天然气液化用绕管换热器建造技术标准分析

苏清博，鹿来运，陈 杰，马 源

（1.中海石油气电集团有限责任公司，北京 100028；2.开封空分集团有限公司，河南开封 410202）

国际上90%以上新建基荷型天然气液化工厂采用LNG绕管换热器[1]，为什么国内缺少超低温LNG绕管换热器的应用？①受气田规模制约国内已有的200余座液化工厂均为中、小型液化装置，可采用板翅式换热器作为主低温冷箱；②绕管换热器冷箱由Linde、APCI垄断，价格高昂；③国内制造单位缺少全套LNG绕管换热器设计、建造自有技术。中国自有的LNG绕管换热器核心技术、标准缺失已经严重制约LNG行业的发展。中国海油技术研发团队起草、实施的Q/HS10017—2019 绕管式换热器技术规范能为该设备的设计、建造、验收提供技术指导。

1 国内外现状分析

19世纪末，德国林德公司（Linde）开发了一种螺旋缠绕管式换热器（Linde C.西德专利号No.88824），英国汉普森设计并改进蛇管形螺旋绕管式换热器（Hampson W.英国专利号No.10156）。目前国际上尚无已公布实施的绕管换热器标准，各生产企业依据自有企业标准实施。

国内换热器设计建造的标准为GB150压力容器、GB/T151热交换器、TSG21-2016固定式压力容器安全技术监察规程，目前针对绕管换热器的标准尚空缺。

国际上热交换器及压力容器通常以ASME压力容器系列规范[2]，APCI、Linde在绕管换热器设计制造过程中均采用企业自有、未公开发布的绕管换热器标准。以Linde为例，在设计制造过程中参考的标准规范：采用ASME-VIII系列规范、German AD-Merkblatt、PED等通用规范，制造采用企业自有Linde VA系列标准，如：Linde ED 214-2007可用于指导绕管式换热器的建造，LS211-04用于换热管与管板连接制造检验，LS 103-10对尺寸公差进行了规定要求，还有LS 135-06、LS 141-74、LS 449-01、LS 490-20、LS 513-1等自有规范指导设备的建造。

2 材料选型

LNG绕管换热器主要材料类型可分为管材、板材、锻件、其他材料。以Linde公司提供的铝制LNG绕管换热器为例，换热器壳体采用5083-O牌号的铝镁合金、执行EN485、AD-M W6/1标准，国内对标：GB/T3880、GB/T3190；换热管采用5049镁铝合金、执行EN754、AD-M W6/1标准，国内无该牌号材料；锻件采用5083-H铝镁合金，执行EN755、ADM W6/1，国内对标NB/T47029。

2.1 管材选型与技术要求

一般的LNG绕管式换热器管程为混合制冷剂、天然气，管程的工作压力可以达到3～8MPa。换热管需要选取低温机械性能良好的材料，换热管仅能选取奥氏体不锈钢管、铝合金换热管。在设备大型化（换热面积大于2×104m2）通常需选用单管长度大于300m的铝镁合金管。由于GB/T151—2014热交换器又对焊接管的使用压力有明确的限制，奥氏体无缝管长度不能满足大型化后的低温LNG绕管式换热器建造需求。

对标国际成功应用的经验，大型LNG绕管式换热器采用超长铝镁合金换热管。但选用铝镁合金换热管，对设备建造带来了难题：①超长型（＞300m）铝镁合金无缝换热管的国产化；②铝钢复合管板技术研究；③铝合金焊接质量，尤其是薄壁铝管与复合管板的连接质量问题。中国海油技术团队开发了系列超低温LNG绕管换热器用铝换热管，形成了技术规范：Q/320211 PBY01—2019绕管式热交换器用超长铝合金管订货技术条件。换热管的质量要求如表1所示。

表1 LNG绕管换热器换热管检测要求

2.2 板材选型与技术要求

板材主要用于制造LNG绕管换热器主要筒体及封头，其中筒体的设计建造按照GB/T 151—2014第6.10节要求执行，封头设计建造按照GB/T 151—2014第5.2节要求执行。

LNG绕管换热器一般可选用两种类型的板材，奥氏体不锈钢304/304L、316/316L，和铝镁合金5083-O。板材应符合GB 150.1引用标准和GB 150.2有关规定。

