王 濤,張曉兵,劉 哲,王俊強(qiáng),張貴元,王福運(yùn),梁 妍

(中國特種設(shè)備檢測研究院,北京 100029)

液化天然氣(Liquefied Natural Gas,縮寫為LNG)接收站使用的氣化設(shè)備通常分為3種,分別是中間介質(zhì)式氣化器【1】(Intermediate Fluid Vaporizer, 縮寫為IFV)、開架式氣化器【2】(Open Rack Vaporizer, 縮寫為ORV)和浸沒燃燒型氣化器【3】(Submerged Combustion Vaporizer, 縮寫為SCV)。IFV使用得較少,SCV主要在冬季和調(diào)峰時(shí)使用,ORV因運(yùn)行和維護(hù)方便、使用成本低、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)【4】,在LNG接收站中得到廣泛應(yīng)用。

ORV主要由混凝土基座、防風(fēng)器、換熱管束、LNG匯管、NG匯管、海水槽和排水渠等組成【5】,其運(yùn)行原理如圖1所示。LNG在換熱管束內(nèi)部自下而上流動,與海水完成熱交換后氣化成NG流入NG匯管,最后進(jìn)入天然氣外輸網(wǎng)絡(luò)。1臺ORV約有2個(gè)單元,每個(gè)單元有7～8塊換熱管束,每塊換熱管束則由約80根星形翅片管組成,每根星形翅片管外圍均勻分布12個(gè)翅片,可增大換熱面積。在星形翅片管內(nèi)部設(shè)置內(nèi)管,形成雙層結(jié)構(gòu)【6】。LNG沿內(nèi)管自下而上流動,流入內(nèi)外管間隙中的LNG受熱后立即氣化成NG,向上流動進(jìn)入NG匯管。翅片管內(nèi)表面和內(nèi)管間隙中的NG溫度較高,同時(shí)也可以與內(nèi)管中的LNG發(fā)生熱交換。該結(jié)構(gòu)可改善管束外表面的結(jié)冰問題。

圖1 ORV工作原理示意

換熱管束是ORV設(shè)備的核心部件。換熱管束的失效會導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低、LNG泄漏甚至引起火災(zāi)等重大安全事故。本文擬對ORV設(shè)備換熱管束的損傷形式及失效機(jī)理進(jìn)行綜合分析,為換熱管束的維護(hù)保養(yǎng)提供理論依據(jù);依據(jù)GB/T 26610.2—2022中提出的方法,計(jì)算ORV設(shè)備換熱管束的最優(yōu)更換周期,對換熱管束的更換問題進(jìn)行量化分析,以獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 ORV換熱管束的損傷失效分析

ORV設(shè)備的換熱管束常年在高鹽、高濕的環(huán)境中運(yùn)行,并受到海水的沖刷,容易產(chǎn)生損傷,導(dǎo)致失效。換熱管束在運(yùn)行中會因腐蝕、海水沖蝕、開裂和其他機(jī)械或人為擊傷導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷、材料性能下降或其他形式的失效,影響ORV的正常運(yùn)行,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致安全事故的發(fā)生。因此,有必要對換熱管束的損傷失效形式和損傷機(jī)理進(jìn)行分類分析。

1.1 電化學(xué)腐蝕

ORV設(shè)備運(yùn)行時(shí),LNG與換熱管束外表面的海水進(jìn)行熱交換。海水是導(dǎo)電性較好的電解質(zhì)溶液,在涂層破損處容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕,造成換熱管束的局部減薄。電化學(xué)腐蝕機(jī)理如下:

陽極反應(yīng) Al→Al3++3e

陰極反應(yīng) O2+2H2O+4e→4OH-

此外,海水中的Hg、Cu2+及pH值等都會影響換熱管束的壽命。海水中的Cu2+會與Al發(fā)生氧化還原反應(yīng),使換熱管束發(fā)生化學(xué)腐蝕;Hg會使換熱管束發(fā)生金屬脆化,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致脆裂失效。因此,作為ORV熱媒的海水需要進(jìn)行水質(zhì)分析。對海水水質(zhì)的要求如表1所示。

表1 海水成分指標(biāo)

1.2 微生物腐蝕

1.3 海水沖蝕

海水沿?fù)Q熱管束外表面自上而下流動,形成持續(xù)流動的海水水幕,與換熱管束內(nèi)的LNG進(jìn)行熱交換。因此,海水沖蝕是換熱管束常見的損傷形式。換熱管束外表面的腐蝕產(chǎn)物會因海水沖刷的作用發(fā)生脫落,使得該位置處的金屬因腐蝕產(chǎn)物的脫落而暴露在外部環(huán)境中,進(jìn)而導(dǎo)致進(jìn)一步的腐蝕發(fā)生。換熱管束在沖刷的反復(fù)作用下發(fā)生局部腐蝕,這些局部腐蝕大多呈現(xiàn)坑狀或凹槽狀等,并且具有一定的方向性。當(dāng)海水中的含沙量比較大時(shí),沖蝕效果更加明顯。

