【LNG开架式海水气化器设计选材探析综述2900字】

LNG开架式海水气化器设计选材分析综述目录TOC\o"1-2"\h\u24104LNG开架式海水气化器设计选材分析综述 1287272.1气化器的工作原理 180552.2影响气化器选材的因素 118222.2.1材料传热性能 2160992.2.2材料低温性能 278282.2.3材料耐腐蚀性能 3125322.3常用材料性能比较 3210332.4气化器材料选择 4气化器是保证接收站功能的关键设备，在很大程度上决定了接收站的成本。大型LNG接收站采用的气化器基本上都是开架式海水气化器，其具有工作稳定、气化量大的优点，但国内不能制造，主要难度是设计选材、焊接和加工等难题。通过对LNG开架式海水气化器（ORV）设计选材进行分析，确定气化器的选材原则，论证各种适用条件下的气化器部件材料，为LNG开架式海水气化器设计提供理论依据。2.1气化器的工作原理通过对LNG开架式海水气化器设计选材进行分析，确定气化器的选材原则，论证各种适用条件下的气化器部件材料，为LNG开架式海水气化器设计提供理论依据。气化器换热管内部介质是LNG，外部介质是流动的海水，海水在气化器换热管外流动时将换热管内的LNG介质气化并将其加热到海水的温度。为避免影响周围海区生态平衡，海水进、出口温差不得超过7℃，实际常控制在不超过4~5℃；由若干个换热管组成的管束板一般在低温下要求有良好的机械性能、焊接性能、传热性能，且有优良的耐海水腐蚀性。气化器的选材包括管束、集管和海水槽的选材。由于开架式气化器海水槽为常压工况，只是提供海水来源，海水槽的材料只要能够满足耐海水腐蚀即可，因此选择304不锈钢。而管束板作为气化器的主体，它是开架式气化器选材的关键和核心。因此，开架式气化器的选材设计主要是换热管、集管等。2.2影响气化器选材的因素根据开架式海水气化器的工作原理及操作条件，气化器的选材要考虑以下因素：①由于换热管内部介质LNG的操作温度为-162～+3℃，所以需要耐低温材料，国产常用普通碳钢、低合金钢都无法满足要求；设计压力为12MPa，属于高压设备，所以选择的材料强度不能太低，否则难以满足制造和检验要求；LNG主要成分为甲烷，另有少量乙烷、丙烷等烃类，几乎不含水、硫、二氧化碳等物质，LNG对材料腐蚀性很小。②由于气化器为开架式，换热管外部介质海水为常压，操作温度为5~12℃，属于常温范围，因此海水的温度和压力对材料要求不高。③由于海水中的Cl-对金属材料的腐蚀性较强，所以换热管必须选择具有抗海水腐蚀性能较好的材料。④通过对LNG开架式海水气化器设计选材进行分析，确定气化器的选材原则，论证各种适用条件下的气化器部件材料，为LNG开架式海水气化器设计提供理论依据，因此，材料换热性能的好坏直接影响到气化器的效率。⑤为增大换热面积，提高气化器的效率，选取换热管为星型翅片换热管，因此，在选择换热管材料的时候，要考虑换热管翅片的加工工艺是否可行。综上所述，主要有三大因素决定了开架式气化器的材料选择：低温、耐海水腐蚀性和传热性能。2.2.1材料传热性能气化器中LNG与海水的换热以对流传热为主，同时在管壁上有热传导发生。对气化器的设计选材来讲，材料的导热系数越高，气化器的换热效率就越高。在热流密度和厚度相同时，物体高温侧壁面与低温侧壁面间的温度差，随导热系数增大而减小。在金属材料中，银的导热系数最高，然后依次是纯铜、金、铝。由于金和银成本高，作为气化器的换热材料不现实，因此不予考虑。在海水与LNG通过换热管进行换热的过程中，为了提高气化器的换热效率，应选用金属材料作为换热管，金属材料的优选顺序为：铜>铝>铁>钛。铜的可氧化性是铜作为气化器换热管最大的弊病，铜合金的导热性下降很大，此外，铜的挤压性能不如铝合金。