锈钢材料[19]。不锈钢材料化学成分与机械性能见表3。

表3 不锈钢材料化学成分与机械性能表

不锈钢材料因C含量不同,其耐热性和耐蚀性也有区别,304和316的耐热性分别优于304L和316L,但耐蚀性分别低于304L和316L[20]。316L在304L基础上增加了Mo,提高了耐晶间腐蚀、氧化物应力腐蚀的能力,有良好的耐氯化物腐蚀性能。304、304L、316和316L的价格依次递增,316L价格最贵。前期由于SCV技术被国外垄断,从节省成本考虑,SCV设计采用不锈钢304L,因304L的耐腐蚀能力较弱,换热管一旦出现损坏，维修难度极大,所以在设备使用期间pH值控制加药系统被重点监控,间接增加了运行成本。随着国内设计和运维经验的增加,国内LNG接收站在设计阶段已逐步要求采用316L取代304L,以增加换热管耐蚀性,降低设备故障概率。

3 结论

随着国产LNG气化器技术的不断成熟,各类LNG气化器的选材逐步实现最优设计,本文通过对LNG气化器常用材料的分析研究,给出选材的实践经验,为后续LNG气化器生产企业提供参考。

自2006年国内第一个LNG接收站——大鹏LNG投产以来,LNG气化器的选型局限于IFV、ORV和SCV,随着中小型LNG气化站、LNG调峰站和内河LNG转运站的建设需要,具有适应性强、能耗低和利用废热实现能源耦合等特点的新型LNG气化器是下阶段科研投入的重点,通过对LNG气化器常用的超低温材料进行的整体研究,为新型LNG气化器的开发打下坚实的研究基础。