低温液化（共4篇）
低温液化 篇1
现如今我国对天然气的需求量呈逐渐上涨的趋势, 其中天然气的运输和存储也就变得至关重要, 低温泵就是一种不可获取的设备, 也就是说, 低温泵对液化天然气的运输和存储有着直接的关系, 同时更是保障技术站安全运行的核心, 决定了接收站的经济效益, 因此本文就对液化天然气低温泵的工艺特性进行分析和探讨。
1 液化天然气低温泵概述
在液化天然气接受站中, 低温泵的作用就是把贮槽中的天然气液体增压或直接输入到管网中, 其简洁的设计极大的保障的安全性和可靠性。该泵的特点在于操作简单、开机时间短, 材质优良、维护方便、使用寿命长, 另外安全系数比较高, 能源损耗也比较低, 在低噪音下运行, 实用可靠。
液化天然气低温泵由三大系统构成, 分别为压缩机、冷冻机和泵体, 压缩机的作用在于把氦气进行压缩, 然后运送到冷冻机中;冷冻机的作用在于把经过压缩的氦气进行持续降温, 起到冷却的效果;泵体的作用在于凝固气体, 使气体被吸附, 以此获得更高的真空效果。
低温泵分为两种, 其一为离心式低温泵, 通常应用在从一个液体容器中把液体运送到其它容器中, 也可以使用在空分中的流程泵中, 离心式低温泵的密封形式通常为机械密封和迷宫密封, 其密封的成本较大;其二为活塞式、柱塞式低温泵, 通常应用在气体的充装和化工流程中。
2 天然气低温泵的应用
分析液化天然气低温泵的应用是后续工作开展的一项重点工作, 也是一项不可获取的重要环节。液化天然气低温泵的应用主要包括三个方面:首先为高压外输泵, 其作用为接收液化天然气、输送液化天然气, 外输压力通常在7MPa左右;其次低温泵应用在安装了轻烃回收设备的接收站内, 以此增强天然气的压力;最后, 储存罐之内的液化天然气低压输送泵, 外输压力通常在0.9MPa左右, 在把天然气进行升压之后送入冷凝器内, 经过冷却发挥出罐内的气体, 除此之外还能用来避免储存罐内部的分层问题。
通过对我国一些大型的液化天然气接收站进行考察能够发现, 其低温泵通常情况下采用的都是离心泵, 由于考虑到接收站对工艺的需求和天然气使用量的变动, 在天然气接收站中要安装专门的低温泵调节阀, 以此来对流量进行控制, 因此在运行天然气低温泵时并不是在性能曲线的高处进行运行。除此之外, 现阶段我国大部分天然气接收站采取的都是潜液泵, 所谓潜液泵就是低温泵的泵体和电机等都是浸入在天然气液体中的。对于上述所阐述的几个方向的内容都要有深刻的理解。
3 天然气低温泵的工艺特性
3.1 天然气低温泵的原理及构成
天然气低温泵是一种叶轮机械装置, 用于传送低温类的液体, 液化天然气低温泵同普通泵的操作性能基本一致, 由流量功率曲线、扬程曲线、气蚀余量曲线等体现出来。液化天然气低温泵的构成部件包括电机、平衡鼓、叶轮、泵轴等, 结合低温泵的整体使用情况能够看出, 叶轮、泵轴、轴承属于较为脆弱的部分, 比较容易受到损坏, 所以在使用时必须要加倍小心。
3.2 天然气低温泵同普通泵体的区别
下面对天然气低温泵同普通泵体进行对比, 其差异主要体现在下述5个方面中。
其一, 天然气低温泵不需要防爆电机设备就能够满足相关的安全指标。
其二, 通过液化天然气能够润滑所有的轴承, 这样一方面能够降低单独润滑的工作强度, 另一方面还能减少润滑油的损耗, 具有重要的意义。
其三, 天然气低温泵中的电机、叶轮等设备都位于相同的轴承上, 这样能够有效的避免在使用联轴器时而出现的偏心振动问题。
其四, 由于低温泵的泵体和电机都进入到液体中, 因此要在电气接线盒的位置安置氮气保护系统, 这样极大的简化了转轴上的密封结构, 同传统的泵体相比较为简单;另外, 当泵体侵入天然气液体中时, 想外部发出的噪音等级也会随着下降, 建立了一个良好的使用氛围, 提高了使用的效果。
其五, 温度差会造成热应力的损伤, 为了更好的避免这种损伤的出现, 要在开启天然气低温泵时采取合理的预冷工作, 所以要在低温泵上装置温度传感器和液体位置传感器, 不断的优化、完善操作。深刻的了解液化天然气低温泵同普通泵体的区别, 对于完善、改进工作有着非常重要的意义。
3.3 天然气低温泵需要注意的问题
液化天然气的独特之处在于很容易发生气化, 另外温度也略低;如果液化天然气出现气化之后, 气体还具有易燃易爆的特点, 因此对液化天然气的运输和存储必须要真正的重视起来, 对所有操作环节都要严格的监督和管理, 例如压力和漏热等, 这些问题都可能造成天然气发生气化。低温泵能够把电能变为流体动能和势能, 同样也影响到天然气的参数以及状态, 严重的话甚至会造成天然气出现气蚀或泄漏的问题出现。
参考文献
[1]师铜墙, 焦长安.大型液化天然气 (LNG) 接收站低温泵的工艺特性及选型[J].水泵技术, 2012, (02) :31-34.
