（湖北迪峰船舶技術有限公司，武漢 430070）

0 引言

隨著環(huán)境污染日益嚴重，人們越來越關注空氣污染問題。根據(jù)MARPOL公約附則VI的要求，將在全球航運界逐步實施更加嚴格的NOX和SOX排放規(guī)定。國際上已經(jīng)劃分了多個排放控制區(qū)（Emission Control Area，ECA），如波羅的海、北海、北美和加勒比海等。國內(nèi)設立了珠三角、長三角、環(huán)渤海（京津冀）水域船舶排放控制區(qū)[1]。防治空氣污染的目標驅動著海事界尋求先進的技術來減少船舶的污染物排放，為此，天燃氣燃料動力船舶應運而生，各類船舶開始配套安裝LNG燃料純氣體或雙燃料發(fā)動機。

德國MAN公司的MAN B&W ME-GI雙燃料低速二沖程船用柴油機的供氣壓力達到30 MPa[2]，為滿足30 MPa主機供氣要求，在船用高壓供氣系統(tǒng)中設計一種高壓LNG換熱器是十分必要的。

與傳統(tǒng)管殼式換熱器相比，繞管式換熱器具有以下優(yōu)點[3]：1）繞管式換熱器產(chǎn)品體積小、結構緊湊、單位容積傳熱面積大；2）傳熱效率高，相鄰層之間換熱管繞制方向相反，此種結構可改變流體流動狀態(tài)，使殼程流體形成湍流流動，管內(nèi)介質成螺旋狀態(tài)流動，可強化傳熱；3）熱補償好，管束兩端均有一定自由段，可自行膨脹，管束熱膨脹應力?。?）換熱管內(nèi)操作壓力高，最高設計壓力可達 33 MPa；5）一臺換熱器可以實現(xiàn)多種介質同時換熱。

但由于自身結構特點，繞管式換熱器也存在一些缺點，主要如下：1）換熱管直徑較小，易造成換熱管堵塞，管程介質須具備高的潔凈度；2）結構復雜，制造和檢修較困難；3）清洗較難，通常選用化學方法清洗。

在船用高壓LNG供氣系統(tǒng)中，換熱設備有如下特點：高壓、低溫、介質潔凈、介質進出口溫差大。根據(jù)上述對繞管式換熱器優(yōu)缺點的分析，可知其應用于LNG船舶領域是合理的選擇。

1 船用高壓繞管式換熱器的參數(shù)、選材與制造

高壓繞管式換熱器的主要制造難點在于換熱管管束的繞制以及換熱管與管板的焊接。整個制造環(huán)節(jié)包含如下內(nèi)容：換熱器的參數(shù)選定、選材、管束的繞制、換熱管與管板焊接、筒體制造、零部件焊接、無損檢測和壓力試驗等。

1.1 換熱器的參數(shù)選定

殼程介質為水/乙二醇溶液，管程介質為高壓LNG或高壓NG。

管程工作壓力為30 MPa，管程設計壓力為33 MPa；管程工作溫度為?162℃～45℃，管程設計溫度為?165℃；殼程工作壓力為 0.3 MPa，殼程設計壓力為0.6 MPa；殼程工作溫度為65℃～80℃，殼程設計溫度為100℃；

1.2 換熱器的選材

板材材質為S30408，符合GB 150—2011《壓力容器》、GB 24511—2009《承壓設備用不銹鋼鋼板及鋼帶》、《鋼制海船入級規(guī)范》及修改通報和 CCS《材料與焊接規(guī)范》及修改通報等規(guī)范要求。

管板材質為S30408Ⅲ，符合NB/T 47010—2010《承壓設備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》和 CCS《材料與焊接規(guī)范》及修改通報等規(guī)范要求。進行鍛造、檢驗和驗收，鍛件級別不低于Ⅲ級，供貨狀態(tài)為固溶處理。鍛件進行100%UT檢測，符合NB/T 47013.3—2015《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》中規(guī)定的Ⅰ級合格。

換熱管材質為不銹鋼無縫鋼管 S30408，符合 GB 150—2011《壓力容器》、GB/T 151—2014《熱交換器》、GB 13296—2013《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》和 CCS《材料與焊接規(guī)范》及修改通報等規(guī)范要求。單根換熱管不允許拼接，換熱管應逐根進行渦流檢測及液壓試驗，供貨狀態(tài)為固溶處理。

中心筒材質為S30408，符合GB/T 14976—2012《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》要求。

1.3 換熱管管束的繞制

換熱管外徑為8 mm～16 mm，使用專用設備完成管束的繞制。先將墊條點焊在中心筒上，再將中心筒固定在設備工裝上，然后開始換熱管的繞制，通過中心筒的旋轉，換熱管沿著墊條一層一層纏繞在中心筒上，注意將繞制速度控制在合理范圍內(nèi)。每繞制完一層需要通過管箍和墊條固定。繞制過程中，對質量的控制直接影響繞管換熱器的傳熱效率和設計壽命，為保證產(chǎn)品質量需注意以下幾點：