1.4 開裂

造成換熱管束開裂的原因主要包括異物附著、振動和操作不當(dāng)?shù)取?】。

當(dāng)換熱管束外表面有異物附著時(shí),會阻礙海水的流動,在異物附著區(qū)域海水不能完全接觸換熱管束外表面,使換熱管束受熱不均勻。在水膜附著區(qū)域,換熱管束的溫度較高,而在異物附著區(qū),由于不能較好地與海水進(jìn)行熱交換,溫度較低。因此,在換熱管束上會產(chǎn)生溫度梯度,發(fā)生應(yīng)力分布不均現(xiàn)象。ORV設(shè)備的每次啟停操作,都會在換熱管束上進(jìn)行一次熱應(yīng)力加載。多次操作后,容易在換熱管束薄弱處產(chǎn)生熱疲勞破壞,導(dǎo)致開裂發(fā)生。

ORV在工作期間,換熱管束內(nèi)輸入LNG,與海水進(jìn)行熱交換后氣化成NG,之后再進(jìn)入NG匯管輸出。換熱管束會因其內(nèi)部受到液相、氣相和氣液共存相態(tài)的流體流動的影響而發(fā)生振動。振動隨著LNG操作壓力的增大而增強(qiáng)。換熱管束長時(shí)間在振動工況下運(yùn)行時(shí),可能會產(chǎn)生塑性變形,或在管束焊縫、基體材料薄弱處產(chǎn)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。隨著裂紋的擴(kuò)展,換熱管束可能會發(fā)生斷裂。

在設(shè)備開啟時(shí)遇冷過快或者LNG與海水的流量不匹配時(shí), 換熱管束可能會發(fā)生彎曲變形, 嚴(yán)重時(shí)還可能開裂, 甚至發(fā)生泄漏。此外, 維護(hù)期間的不規(guī)范操作, 也可能會導(dǎo)致?lián)Q熱管束發(fā)生損傷。

2 換熱管束的最優(yōu)更換周期

2.1 計(jì)算方法

依據(jù)換熱管束失效和周期性計(jì)劃停機(jī)更換管束產(chǎn)生所有費(fèi)用的總和最小原則,計(jì)算換熱管束的最優(yōu)更換周期【9】。具體計(jì)算方法如下:

1) 選定時(shí)間步長和增量數(shù)目兩個(gè)參數(shù), 時(shí)間步長ts的計(jì)量單位為d, 且最大值為7, 增量數(shù)目n為無量綱參數(shù), 初始值為1, 以1為增量遞增。

2) 確定換熱管束的更換周期trn,見式(1)。

trn=n×ts×365

(1)

式中:trn——更換周期,a。

3) 計(jì)算換熱管束的檢驗(yàn)時(shí)間tn,見式(2)。

(2)

式中:tn——檢驗(yàn)時(shí)間,a;

η——Weibull特征壽命參數(shù);

β——Weibull形狀參數(shù),取默認(rèn)值3。

η可以利用平均無故障工作時(shí)間和特定的換熱管束歷史情況計(jì)算。

利用平均無故障工作時(shí)間計(jì)算η,見式(3)。

(3)

式中:MTTF——平均無故障工作時(shí)間,a;

Γ(x)——關(guān)于x的Γ方程。

利用特定的管束歷史情況計(jì)算η,見式(4)。

(4)

式中:N——換熱管束歷次更換數(shù)量;

tdur——換熱管束的服役時(shí)間,a;

r——換熱管束歷次失效的數(shù)量。

(5)

5) 計(jì)算換熱管束在計(jì)劃更換前就有可能發(fā)生失效的平均服役年限ESLf,n,見式(6)。

(6)

式中:ESLf,n——計(jì)劃更換前管束失效的平均服役年限,a。

6) 計(jì)算換熱管束在計(jì)劃更換前不會發(fā)生失效的平均服役年限ESLp,n,見式(7)。

(7)

式中:ESLp,n——計(jì)劃更換前管束不會失效的平均服役年限,a。

7) 計(jì)算換熱管束的預(yù)期服役年限ESLn,見式(8)。

ESLn=ESLf,n+ESLp,n

(8)

式中:ESLn——換熱管束的預(yù)期服役年限,a。

(9)

其中

(10)

costprod——需要停車對換熱管束進(jìn)行維修或更換時(shí)產(chǎn)生的損失,元;

costenv——換熱管束泄漏導(dǎo)致的環(huán)境影響費(fèi)用,元;

costbundle——換熱管束更換費(fèi)用,元;

costmaint——抽出換熱管束進(jìn)行檢驗(yàn)或更換產(chǎn)生的檢維修費(fèi)用,元。

9) 計(jì)算換熱管束在計(jì)劃更換周期內(nèi)進(jìn)行更換所產(chǎn)生的費(fèi)用costprb(trn),見式(11)。

(11)

