陸帥 范廣森 王常青（南京三方化工設(shè)備監(jiān)理有限公司，江蘇南京210023）

0 引言

中間流體式氣化器是以海水為熱源，丙烷為中間換熱介質(zhì)，將高壓LNG 進行氣化的裝置，是LNG 接收站的關(guān)鍵核心設(shè)備[1]；其工作原理是以海水或近鄰工廠的熱水作為熱源，用此熱源去加熱中間介質(zhì)（丙烷）使其氣化，再用丙烷蒸氣去加熱氣化LNG。該氣化器由三部分組成：①海水（或其他熱源流體）和丙烷換熱部分；②丙烷和LNG 換熱部分；③天然氣過熱部分，即用海水對LNG氣化后的NG（氣體天然氣）再次加熱。這種氣化器解決了海水（或其他熱源流體）的冰點問題，在海上浮動儲存與氣化、循環(huán)加熱、冷能發(fā)電等得到廣泛的應用[2]。近年來隨著IFV 氣化器國產(chǎn)化進程的發(fā)展，我國部分企業(yè)在IFV 氣化器研發(fā)創(chuàng)新和制造方面取得了長足的進步發(fā)展，但由于設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜，材料特殊，制造難度大，過程控制和檢驗存在較大難度。

1 設(shè)備工藝以及結(jié)構(gòu)特征

圖1 IFV氣化器主要結(jié)構(gòu)

如圖1所示，IFV氣化器主要由3組管程和2組殼程組合而成，按照管程對每段分別定義為E1換熱器、E2換熱器、E3換熱器。其中E1和E3管程的介質(zhì)為海水，E1和E2公用殼程的介質(zhì)為丙烷，E3殼程和E2管程介質(zhì)分別為LNG/NG。

LNG 在常壓下沸點溫度為-162℃，丙烷在常壓下沸點為-42.09℃，且均為易燃易爆介質(zhì)，屬于《容規(guī)》中的第Ⅰ類介質(zhì)，且使用工況屬于低溫工況，應注意對設(shè)備材料、焊材的特殊要求，以及標準中對焊接和制造工藝中的特殊要求。。

2 材料要求

按上文中的結(jié)構(gòu)描述，與低溫LNG介質(zhì)相接觸的材料需有良好的抗低溫能力，SS304不銹鋼材料作為奧氏體不銹鋼，具有良好的低溫下強度和機械性能，其使用溫度范圍-196～800℃，常被用于各種低溫工況下，能保持性能穩(wěn)定。低溫沖擊試驗是衡量低溫性能的一個重要指標，SS304的性能指標見下表：

表1 SS304材料性能參數(shù)

同樣的，對于于與丙烷介質(zhì)相接處的材料，應選取適用于-40℃左右的低溫鋼材料，一般可選用的材料有16MnDR，15Mn?NiDR，09MnNiDR 等。以16MnDR 板材材料為例，需按標準GB3531-2014標準以及設(shè)計要求驗證其性能指標，應滿足下表要求：

表2 16MnDR材料性能參數(shù)

由于海水中存在較多懸浮物，容易對材料產(chǎn)生磨蝕，而鈦材可以有效抵抗化學腐蝕、微生物腐蝕和海水點蝕，高等級的鈦材更有良好的耐磨蝕性能，和抵抗70℃以下的海水縫隙腐蝕能力[3]；故而與海水接觸的介質(zhì)材料優(yōu)先選用鈦（比如換熱管SB338 GR2、板材SB265 Gr2等），其性能指標如下：

表3 鈦材的性能參數(shù)

此外，材料相關(guān)性能應還應符合相應項目的技術(shù)要求中引用的材料標準以及相關(guān)的技術(shù)條款。

3 焊接工藝評定的編制

由于涉及到低溫材料以及特材焊接，應根據(jù)NB/T47014-2011的要求進行相關(guān)焊接工藝評定，以確保實際產(chǎn)品焊接工藝的正確性和實際產(chǎn)品焊縫的實用性。按照PWPS（預焊接工藝規(guī)程）進行焊接工藝評定試板的焊接作業(yè)，控制其焊接電流、焊接電壓、焊接速度，保證其熱輸入量在合理范圍內(nèi)。低溫鋼焊接后應進行消應力熱處理，以保證焊接接頭的優(yōu)良性能。工藝評定焊接試板應進行RT 探傷，確認RT 合格后，按照NB/T47014-2011中第6.4條要求在焊接工藝評定試板上進行取樣，并按標準進行拉伸試驗、彎曲試驗以及相應溫度的低溫沖擊試驗，其性能數(shù)據(jù)應不低于前述表格中的要求。

確認焊接評定試驗合格后，對試樣進行整理并保存不少于5年，根據(jù)PWPS和試驗結(jié)果編制WPS及PQR（焊接工藝評定），WPS作為進行設(shè)備焊接工作的依據(jù)。在進行監(jiān)理工作時，應在設(shè)備制造前審核廠方編制的焊接WPS 和PQR，確認內(nèi)容滿足要求。

