开架式气化器换热管束损伤机理及最优更换周期分析

王 涛,张晓兵,刘 哲,王俊强,张贵元,王福运,梁 妍

(中国特种设备检测研究院,北京 100029)

液化天然气(Liquefied Natural Gas,缩写为LNG)接收站使用的气化设备通常分为3种,分别是中间介质式气化器【1】(Intermediate Fluid Vaporizer, 缩写为IFV)、开架式气化器【2】(Open Rack Vaporizer, 缩写为ORV)和浸没燃烧型气化器【3】(Submerged Combustion Vaporizer, 缩写为SCV)。IFV使用得较少,SCV主要在冬季和调峰时使用,ORV因运行和维护方便、使用成本低、经济效益好等优点【4】,在LNG接收站中得到广泛应用。

ORV主要由混凝土基座、防风器、换热管束、LNG汇管、NG汇管、海水槽和排水渠等组成【5】,其运行原理如图1所示。LNG在换热管束内部自下而上流动,与海水完成热交换后气化成NG流入NG汇管,最后进入天然气外输网络。1台ORV约有2个单元,每个单元有7～8块换热管束,每块换热管束则由约80根星形翅片管组成,每根星形翅片管外围均匀分布12个翅片,可增大换热面积。在星形翅片管内部设置内管,形成双层结构【6】。LNG沿内管自下而上流动,流入内外管间隙中的LNG受热后立即气化成NG,向上流动进入NG汇管。翅片管内表面和内管间隙中的NG温度较高,同时也可以与内管中的LNG发生热交换。该结构可改善管束外表面的结冰问题。

图1 ORV工作原理示意

换热管束是ORV设备的核心部件。换热管束的失效会导致换热效率降低、LNG泄漏甚至引起火灾等重大安全事故。本文拟对ORV设备换热管束的损伤形式及失效机理进行综合分析,为换热管束的维护保养提供理论依据;依据GB/T 26610.2—2022中提出的方法,计算ORV设备换热管束的最优更换周期,对换热管束的更换问题进行量化分析,以获得最大的经济效益。

1 ORV换热管束的损伤失效分析

ORV设备的换热管束常年在高盐、高湿的环境中运行,并受到海水的冲刷,容易产生损伤,导致失效。换热管束在运行中会因腐蚀、海水冲蚀、开裂和其他机械或人为击伤导致结构损伤、材料性能下降或其他形式的失效,影响ORV的正常运行,严重时甚至会导致安全事故的发生。因此,有必要对换热管束的损伤失效形式和损伤机理进行分类分析。

1.1 电化学腐蚀

ORV设备运行时,LNG与换热管束外表面的海水进行热交换。海水是导电性较好的电解质溶液,在涂层破损处容易发生电化学腐蚀,造成换热管束的局部减薄。电化学腐蚀机理如下:

阳极反应 Al→Al3++3e

阴极反应 O2+2H2O+4e→4OH-

此外,海水中的Hg、Cu2+及pH值等都会影响换热管束的寿命。海水中的Cu2+会与Al发生氧化还原反应,使换热管束发生化学腐蚀;Hg会使换热管束发生金属脆化,严重时导致脆裂失效。因此,作为ORV热媒的海水需要进行水质分析。对海水水质的要求如表1所示。

表1 海水成分指标

1.2 微生物腐蚀

1.3 海水冲蚀

海水沿换热管束外表面自上而下流动,形成持续流动的海水水幕,与换热管束内的LNG进行热交换。因此,海水冲蚀是换热管束常见的损伤形式。换热管束外表面的腐蚀产物会因海水冲刷的作用发生脱落,使得该位置处的金属因腐蚀产物的脱落而暴露在外部环境中,进而导致进一步的腐蚀发生。换热管束在冲刷的反复作用下发生局部腐蚀,这些局部腐蚀大多呈现坑状或凹槽状等,并且具有一定的方向性。当海水中的含沙量比较大时,冲蚀效果更加明显。

1.4 开裂

造成换热管束开裂的原因主要包括异物附着、振动和操作不当等【8】。

当换热管束外表面有异物附着时,会阻碍海水的流动,在异物附着区域海水不能完全接触换热管束外表面,使换热管束受热不均匀。在水膜附着区域,换热管束的温度较高,而在异物附着区,由于不能较好地与海水进行热交换,温度较低。因此,在换热管束上会产生温度梯度,发生应力分布不均现象。ORV设备的每次启停操作,都会在换热管束上进行一次热应力加载。多次操作后,容易在换热管束薄弱处产生热疲劳破坏,导致开裂发生。

ORV在工作期间,换热管束内输入LNG,与海水进行热交换后气化成NG,之后再进入NG汇管输出。换热管束会因其内部受到液相、气相和气液共存相态的流体流动的影响而发生振动。振动随着LNG操作压力的增大而增强。换热管束长时间在振动工况下运行时,可能会产生塑性变形,或在管束焊缝、基体材料薄弱处产生应力集中,导致裂纹产生。随着裂纹的扩展,换热管束可能会发生断裂。

在设备开启时遇冷过快或者LNG与海水的流量不匹配时, 换热管束可能会发生弯曲变形, 严重时还可能开裂, 甚至发生泄漏。此外, 维护期间的不规范操作, 也可能会导致换热管束发生损伤。

2 换热管束的最优更换周期

2.1 计算方法

依据换热管束失效和周期性计划停机更换管束产生所有费用的总和最小原则,计算换热管束的最优更换周期【9】。具体计算方法如下:

