唐勝波，沈小兵，李云山，張經(jīng)緯

（惠生（南通）重工有限公司，江蘇南通 226009）

0 引言

中國的浮式液化天然氣裝置（Floating Liquefied Natural Gas，F(xiàn)LNG）產(chǎn)業(yè)，經(jīng)歷了從無到有、從小到大的曲折過程。換熱器是FLNG成套設(shè)備的關(guān)鍵部件，同時也是影響整個裝置能耗的關(guān)鍵設(shè)備。LNG換熱器需要在低溫高壓的環(huán)境中運行，其主要作用是將液化天然氣加熱或?qū)⑻烊粴庖夯５怯捎跓崦浝淇s的物理特性，在換熱器開始運行的過程中，會讓換熱器管嘴有較大的收縮位移[1]。

國內(nèi)FLNG換熱器研究與國外存在很大差距，大多還處在工程樣機試驗階段。近幾年來，江蘇科技大學(xué)創(chuàng)新性地提出采用增材制造技術(shù)整體制備FLNG換熱器，并已制作完成樣機，工業(yè)化測試總體方案已獲批，正在積極推進工業(yè)化測試。

本文通過線膨脹量計算FLNG換熱器設(shè)備本體熱脹冷縮的位移，通過各種位移補償方式的優(yōu)缺點分析，為FLNG換熱器選取合理的管嘴收縮位移補償措施。

1 FLN G 緊湊高效換熱器基本結(jié)構(gòu)

FLNG換熱器管嘴呈十字交叉形式。LNG輸入輸出管嘴為長度方向，乙二醇輸入輸出方向為徑向。膨脹量的計算按照LNG換熱器最長的距離，即換熱器長度方向來來計算冷收縮量。本文所選的換熱器設(shè)備實驗壓力為20MPa，設(shè)備管嘴通徑為DN50，設(shè)備材質(zhì)選用316L不銹鋼。整個換熱器設(shè)備內(nèi)核通過增材制造技術(shù)生成。FLNG緊湊高效換熱器的基本機構(gòu)如圖1所示。

圖1 FLNG 緊湊高效換熱器

設(shè)備管嘴是設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與管道之間連接的橋梁。如果設(shè)備管嘴損壞，則必須要停止工廠運轉(zhuǎn)，維護或更換設(shè)備。在設(shè)備的運行過程中采取有效的保護措施，可以合理延長設(shè)備的使用壽命。補償膨脹量的方法有以下幾種[2]。

1）使用管道膨脹彎。利用管道的柔性自然補償來補償管道的伸長量。膨脹彎可以減少熱脹冷縮給管路帶來的應(yīng)力，延長管道壽命。然而，利用管道柔性補償?shù)娜秉c是：需要很大的空間（見圖2）。

圖2 膨脹彎示意圖

2）使用膨脹節(jié)。膨脹節(jié)可對軸向、橫向和角向位移進行吸收，用于吸收在管道及設(shè)備系統(tǒng)的加熱位移、機械位移，可以吸收振動、降低噪音等。膨脹節(jié)便于安裝，廣泛應(yīng)用于各種有應(yīng)力的管路或者設(shè)備接口。膨脹節(jié)可以利用較小的空間吸收較大的位移。其缺點是：由于膨脹節(jié)的伸長，收縮結(jié)構(gòu)，膨脹節(jié)一般很少應(yīng)用于高壓系統(tǒng)（見圖3）。

圖3 膨脹節(jié)示意圖

3）使用滑動基座。將設(shè)備的基座設(shè)置為滑動形式，在有熱位移的時候，可以通過設(shè)備的移動來補償連接處的應(yīng)力；在基座的位置開腰圓孔，可以使長度方向有位移，橫向無位移。設(shè)備滑動可以對管嘴進行保護，防止管嘴損壞。其缺點是：對多方向都有管嘴的設(shè)備無法補償其伸長量（見圖4）。

圖4 滑動基座示意圖

4）用軟管連接。金屬軟管具有優(yōu)良的柔軟性、耐蝕性、耐高溫性和耐高壓性，在管路中可對任何方向進行連接，用以溫度補償和吸收振動、降低噪聲、改變介質(zhì)輸送方向、消除管道間或管道與設(shè)備間的機械位移等。其缺點是：金屬軟管占用的空間雖然比彎管小，但是比膨脹節(jié)大，在使用過程中占用了較大的空間（見圖5）。