[2]张花敏, 陈叔平, 王宁, 王鹏程, 任永平, 来进琳.液化天然气冷量在废旧轮胎低温粉碎中的应用[J].石油化工设备, 2010, (02) :67-70.
[3]陆亚东, 张唯玮.液化天然气低温储罐用9Ni钢[J].大氮肥, 2011, (03) :162-165.
[4]李晓明.液化天然气储罐用9Ni钢焊接及其低温韧性[J].石油化工设备, 2011, (02) :56-58.
低温液化 篇2
随着各国环境保护意识的增强和世界能源结构在逐渐变化, 天然气成为最受欢迎的能源之一。换热器中预冷和深冷液化液化天然气重要的一个环节。这是一个涉及能量、热量和质量传递的相变过程以及气液两相间界面的追踪的过程。1981年, Hirts和Nichols[1]提出了VOF (Volume of Fluid) 方法, 并使用该方法对溃坝问题进行数值模拟, 论证方法的可行性。该方法的相界面构造基本思想为运动界面追踪问题的数值模拟起到了开创性的作用;1998年, Boris Halasz[2]从热力学角度, 以能量、动量、质量平衡为基础, 通过分析蒸发式冷凝器内传热传质及流动阻力, 总结出了当时所有类型的蒸发式冷却装置通用的数学模型。1988年, Osher和Sethian[3]提出Level Set (水平集) 方法, 较精确计算相界面曲率及相关的物理量。2015年, Li S[4]等人通过引入热平衡模型, 对亚音速蒸汽注入过冷池直接接触冷凝进行数值模拟, 结果表明在管出口轴向温度随轴向速度降低而升高和压力震荡主要受蒸汽流速、蒸汽冷凝和低温冷却水的静压力影响。
本文的主要目的对天然气在换热器管程中进行深冷液化的问题进行研究, 分析在低温环境下甲烷深冷液化的主要影响因素。本文采用CFX中多相流混合模型, 模拟低温环境下天然气深冷液化的相变传热传质过程, 分析了不同因素对液化的影响及液化后的流型。
1 数值方法
1.1 几何模型
由于在换热器中管程通常为弯管结构, 本文几何模型采用“S”型弯管 (如图1所示) 。模拟计算过程中, 入口通入高温甲烷气体;气体与管道壁面换热, 使管道中甲烷遇冷液化;出口处则为甲烷的气液混合物。
1.2 控制方程
混合物模型[5] (Mixture) 是一种简化的多相流模型, 它用平均速度的概念来模拟多相流中各相具有不同速度的情况。该模型能够求解混合相的能量、动量和连续性方程, 以及各相的体积分数、温度、压力等物理量。
对上述模型, 通过建立动量守恒方程、连续性方程、体积守恒方程以及相间热传递方程。再进行数值模型的稳态求解, 不考虑控制方程在时间上的连续性, 控制方程如下:
(1) 动量守恒方程
式中, ρ和分别表示混合相的平均密度和速度, 表示体积力。uF
(2) 连续性方程
式中, SM描述用户指定的质量源, Γab指从β相到α相的单位体积质量流量
(3) 体积守恒方程
式中, rα表示α相体积比, Np是流体域内所有相的数量。
(4) 相间热传递方程
式中, hα, Tα, λα分别表示α相静焓、温度、热导率, SEα是外部热源, Qα其他相传递到α相的内能。
1.3 网格划分
利用Hypermesh划分模型网格, 流体域采用四面体网格划分, 在壁面添加10层边界层, 第一层厚度0.01mm, 增长率1.2。保持壁面边界层参数不变, 改变网格最小单元尺寸。网格最小单元尺寸:0.5mm、0.7mm、1mm、1.5mm、2mm和2.5mm, 网格数量分别为2605506、1286105、449675、203434、93534和55231。分别对以上5中网格进行模拟计算, 提取管道出口位置温度的平均值与最大值。根据分析可以得出从网格数量449675以后, 网格数量的增加对模拟结果的影响很小。本文选定最小单元尺寸0.7、网格数量1286105作为分析对象。
1.4 边界条件
本节主要针对流体域动力学参数和流体域热力学参数进行分析。由于液化后的液体受重力影响对流动影响较大, 需要考虑重力和浮力的作用;甲烷气相和液相会形成交界面, 因此选用CFX多相流自由液面模型;流体域入口控制参数设置为总压、温度及气态甲烷的体积比;出口设置为静压;所有壁面均为无滑移壁面模型。