而铁和钛的导热系数比铝和部分铝合金差得较多，因此，从材料的传热性能分析，优先选择铝或铝合金。2.2.2材料低温性能LNG气化器的设计温度为-170～65℃，因此，气化器换热管、下集管、上下汇管都需满足耐低温（-170℃）的要求。材料中，可用的材料只有304L、316L、铝合金、铜镍合金BFe30—1—1及钛合金TA7。2.2.3材料耐腐蚀性能由于开架式气化器外部介质是海水，而换热管又长期处于流动海水的包覆中，因此，在气化器选材上就要考虑耐海水腐蚀。海水中含量最多的盐类是氯化物，其次是硫酸盐。海水中Cl-的含量约占总离子数的55%，因而使海水对大多数的金属结构具有较高的腐蚀活性。钛及钛合金在海水中的耐腐蚀性最好；不锈钢是易钝金属，靠表面形成的钝化膜抵抗海水腐蚀，随着Ni、Cr含量的提高，耐蚀性增加，降低C含量可提高不锈钢的耐蚀性，不锈钢中加入Mo能提高钝化膜对Cl-的抵抗力；铜镍合金钝化能力较强，但有随温度降低腐蚀敏感性增强；铝合金在海水中腐蚀仍以局部腐蚀为主，经过冷加工和稳定化处理的Al—Mg系合金被认为是最耐海水腐蚀的铝合金。2.3常用材料性能比较316型不锈钢抗点腐蚀能力优于304不锈钢，如低碳不锈钢316L、含氮高强度不锈钢316N及合硫量较高的易切削不锈钢316F，316L不锈钢抗晶界腐蚀性好；铜镍合金具有良好的力学性能，在海水中具有高的耐蚀性，但是可切削性较差；铝及铝合金与其他金属材料相比，具有密度小、强度高、耐蚀性好、易加工，如5083属于Al—Mg系合金，有较高的抗蚀性、良好的可焊性和中等强度；6061属于Al—Mg—Si系合金，具有一定强度、可焊性、抗蚀性高，6063铝合金是Al—Mg—Si系中具有中等强度的可热处理强化合金，耐海水腐蚀优良，其工作温度可以达到-269℃，同时具有良好的加工性能，挤出性、电镀性及韧性好，阳极氧化效果优良，是典型的挤压合金，如果作为翅片换热管使用，采用挤压工艺，制造难度将会大大降低；钛具有优异的耐蚀性能和耐低温性能（可用到-253℃）。但是6063铝合金有一个致命的缺点：该材料遇到汞液可以引起金属脆化，导致铝合金材料对接焊缝处发生穿壁开裂。这种脆裂失效对5083—O、5083H112、6063—T5铝合金材料都存在影响。另外，有试验表明，溶液中存在的微量重金属铜离子（10-9级）会在铝合金表面沉积，使铝合金自腐蚀电位正移，但却不会破坏铝合金表面自然氧化膜，使点蚀电位保持不变。因此，使用这类铝合金材料时，一般要求所接触的介质，如海水不能含有汞离子，同时铜离子含量≤1×（10-10～10-9）。2.4气化器材料选择在材料的传热性能方面，气化器优先选择6063T5铝合金；在材料的耐低温性方面，碳素钢、低合金钢和双相钢S31803都无法满足-170℃的低温设计要求，可用的材料只有304L、316L、铝合金、铜镍合金BFe30—1—1及钛合金，在材料的耐海水腐蚀性方面，钛及其合金的耐海水腐蚀性最好，经过冷加工和稳定化处理的Al—Mg系合金是最耐海水腐蚀的铝合金，表面再经过喷涂处理后，可以大大提高使用寿命；在材料的低温、强度方面，铝合金、钛及不锈钢都可以满足要求，铝合金材料中5083和6063都属于中等强度的铝合金，5083的低温强度高于6063，3003铝合金的强度较低；在材料的加工性能和经济性能方面，铝合金比纯铝的加工性能要好，并且成本比钛和铜镍合金要低。采用挤压工艺制造星型翅片换热管，将会降低制造难度和成本。综上所述，优先选择6063铝合金作为换热管材料。在热处理可强化型铝合金中，Al—Mg—Si系合金是唯一没有发现应力腐蚀开裂现象的合金。Al—Mg系合金5083是非热处理强化的铝合金，具有很好的耐腐蚀性和理想的强度。5083—O（退火态）焊接后，焊接区域的硬度和焊前比较变化不大，而5083—H112焊接区域中的硬度有明显的升高。6063铝合金是AL—