◇中石化石油機(jī)械股份有限公司三機(jī)分公司 李華偉

BOG壓縮機(jī)主要用于LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的蒸發(fā)氣，將其壓縮冷凝回收或直接外輸進(jìn)管網(wǎng)，壓縮介質(zhì)溫度在-160℃左右，壓縮氣缸及其零部件均需采用耐低溫材料，文中簡(jiǎn)要論述了國(guó)內(nèi)外BOG壓縮機(jī)中低溫材料的選用。考慮到成型和加工難度，球磨鑄鐵成為BOG壓縮機(jī)低溫材料的主要研究方向。

1 背景

天然氣作為清潔能源越來(lái)越受青睞，是很多國(guó)家的首選燃料。為了便于跨洋運(yùn)輸，提升運(yùn)送靈活性，將天然氣經(jīng)深冷工藝?yán)鋮s到-162℃后變成液體，液化天然氣簡(jiǎn)稱LNG，其體積可縮小600倍，重量也是同體積水的45%左右。LNG接收站是將儲(chǔ)罐中的進(jìn)口液化天然氣，通過(guò)站內(nèi)裝置升溫氣化進(jìn)入管網(wǎng)輸送給用戶?；蛲ㄟ^(guò)將液化天然氣重裝人槽車中，運(yùn)輸?shù)揭夯烊粴饧託庹綶1]。

LNG在低溫儲(chǔ)罐或低溫槽車內(nèi)的日蒸發(fā)率約為0.3%，這部分蒸發(fā)氣簡(jiǎn)稱為BOG閃蒸氣（Boil Off Gas），使得儲(chǔ)罐相對(duì)空間內(nèi)的壓力升高[2-3]。為保證LNG接收站內(nèi)儲(chǔ)罐安全運(yùn)行，BOG壓縮機(jī)是維持低溫LNG儲(chǔ)罐壓力穩(wěn)定的關(guān)鍵設(shè)備，其功能主要是增壓，一種工藝路線是將BOG氣體進(jìn)壓縮機(jī)直接外輸進(jìn)管網(wǎng)，另一種是將BOG壓縮后與LNG氣體混合后冷凝成液體[4-6]。無(wú)論哪種工藝路線，BOG壓縮機(jī)吸入的氣體溫度都很低（-162℃左右），對(duì)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料均有更高的要求。低溫下材料的低溫性能、收縮、脆性均變化比較大，影響整個(gè)設(shè)備的可靠性。本文主要對(duì)國(guó)內(nèi)BOG壓縮機(jī)用耐低溫材料的研究應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了論述。

2 國(guó)內(nèi)BOG壓縮機(jī)用低溫材料的選用

國(guó)內(nèi)關(guān)于制造耐-161℃的低溫材料的研究較少，常用耐低溫材料通常選用不銹鋼，但鑄造性能差，澆鑄結(jié)構(gòu)復(fù)雜的氣缸，由于鋼水流動(dòng)性差、收縮大，導(dǎo)致鑄件容易產(chǎn)生氣孔、疏松、裂紋等缺陷；不銹鋼鍛件成型加工難度大，也不適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的壓縮機(jī)。相比鑄鋼，球磨鑄鐵的鑄造性能較好，成為BOG壓縮機(jī)用低溫材料的主要研究方向。

