LNG接收站海水开架式气化器翅片管开裂原因分析及解决方案(全

1、LNG接收站海水开架式气化器 传热管开裂成因分析及解决方案刘新凌李强王良军摘要海水开架式气化器(Open Rack Vaporizers,简称ORV是LNG接收站中的关键设备,用于以海水为热源气化LNG。本文首先对ORV的工艺参数及结构进行了简单介绍,然后分析了ORV的传热管开裂原因,最后并给出了消除成因的解决方案。由于是国际首例类似事件,因此为国内其他LNG接收站的安全可靠运营提供了非常宝贵的经验。关键词LNG接收站开架式气化器传热管开裂原因分析解决方案国际首例Analysis of cracking reasons and Solutions of the heat-transfer tu

2、be ofLNG Terminal seawater Open Rack VaporizerAbstract:Seawater Open Rack Vaporizers is,the key equipment in the LNG Terminal,to gasify LNG taking seawater as heat source. This paper firstly introduced the parameters and structure of ORV simply, and then analyzed why the heat transfer tube of ORV cr

3、acked, and finally gave an ingenious solution. As the first international similar events, therefore the paper provides a valuable experience for the safe and reliable operation of other domestic LNG Terminals.Keywords:LNG Terminal ORV Heat-transfer Tube Cracking Analysis of reasons Solution the firs

4、t international event1 前言天然气的主要成分是甲烷。常压下将天然气冷冻到-162左右,可使其变为液体即液化天然气(LNG。LNG的体积约为其气态体积的1/620,然后液化后的天然气通过专用的液化天然气船运至接收站1-3。LNG接收站中将液态的LNG转化为气态的天然气通常所利用的设备就是海水开架式气化器ORV4-5。某LNG接收站在2011年7月ORV的传热管出现开裂现象,导致设备停机待修。该开架式气化器工作介质为LNG/NG,设计温度-17060,最大操作压力9.0Mpa,设计压力13.9MPa。开裂的传热管材质为6063铝合金,ORV汇管材质为5083铝合金。根据设备制

5、造商介绍,除日本LNG接收站有一台ORV因超出设计寿命,发生过类似事故外,在设备的生命周期内,传热管开裂还是国际首例。因此成因分析并解决问题非常重要。2 ORV结构开架式气化器的基本单元是传热管,由若干传热管组成板状排列,两端与集气管或集液管焊接形成一个管板,再由若干个管板组成一个气化器,传热管的材料为铝合金。如图1所示。为了增强传热效果,传热管一般做成内外翅片型。如图2所示。LNG由气化器的下部流经铝合金管的内部,被海水加热并气化,达到天然气外输温度要求。 3 传热管开裂情况该开架式气化器的2号管板的第32号传热管的上端(天然气出口位置开裂。裂纹已经贯穿整个截面,有明显颈缩。第32号传热管两

6、侧的31号管和33号管的上端的外涂层也出现了一定的裂纹,且两根传热管裂纹附近的外径分别减小0.5mm 和1mm 。如图3所示。(a 靠近1号平板一侧 (b 靠近3号平板一侧 图3 传热管开裂情况32号传热管发生了严重的塑性变形:裂纹附近明显颈缩,外径大约减小5mm ;传热管的上端(天然气出口位置下移约4mm ;翅片上沿相对31号传热管发生约4mm 的离面位移;整个传热管发生以点焊点为节点的波浪状弯曲变形。4 传热管开裂分析4.1 宏观分析根据现场的裂纹、变形和痕迹特征,首先进行宏观上的分析。32号传热管的开裂具有明显颈缩,形成的断口为杯锥状,这是轴向拉伸过载(外力超31# 32# 33# 33

7、#32# 31# 图2 传热管内外结构示意图 图1 海水开架式气化器结构示意图过极限载荷的典型特征。32号传热管上端圆柱段(即没有翅片段发生约4mm 的伸长塑性变形,为过载的结果。因此可以判定32号传热管受到的轴向力大于材料的屈服强度。32号传热管靠近3号平板的翅片上有大片的白色区域,颜色也与其他翅片不同,而靠近1号平板的一侧与其他翅片基本相同;这说明32号传热管靠近3号平板的一侧的服役环境与其他位置不同。白色区域应是服役过程中形成的,若是泄漏后形成,两侧应均有此特征。32号传热管发生了显著的弯曲变形,应是压缩失稳的结果;轴向拉伸载荷不会产生弯曲变形,而细长结构容易发生压缩失稳。4.2 传热管

8、及材料抗力分析传热管为中间翅片两端圆柱状的结构,管间翅片点焊连接。在服役过程中,下端(LNG 温度低,上端(NG 温度高。圆柱段截面积最小,所受应力最大;从常温到低温范围(-150-20,温度越低,6063铝合金的屈服强度和抗拉强度越高,即上端(NG 材料的强度最低,因而,上端圆柱段(临近焊缝位置是传热管最薄弱的环节。根据前面的分析,可确定破坏载荷为轴向载荷。根据受热管的服役环境,轴向载荷t 主要包括内压引起的轴向载荷P 和温差引起的轴向载荷T ,另外可能有焊接残余应力r 存在。即t =P +T +r (1内压引起的轴向载荷P 为P =PD 4t (2式中,P 为管道内压,此处取8.9MPa