4 鈦材焊接和貼條

空氣中的氮、氧和氫元素對鈦材的焊接不利，氮元素和氧元素容易導致鈦剛度和強度增加，抗變形能力增加，塑性和韌性下降；氫元素導致焊縫金屬沖擊韌性下降，氫化物也容易導致焊接接頭的脆性。故而一般采用氬弧焊，在焊接過程中應全程使用濃度不低于99.99%的氬氣進行保護，直至焊縫熔池冷卻。對于鈦材的焊材，應根據(jù)鈦母材進行選擇，一般采用與母材同級別或者稍高級別的焊材。

此外，由于普通車間空氣中往往存在大量的鐵離子，容易在焊接過程中產(chǎn)生鐵離子的滲入問題，會在使用過程中產(chǎn)生材料點蝕而導致失效。所以鈦材的焊接作業(yè)應在潔凈空間內(nèi)進行作業(yè)，在焊接前對焊接區(qū)域進行清潔，可采用酒精或者乙醚對焊接區(qū)域擦拭清洗，并采用藍點試液檢查焊接區(qū)域是否還存在鐵離子污染。對于空氣質(zhì)量檢測采用菲繞啉檢查，在作業(yè)空間周圍放置濕潤的菲繞啉試紙且不低于20點，放置時間不少于8 小時，如超有過兩個點試紙變成橘紅色則表示環(huán)境不適合鈦材的焊接，需要重新進行清理。

由于鈦和不銹鋼或者低溫鋼之間不具可焊性，換熱管和復合管板（鍛件爆炸復合鈦板）采用角接形式：鈦復層之間采用墊條+蓋板焊接角焊縫的形式連接（見下圖），避免和基層金屬直接接觸。其中墊板要求安裝后基本與復層平齊，既不能高出太多影響到蓋板的安裝后與復層上產(chǎn)生間隙，也不能安裝過低而與蓋板之間產(chǎn)生間隙，控制偏差在±0.5mm范圍；當間隙存在時，在內(nèi)壓試驗過程中由于間隙導致蓋板受壓產(chǎn)生變形，容易因焊縫強度不足導致開裂。

圖2 角焊縫鈦層連接形式

圖3 縱環(huán)焊縫鈦層連接形式

5 消應力熱處理

由于純鈦在的加工硬度效應明顯，會導致內(nèi)部應力升高，為避免在使用過程中由于內(nèi)應力存在引起的開裂失效，在材料冷成型后（內(nèi)襯筒卷制、翻邊成型等）應進行消應力退火處理。但是過高的溫度會引起材料晶粒增長，溫度不足又起不到消除應力的作用，因此優(yōu)選退火溫度在鈦的再結(jié)晶溫度之下（純鈦的再結(jié)晶溫度在550～650℃之間），保溫時間根據(jù)材料的厚度進行計算，但不應導致晶粒繼續(xù)增長。

6 壓力試驗

在最終壓力試驗之前，鈦蓋板焊接部位應先進行泄漏性檢查，以確認鈦角焊縫的焊接質(zhì)量，通常采用從基層檢漏孔通入檢測氣體，由于鈦焊縫強度不高，且通道空間小，通入氣體壓力不能過高，以免引起蓋板鼓起導致焊縫開裂?？梢詮耐鈧?cè)檢漏孔通入適當?shù)陌睔?，在貼條部位貼濕潤的酚酞試紙進行檢測，保壓足夠時間后，試紙未變紅則可判定焊縫質(zhì)量合格。

由于IFV 氣化器為多腔換熱器，且不同換熱組件之間存在串聯(lián)，故而壓力試驗需要考慮多重腔體串聯(lián)進行，根據(jù)圖1中結(jié)構(gòu)所示，可考慮按下述串聯(lián)試驗：E2管程+E3殼程+兩者之間的連通管串聯(lián)壓力試驗；E1管程+E3管程串聯(lián)壓力試驗；E1、E2殼程單獨壓力試驗。

水壓試驗按照GB/T150.4-2011 中第11 條按程序進行壓力試驗，試驗壓力下保壓時間不低于30min，再降至設(shè)計壓力并保壓一段時間后，檢查無泄漏、無滲水、無異常聲響、無可見變形為合格。水壓試驗用水應為清潔水源，水壓前檢測氯離子含量不超過25ppm。

水壓試驗后，排凈試驗用水，并在原腔進行泄漏性試驗，從檢漏嘴以及密封面、焊縫部位進行檢測。試驗方法按照HG/T20584-2011 附錄B 進行，采用吸槍法檢測，設(shè)定報警值為1×10-6Pa.m3/s，過程檢測中如未超出報警值且無明顯顯示數(shù)值變化，則表示合格。

7 結(jié)語

IFV氣化器結(jié)構(gòu)復雜，制造難度大，檢驗流程及檢驗程序復雜，通過對IFV氣化器結(jié)構(gòu)的分析，提升對設(shè)備結(jié)構(gòu)的理解以及對制造工序的合理排布；同時對設(shè)備特殊材料的制造焊接、壓力試驗進行綜述，有助于實際過程中對關(guān)鍵節(jié)點進行把控，提升設(shè)備制造質(zhì)量。