中石化廣州工程有限公司王洪飛給出的某LNG接收站項(xiàng)目BOG壓縮機(jī)主要部件的材質(zhì)，其中與低溫介質(zhì)直接基礎(chǔ)的氣缸、活塞部件均采用耐蝕高鎳鑄鐵/低溫球墨鑄鐵，而活塞桿、閥座、閥片、閥彈簧均為不銹鋼材料[7]；2K-140MG-8.7/4.5型BOG低溫壓縮機(jī)是杭州福斯達(dá)實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司所用的壓縮機(jī)設(shè)備，該設(shè)備使用說(shuō)明書(shū)中提出氣缸以及活塞采用材料牌號(hào)為YDQ-196，活塞桿材料同樣為含鎳材料，牌號(hào)為00CrNi13Mn5 Mo2N；沈陽(yáng)遠(yuǎn)大壓縮機(jī)有限公司通過(guò)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)特定鎳含量的球墨鑄鐵在低溫下具有優(yōu)良的金相組織和機(jī)械性能。以原材料成分作為重點(diǎn)，從球鐵熔煉、球化處理、孕育等控制和制造工藝過(guò)程等展開(kāi)試驗(yàn)攻關(guān)，完成了6種不同組分高鎳低溫球鐵的鑄造試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)0、-20℃、-40℃、-75℃、-121℃、-163℃、-180℃下進(jìn)行低溫夏比（V型缺口）試驗(yàn)，最終確定了高鎳球鐵的組成及制造工藝，應(yīng)用于研制的BOG壓縮機(jī)，并按照ASME PTC 9用低溫氮?dú)猓?161℃）成功進(jìn)行了72h低溫全負(fù)荷性能試驗(yàn)[8-9]。成都?jí)嚎s機(jī)廠選型了牌號(hào)為QTANi35Cr3奧氏體球磨鑄鐵作為生產(chǎn)BOG壓縮機(jī)壓縮缸的材料，參照GB/T 26648-2011《奧氏體鑄鐵件》中特殊用途牌號(hào)QTANi35Cr3的奧氏體鑄鐵化學(xué)成分表，綜合考慮材料金相組織、鑄造工藝、成本，進(jìn)一步確定了各元素的準(zhǔn)確范圍，如下表1所示；同時(shí)確定了該材料的熔煉工藝、球化處理工藝、孕育處理工藝、澆注工藝、鑄造工藝，低溫-170℃下斷裂伸長(zhǎng)率以及拉伸強(qiáng)度均在常溫下力學(xué)性能指標(biāo)范圍內(nèi)，熱膨脹系數(shù)在1左右[10]。

表1 QTANi35Cr3材料各成分含量

3 國(guó)外BOG壓縮機(jī)用低溫材料的選用

國(guó)外布克哈德低溫氣缸采用的為GGG Ni35，經(jīng)過(guò)常溫和低溫力學(xué)性能測(cè)試，性能指標(biāo)見(jiàn)表2，可以看出其低溫沖擊韌性好，熱脹率低，變形小。GGG Ni35具有極低的熱膨脹系數(shù)，確保熱應(yīng)力及變形盡量小，可以直接啟動(dòng)，不需預(yù)冷?；钊c活塞桿采用迷宮式密封結(jié)構(gòu)，曲軸為浸入油內(nèi)的雙環(huán)軸封，不存在傳統(tǒng)活塞環(huán)、填函潤(rùn)滑問(wèn)題。日本神戶鋼鐵研制出世界上第一臺(tái)低溫壓縮機(jī)，迄今已有60多套低溫壓縮機(jī)在全球應(yīng)用，采用往復(fù)式結(jié)構(gòu)，頂開(kāi)氣閥和余隙調(diào)節(jié)，閥座和限制器采用奧氏體不銹鋼，閥片和彈簧采用特殊合金鋼，表面處理。日本IHI公司于1969年做出世界上第一臺(tái)壓縮機(jī)[11]，密封環(huán)采用填充PTFE形式，分有油潤(rùn)滑和無(wú)油潤(rùn)滑，上海和廣東共有3臺(tái)在使用。美國(guó)德萊賽蘭BOG壓縮機(jī)氣缸采用奧氏體不銹鋼，最多可達(dá)10個(gè)壓縮機(jī)氣缸。

表2 低溫組件的候選材料，綜合性能比較

4 BOG低溫壓縮機(jī)關(guān)鍵零部件用材料

基本上活塞材料均選用與氣缸低溫材料一致的材料。匯總國(guó)內(nèi)各BOG壓縮機(jī)關(guān)鍵零部件選用材料類型如表3。通過(guò)設(shè)置低溫區(qū)與常溫區(qū)隔離，減少低溫材料的使用范圍，因此低溫材料主要集中氣缸、氣缸進(jìn)排氣段。9Ni鋼是LNG儲(chǔ)氣罐常用材料，進(jìn)排氣段低溫管、罐可以借鑒使用此材料[12]。

表3 BOG壓縮機(jī)關(guān)鍵零部件材質(zhì)

5 結(jié)束語(yǔ)

考慮到成型以及加工難度，國(guó)內(nèi)BOG壓縮機(jī)用氣缸材料的研究主要以含鎳球墨鑄鐵為主，也是國(guó)內(nèi)BOG用低溫材料主要研究方向，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的零配件采用不銹鋼材材料。國(guó)外著名BOG壓縮機(jī)制造廠家布克哈德以及德萊賽蘭，氣缸材料分別采用鑄鐵以及不銹鋼材料，牌號(hào)信息難以獲知，零部件采用不銹鋼或者合金鋼。