9、;D 为管道直径,保守考虑,取外径值37mm ;t 为管道壁厚,取值8.5mm 。可得,P =9.7MPa 。正常服役环境下,一个平板上所有传热管的温度分布相同,每根管的伸缩量一致。若安装时环境温度为20,则运行时管温降低,传热管收缩,收缩量L 为L =T LdL 60 (3式中,为线膨胀系数,此处取值22×10-6/;T 为温度梯度,取值(150206;L 为管长。可得,L =-11.22mm 。从安装状态到运行状态,传热管要收缩11.22mm ;假设底部的集液管和顶部的集气管固定,不发生位移,则传热管要受拉伸长11.22mm ,此时管道所受轴向拉应力t 为t =P +T +r =

10、PD 4t +TLE 6dL 60+r (4式中,E 为材料的弹性模量,取值70GPa ;T 为温度梯度,取值(150206。可得t =9.7+130.9+r (MPa 。若没有焊接残余应力,则正常工作状态下,轴向应力为140.6MPa ;该应力值与6063 T5状态的屈服强度值相近(24时为145MPa 。如果某处传热管受热不均,假设加热效果不佳,在极限情况下,一侧没有海水加热,一侧有海水加热,则相当于加热效率降低了一倍。这种情况下,简单处理,该处传热管相对其他传热管,平均温度降低为(-150-20/4=-42.5。则相对其他传热管,该传热管收缩量L c =T L =5.61mm (5这就是

11、说,该传热管被附加拉长了5.61mm 。此时该管的轴向应力tc 为:tc =P +T +Tc +r =P D 4t +T L E 6dL 60+T c E +r可得,tc=140.6+65.5+r。该应力大大超过了材料的屈服强度,甚至于抗拉强度(6063 T5状态在-28时的抗拉强度为193MPa,必定引起塑性变形。5 开裂成因及解决方案5.1开裂成因针对受力分析和现场开裂的实际情况,开裂在焊缝的热影响区附近,焊接无缺陷,32#传热管外表为白色,区别于其它带泥污的传热管。分析开裂的成因有两点:一是:海水分布不均,导致传热管受力不均;二是:ORV工作和停运状态的长期交替变化,导致疲劳破坏。具体如

12、下:由于工作条件下海水未浇注在32#传热管上,而管内继续通过低温液态天然气,在低温条件下凝聚外部少量的海水和水蒸气,在传热管外壁结冰导致泥污难以聚集。由此可断定32#传热管发生破坏的成因在于ORV表面的海水分布不均,使32#号传热管表面无海水加热,与其他有海水的传热管受力不一致,而所有的传热管点焊在一起,且ORV工作和停运时32#传热管经受热循环,最终导致在强度相对薄弱的焊接热影响区产生热疲劳破坏,且传热管间的点焊处开裂。热疲劳的具体过程为:停运阶段,传热管为室温两端与上下管道连接;工作阶段,正常海水浇注时传热管本身温度近似为海水温度。当海水分布不均导致32#号管无海水时,传热管被低温液态天然

13、气制冷,铝合金传热管发生冷缩,同时有受外部管道的约束使收缩难以表现出来,传热管发生不可恢复的塑性变形;再次停运时,管道内无液化天然气,32#传热管的温度恢复至室温,该管被加热发生轴向膨胀,受外部刚性拘束的作用产生巨大的热应力,细长的传热管在热应力作用下向平面外膨胀;二次开工时,该管被制冷后向外膨胀现象消失,恢复到正常长度。由此形成一次热应变加载,开工停工次数增加,32#传热管即发生疲劳破坏。5.2解决方案根据海水分布不均发生的工况和条件,主要从以下四方面消除成因:1安装调试时,确保ORV安装的水平度满足技术要求,以避免海水分布不均;2调节每组海水阀的开度,确保海水分布均匀;3ORV停运时的冷备状态下,海水量较小,需提高海水流量,确保每一根传热管均有海水,且无结冰现象;4加强检查,确保海水槽的清洁,无异物,保证海水畅通。6 结论经过操作调整,消除了海水分布不均的成因,有效的避免类似事件再次发生。7 参考文献1张立希,陈慧芳.LNG接受终端的工艺系统及设备J.石油与天然气化工,1999,28(03:163-164.2 张奕,吴斌,艾绍平.液化天然气接收站的工艺流程J.重庆科技学院学报(自然科学版,2012,(01:1-3.3 李志军.液化天然气接收站的工艺系统J.中国海上油气工程,2002,(06:14-15.4 李廷勋,郭开华.LNG安全规范现状J.天然气工业,2007,(0