2.3 锻件技术要求

LNG绕管换热器锻件包括管板、法兰等。所有锻件应符合GB 150.2—2011的规定，锻件级别不得低于II级。不锈钢锻件应符合NB/T 47010《承压设备用不锈钢和耐热钢锻件》要求。管板锻件：级别不应低于Ⅲ级要求。锻件进行100%UT检测，符合NB/T 47013.3第3部分中规定的Ⅰ级合格。

复合管板锻件：可采用堆焊或者爆炸焊接复合板，应当采用爆炸焊接复合板时，应符合NB/T 47002.1～NB/T 47002.4中B1级的要求。

3 制造加工

3.1 管束体绕制质量控制

LNG绕管换热器制造主要的环节是管束体的绕制，换热管绕制过程需要逐层不同数量的换热管以一定的螺旋升角、层间距、列间距均匀自然绕制而成。

管束体绕制过程，需对以下关键环节提出技术要求[3-4]：

（1）换热管弧度与间距控制。换热管绕制弧度、层间距与列间距控制的质量直接影响到换热器的换热效率。需要在绕制中减少窄间隙死角，防止局部区域布置不均匀，造成流体阻塞或不均匀，减少偏流对换热效率的影响。

（2）管束体过渡段换热管弯折应自然过渡，在穿管板前换热管要经过多个折弯才能穿到管板，在折弯过程中必须保证圆滑自然，换热管的截面积形变不应大于10%。

（3）换热管校直预紧后采用冷绕制工艺绕制，过程中控制绕制速度、拉力，防止换热管损伤。

（4）逐层绕制完成后，需对换热管逐根进行压力试验，试验压力为管程设计压力的1.5 倍，10min不发生泄漏为合格。

3.2 换热管与管板连接质量控制

LNG绕管换热器属于低温、高压压力容器，换热管与管板的连接方式采用胀接+焊接的连接方式。不锈钢材料管板与换热管连接可按照GB/T 151要求执行，铝换热管与管板的连接按照JB/T 4734要求执行。

（1）薄壁换热管与管板焊接质量控制。薄壁换热管与厚管板的焊接一直是制造过程的难题，尤其是铝材熔点低，换热管与管板焊接位置易产生缺陷。焊接接头处经常会出现的焊接缺陷，需采取必要的返修措施清除焊接缺陷。

（2）换热管与管板胀接质量控制。立式结构换热器下端换热管与管板之间易产生间隙腐蚀，是常见的损坏形式。胀度设计可按照GB/T 151—2014 第6.6.1节相关要求执行，消除间隙，防止腐蚀，同时也应防止过胀引起的换热管损坏和管板塑性变形，保证胀接的可靠度。

4 检测验收

4.1 尺寸偏差检测

尺寸偏差应该满足GB 151—2014第8.12节的相关要求。

（1）圆度：中心筒其任一截面上的圆度公差，最大直径与最小直径之差≤0.9%中心筒外直径。

（2）直线度：通过中心线的水平和垂直面，中心筒的直线度偏差不大于0.8‰中心筒的长度。

（3）总体直径偏差：管束体逐层绕制完成后，其直径偏差应≤0.9nmm（n为本层所在层数），绕管体直径总体偏差不得大于25mm。

4.2 无损检测

LNG绕管换热器无损检测必须符合TSG 21、GB 150、GB 151及设计的规定。对LNG绕管换热器的筒体、封头、管板等主要承压部件进行射线检测。筒体上A、B类焊缝进行100%RT检测，管板锻件原材料进行100%UT检测，管板与换热管对焊接头进行100%RT检测，不能进行射线检测的其他特殊焊缝进行100%PT检测[5]。

4.3 压力检测及安全性试验

与常规的压力容器相同，绕管换热器的压力试验应该满足TSG 21-2016第4.7节、4.8节要求，同时制造完工的容器应按图样及相关规定进行压力试验、气密性试验。

除以上压力检测以外，安全性试验还应考虑极限耐压强度试验、疲劳性能试验。如设备需进行安全性试验时，极限耐压强度试验、疲劳性能试验按照相关标准要求执行即可。

5 结语

分析了天然气液化用绕管换热器标准目前国内外现状，亟须研究该LNG绕管换热器的国产化及标准化问题。本文针对LNG绕管换热器建造过程中存在的难点技术和通用标准的缺失现状，逐一分析了LNG绕管换热器在材料选型、加工制造及检验验收过程中需要控制的技术指标，为LNG绕管换热器建造提供必要的支持。