圖5 軟管示意圖

2 LN G 換熱器線膨脹量計算

線性膨脹是指物體受環(huán)境變化膨脹的曲線是線性的，即有規(guī)律地膨脹，一般指由于外界溫度、壓力（主要指溫度）變化時，物體的線性尺寸隨溫度、壓力（主要指溫度）的變化率線性膨脹系數(shù)即：固體物質(zhì)的溫度每改變1℃時，其長度的變化和它在原溫度時的長度之比[3]。

線膨脹量基本公式如下：

式中：x為膨脹量；α為膨脹系數(shù)；L為管段總長度；ΔT為最大溫差。

圖1所示的FLNG換熱器，材質(zhì)為316L不銹鋼的，換熱器長度方向長度（包括管嘴）為1 000 mm。LNG換熱器設(shè)計溫度為?196～70 ℃，管嘴通徑為DN50。LNG換熱器設(shè)計壓力為20 MPa。

由于316L不銹鋼屬于奧氏體不銹鋼。查閱表1可得：316L不銹鋼的膨脹系數(shù)α為14.67×10?6。按照線膨脹量的公式，計算出該換熱器的膨脹量為3.872 88 mm。

表1 不同溫度下鋼材的平均線膨脹系數(shù)

續(xù)表1 ：

3 結(jié)果及分析

1）管道膨脹彎吸收膨脹量需要很大的空間，如果在設(shè)備管嘴使用管道膨脹彎會增加設(shè)備重量，管道膨脹彎會占用很大空間。由于船舶行業(yè)對空間要求較高，管道膨脹彎不適用于寸土寸金的船舶空間，故排除使用管道膨脹彎的補償膨脹量方法。

2）膨脹節(jié)雖然適用范圍廣、占用空間小，但是在選擇過程中一般傾向應(yīng)用于壓力較低的系統(tǒng)，系統(tǒng)壓力一般不超過6 MPa。雖然膨脹節(jié)的軸向位移、徑向位移和角位移補償好，但是很難做到20 MPa的設(shè)計壓力。故排除使用膨脹節(jié)的補償膨脹量方法。

3）滑動形式需要管嘴在設(shè)備的一側(cè)，這樣就不會影響另一個方向的線性膨脹長度。本文所示的換熱器管嘴在不同方向，故滑動基座形式也被排除。

4）金屬軟管具有優(yōu)良的柔軟性、耐蝕性、耐高溫性、耐低溫性和耐高壓性，在管路中可對任何方向進行連接，可以補償和吸收軸向位移，徑向位移以及角位移。故在本項目中，金屬的軟管連接形式為最優(yōu)的連接方式。

金屬軟管的長度計算如圖6所示。

圖6 金屬軟管的長度結(jié)構(gòu)

當(dāng)θ≤45°時：

當(dāng)θ＞45°時：

式中：L為金屬軟管長度，mm；RJ(Rd)為金屬軟管靜態(tài)（或動態(tài)）彎曲半徑，mm；γ為金屬軟管徑向位移量，mm；θ為金屬軟管彎曲角度，(°)；d為金屬軟管外徑，mm；l為金屬軟管接頭長度，mm。

管道為DN50，外徑為OD60.3 mm，彎曲半徑Rj（Rd）為管外徑的5倍（301.5 mm），l金屬軟管接頭長度為150 mm，長度方向位移為4 mm。由于角度較小，金屬軟管的角度設(shè)定為1°。由于角度小于45°，按照式（2），項目所需軟管的最短長度L＝431.119 mm，由此可知：本項目所選軟管不小于432 mm。

4 結(jié)論

FLNG緊湊高效換熱器宜選用軟管連接補償熱脹冷縮的位移，軟管長度不小于432mm。以下為筆者對該行業(yè)的幾點建議：

1）我國對于設(shè)備材料選型還有待研究，需要尋找能耐低溫、耐高壓，對LNG氣體無污染、不被LNG腐蝕且膨脹系數(shù)小的材料，以減小線膨脹對設(shè)備的影響。

2）需要加大對大尺度LNG設(shè)備補償件的研究，盡快找到替代金屬軟管吸收補償?shù)牟牧稀＿@樣可以減小補償件的空間，有利于管道的綜合布置。