1) 选定时间步长和增量数目两个参数, 时间步长ts的计量单位为d, 且最大值为7, 增量数目n为无量纲参数, 初始值为1, 以1为增量递增。

2) 确定换热管束的更换周期trn,见式(1)。

trn=n×ts×365

(1)

式中:trn——更换周期,a。

3) 计算换热管束的检验时间tn,见式(2)。

(2)

式中:tn——检验时间,a;

η——Weibull特征寿命参数;

β——Weibull形状参数,取默认值3。

η可以利用平均无故障工作时间和特定的换热管束历史情况计算。

利用平均无故障工作时间计算η,见式(3)。

(3)

式中:MTTF——平均无故障工作时间,a;

Γ(x)——关于x的Γ方程。

利用特定的管束历史情况计算η,见式(4)。

(4)

式中:N——换热管束历次更换数量;

tdur——换热管束的服役时间,a;

r——换热管束历次失效的数量。

(5)

5) 计算换热管束在计划更换前就有可能发生失效的平均服役年限ESLf,n,见式(6)。

(6)

式中:ESLf,n——计划更换前管束失效的平均服役年限,a。

6) 计算换热管束在计划更换前不会发生失效的平均服役年限ESLp,n,见式(7)。

(7)

式中:ESLp,n——计划更换前管束不会失效的平均服役年限,a。

7) 计算换热管束的预期服役年限ESLn,见式(8)。

ESLn=ESLf,n+ESLp,n

(8)

式中:ESLn——换热管束的预期服役年限,a。

(9)

其中

(10)

costprod——需要停车对换热管束进行维修或更换时产生的损失,元;

costenv——换热管束泄漏导致的环境影响费用,元;

costbundle——换热管束更换费用,元;

costmaint——抽出换热管束进行检验或更换产生的检维修费用,元。

9) 计算换热管束在计划更换周期内进行更换所产生的费用costprb(trn),见式(11)。

(11)

式中:costprb(trn)——换热管束在计划更换周期内的更换费用,元/a。

其中

(12)

unitprod——设备每天的生产利润,元/d;

ratered——换热管束因故障致使生产产能下降的比例,%;

Dsd,plan——换热管束在计划停机时进行检修所需要的时间,d。

10) 计算换热管束在计划更换周期内且在预期服役年限内产生的总费用costtotal(trn),见式(13)。

(13)

式中:costtotal(trn)——换热管束在计划更换周期内进行更换的总费用,元/a。

按照上述步骤进行计算。计算完成后,增量数目n以1为增量递增,再重复计算2)～10)的计算过程,直到计算出costtotal(trn)最小值为止。costtotal(trn)最小值所对应的trn的值即等于换热管束的最优更换周期。

2.2 案例计算

对换热管束进行最优更换周期计算前,应先对计算方法中的一些参数进行赋值。以某LNG接收站为例进行详细说明。该接收站ORV设备共有4台,3台于2014年投入使用,1台于2015年投入使用,由于海水水质较好且运行维护规范,ORV设备自投产以来均未发生故障。通过查阅设备的设计资料和运行数据,对换热管束部分参数的赋值如表2所示。

表2 换热管束相关参数赋值

根据2.1节的计算方法,对LNG接收站的换热管束最优更换周期进行计算,结果如表3所示。

表3 计算结果

由表3可知,trn在[1,11]区间内,costtotal是单调递减的。由于trn在[1,10]区间内时costtotal的计算值较大且不影响寻找其最小值,为了更好地呈现costtotal的增减性,取trn在[11,25]区间内costtotal的计算值绘制散点,如图2所示。

图2 ts=1～6时,costtotal-trn的计算值

由图2可知,当ts取1～6时,costtotal遵循先递减后递增的规律。costtotal最小值所对应的trn区间分别为:[15,17](ts=1)、[14,18](ts=2)、[15,21](ts=3)、[12,20](ts=4)、[10,20](ts=5)和[12,24](ts=6)。当时间步长ts越小时,costtotal最小值所对应的trn区间越小,换热管束最优更换周期的计算越准确。时间步长ts越小,costtotal的计算值越多,costtotal-trn函数的拟合性越好。为了更准确地求解换热管束的最优更换周期,本文选取ts=1进行计算。由于trn在[1,10]区间内计算值较大且不影响寻找costtotal最小值,为了更好地观察costtotal最小值所在的区间和函数拟合,本文将[1,10]区间内的值舍弃后,对costtotal-trn函数进行拟合,结果如图3所示。

图3 costtotal-trn拟合函数

由图3可知,costtotal-trn的拟合函数如式(14)所示,拟合函数的拟合优度R2=0.999 1,函数的拟合程度较好。

(14)

对拟合函数进行计算可得,当trn=16.5 a时,costtotal-trn的值最小,此时换热管束的失效概率为18.5%。

3 结语

通过研究可知,影响ORV换热管束损伤失效的因素主要有化学腐蚀、微生物腐蚀、海水冲蚀和开裂。在日常设备维护中,应该仔细检查换热管束涂层的完好性,清理换热管束上面的附着物,控制加氯装置中Cl-的浓度。管理人员应经常检验海水水质,检测涂层厚度,合理控制LNG流量,规范操作设备。

选取适当案例,依据换热管束失效和周期性计划停机更换管束产生所有费用的总和最小原则,按照本文所述方法计算得到了ORV换热管束的最优更换周期和需更换时的失效概率。该研究结果可为ORV换热管束的维护、维修和更换提供理论依据,为企业带来较大的经济和社会效益。