1）由于換熱管采用盤管供貨，在盤管進行繞制前需使用專用校管機校直和預緊，防止換熱管在繞制過程中產(chǎn)生回彈；

2）由于換熱管采用冷繞制工藝，注意控制繞制速度、力度和總長，防止換熱管被壓癟及出現(xiàn)其他機械損傷；

3）換熱管徑向和軸向間距應布置均勻，墊條與換熱管接觸部位應圓滑過渡，防止運行過程中損傷換熱管，降低使用壽命；

4）通過平墊條和管箍的配合使用，起到固定管束的作用，平墊條點焊在前一層抱箍上；

5）管束二端管子過渡應圓滑，不應出現(xiàn)尺寸突變等情形，避免換熱管產(chǎn)生較大應力；

6）每繞制完一根換熱管需要進行壓力試驗，試驗壓力為管程設計壓力的1倍（即33 MPa），10 min不發(fā)生泄漏即為合格。

7）換熱管繞制后進行通球檢驗，通球直徑為換熱管內(nèi)徑的85%～90%。

1.4 換熱管與管板的焊接

該設備屬于船用低溫高壓產(chǎn)品，換熱管與管板的連接方式采用對接連接。焊接采用氬弧焊方式，焊接層數(shù)為二層，第一層打底熔化焊，第二層填絲焊。

1.5 筒體制造

繞管式換熱器殼體材質為S30408，冷卷成型加工。當筒體由 2塊及以上鋼板拼接而成時，其對接坡口處的錯邊量、兩端面錯邊量、各筒節(jié)體之間的周長允差、筒節(jié)體與組對封頭間的周長允差應符合GB 150—2011中對殼體環(huán)向接頭錯邊量的要求。

1.6 其他零部件的焊接

其他零部件的焊接包括管板與中心筒的焊接、管板與球封頭的焊接、管板與筒體的焊接。由于這些部件的加工難度不大，在此不再贅述。

1.7 無損檢測

對筒體、封頭、管板等主要受壓元件進行射線檢測。對筒體上A、B類焊縫進行100%RT檢測，對管板鍛件原材料進行100%UT檢測，對管板與換熱管對焊接頭進行100%RT檢測，對不能進行射線檢測的其他特殊焊縫進行100%PT檢測。

1.8 壓力試驗

1）管程。首先，每根換熱管繞制完后需進行33 MPa氣壓試驗，保壓10 min不發(fā)生泄漏方可進行下一根換熱管的繞制；其次，設備制造完后對管程進行49.5 MPa水壓試驗[4]（試驗壓力為1.5倍設計壓力），保壓30 min不發(fā)生泄漏，然后降壓至33 MPa，保壓15 min不發(fā)生泄漏；水壓試驗合格后，將管程內(nèi)水吹干并進行33 MPa氣密性試驗，保壓30 min不發(fā)生泄漏為合格。

2）殼程。對筒體進行水壓試驗，試驗前將焊接接頭外表面處理干凈，且保持外表面干燥。對殼程進行0.9 MPa水壓試驗（試驗壓力為1.5倍設計壓力），保壓 30 min不發(fā)生泄漏，然后降壓至 0.6 MPa，保壓15 min不發(fā)生泄漏為合格。

2 船用高壓LNG繞管式換熱器的關鍵部件的分析計算

按照工藝條件計算確定管板的初始厚度，結合設計條件進行管板有限元分析，對關鍵部位進行分析和評定。考慮高壓LNG繞管式換熱器球封頭、管板、錐形封頭和殼體為軸對稱結構，為方便計算，建立 1/16的計算模型。殼體長度取200 mm，大于影響長度（局部應力衰減范圍）。采用ANSYS軟件提供的Solid 186單元進行六面體網(wǎng)格劃分，有限元分析模型和網(wǎng)格劃分模型如圖 1所示，注意考慮網(wǎng)格劃分精度對計算結果的影響。由于高壓LNG繞管式換熱器的管束可以自由伸縮、補償溫差應力，故管板不考慮熱膨脹差的影響，主要計算管程和殼程設計壓力同時作用時管板的應力分布情況，工況加載模型如圖2所示。圖3為計算結果，最大應力值為326.937 MPa。

圖1 網(wǎng)格模型圖

圖2 管程和殼程同時加載模型圖

圖3 管程和殼程設計壓力共同作用下應力分布圖

對高壓LNG繞管式換熱器管板在設計和操作工況下進行有限元應力計算[5]，并按JB/T 4732—1995《鋼制壓力容器-分析設計標準》（2005年確認）的相關規(guī)定進行應力評定，其評定結果為合格。

3 結論

換熱器作為船用高壓 LNG供氣系統(tǒng)重要設備之一，其采用繞管式結構具有很多優(yōu)勢。通過對船用高壓繞管式換熱器的材料選型、管束繞制、設備焊接、無損檢測和壓力試驗等進行研究，并對管板等結構進行有限元分析，確定船用高壓繞管式換熱器的關鍵技術。

參考文獻：

[1] 彭新啟. 節(jié)能減排“動真格”船舶業(yè)開啟嚴管模式[J]. 中國遠洋航務, 2016(1): 39-40.

[2] 夏立國, 翁昕昊. MAN B＆W ME-GI雙燃料低速二沖程船用柴油機[J]. 船舶標準化工程師,2012(1): 24-26.

[3] 李亞飛, 毛文睿, 張燦燦, 等. 纏繞管換熱器的發(fā)展與應用[J]. 廣東化工, 2014(1): 131-132.

[4] 中國船級社. 鋼質海船入級規(guī)范（第3分冊）[S].北京: 人民交通出版社, 2015.

[5] 中國船級社. 天然氣燃料動力船舶規(guī)范[S]. 北京:人民交通出版社, 2017.