式中:costprb(trn)——換熱管束在計(jì)劃更換周期內(nèi)的更換費(fèi)用,元/a。

其中

(12)

unitprod——設(shè)備每天的生產(chǎn)利潤,元/d;

ratered——換熱管束因故障致使生產(chǎn)產(chǎn)能下降的比例,%;

Dsd,plan——換熱管束在計(jì)劃停機(jī)時(shí)進(jìn)行檢修所需要的時(shí)間,d。

10) 計(jì)算換熱管束在計(jì)劃更換周期內(nèi)且在預(yù)期服役年限內(nèi)產(chǎn)生的總費(fèi)用costtotal(trn),見式(13)。

(13)

式中:costtotal(trn)——換熱管束在計(jì)劃更換周期內(nèi)進(jìn)行更換的總費(fèi)用,元/a。

按照上述步驟進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算完成后,增量數(shù)目n以1為增量遞增,再重復(fù)計(jì)算2)～10)的計(jì)算過程,直到計(jì)算出costtotal(trn)最小值為止。costtotal(trn)最小值所對應(yīng)的trn的值即等于換熱管束的最優(yōu)更換周期。

2.2 案例計(jì)算

對換熱管束進(jìn)行最優(yōu)更換周期計(jì)算前,應(yīng)先對計(jì)算方法中的一些參數(shù)進(jìn)行賦值。以某LNG接收站為例進(jìn)行詳細(xì)說明。該接收站ORV設(shè)備共有4臺,3臺于2014年投入使用,1臺于2015年投入使用,由于海水水質(zhì)較好且運(yùn)行維護(hù)規(guī)范,ORV設(shè)備自投產(chǎn)以來均未發(fā)生故障。通過查閱設(shè)備的設(shè)計(jì)資料和運(yùn)行數(shù)據(jù),對換熱管束部分參數(shù)的賦值如表2所示。

表2 換熱管束相關(guān)參數(shù)賦值

根據(jù)2.1節(jié)的計(jì)算方法,對LNG接收站的換熱管束最優(yōu)更換周期進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如表3所示。

表3 計(jì)算結(jié)果

由表3可知,trn在[1,11]區(qū)間內(nèi),costtotal是單調(diào)遞減的。由于trn在[1,10]區(qū)間內(nèi)時(shí)costtotal的計(jì)算值較大且不影響尋找其最小值,為了更好地呈現(xiàn)costtotal的增減性,取trn在[11,25]區(qū)間內(nèi)costtotal的計(jì)算值繪制散點(diǎn),如圖2所示。

圖2 ts=1～6時(shí),costtotal-trn的計(jì)算值

由圖2可知,當(dāng)ts取1～6時(shí),costtotal遵循先遞減后遞增的規(guī)律。costtotal最小值所對應(yīng)的trn區(qū)間分別為:[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)。當(dāng)時(shí)間步長ts越小時(shí),costtotal最小值所對應(yīng)的trn區(qū)間越小,換熱管束最優(yōu)更換周期的計(jì)算越準(zhǔn)確。時(shí)間步長ts越小,costtotal的計(jì)算值越多,costtotal-trn函數(shù)的擬合性越好。為了更準(zhǔn)確地求解換熱管束的最優(yōu)更換周期,本文選取ts=1進(jìn)行計(jì)算。由于trn在[1,10]區(qū)間內(nèi)計(jì)算值較大且不影響尋找costtotal最小值,為了更好地觀察costtotal最小值所在的區(qū)間和函數(shù)擬合,本文將[1,10]區(qū)間內(nèi)的值舍棄后,對costtotal-trn函數(shù)進(jìn)行擬合,結(jié)果如圖3所示。

圖3 costtotal-trn擬合函數(shù)

由圖3可知,costtotal-trn的擬合函數(shù)如式(14)所示,擬合函數(shù)的擬合優(yōu)度R2=0.999 1,函數(shù)的擬合程度較好。

(14)

對擬合函數(shù)進(jìn)行計(jì)算可得,當(dāng)trn=16.5 a時(shí),costtotal-trn的值最小,此時(shí)換熱管束的失效概率為18.5%。

3 結(jié)語

通過研究可知,影響ORV換熱管束損傷失效的因素主要有化學(xué)腐蝕、微生物腐蝕、海水沖蝕和開裂。在日常設(shè)備維護(hù)中,應(yīng)該仔細(xì)檢查換熱管束涂層的完好性,清理換熱管束上面的附著物,控制加氯裝置中Cl-的濃度。管理人員應(yīng)經(jīng)常檢驗(yàn)海水水質(zhì),檢測涂層厚度,合理控制LNG流量,規(guī)范操作設(shè)備。

選取適當(dāng)案例,依據(jù)換熱管束失效和周期性計(jì)劃停機(jī)更換管束產(chǎn)生所有費(fèi)用的總和最小原則,按照本文所述方法計(jì)算得到了ORV換熱管束的最優(yōu)更換周期和需更換時(shí)的失效概率。該研究結(jié)果可為ORV換熱管束的維護(hù)、維修和更換提供理論依據(jù),為企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。