流体域内的热力学模型为总能量模型, 相间设置热传递系数1000W/m2k;管程和壳程之间存在热量传递, 为方便计算设定壳程流体温度均为100K, 故管外温度设置为100K, 管的传热系数为20000W/m2k。其入口压强随重力方向而改变。
2 数值结果与讨论
(1) 数值结果的验证。甲烷在换热器管程中深冷液化涉及气液相变及多相流动问题。高温甲烷气体流经壁面, 遇冷液化。同时, 甲烷气体与液化后产生的液体同时在管道中流动。气体液化主要发生在管道表面, 当重力作用可忽略不计时, 将会形成环状的流行 (如图2所示) 。图3展现的为高温甲烷气体从管道入口到管道出口气液百分比, 颜色越深液体比例越高。由图可以看出, 越靠近出口, 甲烷液体越多。与Osher S等实验结果基本符合, 证明了仿真的正确性。
(2) 驱动压力的影响。保持管道壁面的传热系数不变, 设置7组递增驱动压力的计算组, 分别为100Pa、200Pa、300Pa、400Pa、500Pa、600Pa和700Pa。通过仿真模拟计算, 获得管道出口处甲烷的冷凝量。图5为不同驱动压力时, 出口处甲烷冷凝量的变化曲线。由图4可以看出, 在100~300Pa阶段, 冷凝量随着驱动压力的增大成直线增大;300~500Pa阶段, 冷凝量成稳定状态;500~700Pa, 冷凝量又回到直线增长。
(3) 管壁传热系数的影响。保持初始温度和驱动压力不变, 设置9组管道壁面传热系数递增的计算组, 分别为1、2、6、8、10、12、12.5、15、17.5和20k W/m2k。通过模拟计算, 获得管道出口处甲烷的冷凝量。图3-4为不同管道壁面传热系数时, 出口处甲烷冷凝量的变化曲线。由图5可以看出, 随着管道壁面传热系数的增大, 出口处冷凝量呈直线增加。管道壁面传热系数增大, 管壁的热阻减少, 使气体与管壁的传热效率提高, 从而使冷凝的液体增多。
3 结论
本文主要研究驱动压力和管壁传热系数分别对目标参数 (出口处甲烷冷凝量) 的影响。通过简化管道模型, 并采用流体动力学混合物模型结合自由液面模型 (VOF) 对其进行数值模拟, 得到以下结论:
(1) 数值模拟结果与文献中的流型一致性较好, 从而证明了本文所建模型的合理性。
(2) 在优化的范围内, 若要提高甲烷的冷凝量, 可通过提高驱动压力和使用传热系数较高的管道材料。
参考文献
[1]Hirt CW, Nichols BD.Volume of Fluid (Vof) Method for the Dynamics of Free Boundaries.J Comput Phys.1981;39 (1) :201-25.doi:10.1016/0021-9991 (81) 90145-5.
[2]Halasz B.A general mathematical model of evaporative cooling devices.Rev Gen Therm.1998;37 (4) :245-55.doi:10.1016/S0035-3159 (98) 80092-5.
[3]Osher S, Sethian JA.Fronts Propagating with Curvature-Dependent Speed-Algorithms Based on Hamilton-Jacobi Formulations.J Comput Phys.1988;79 (1) :12-49.doi:10.1016/0021-9991 (88) 90002-2.
[4]Li SQ, Wang P, Lu T.Numerical simulation of direct contact condensation of subsonic steam injected in a water pool using VOF method and LES turbulence model.Prog Nucl Energ.2015;78:201-15.doi:10.1016/j.pnucene.2014.10.002.
[5]江帆, 黄鹏.Fluent高级应用.2008.
低温液化 篇3
液化天然气是气田开采出来的天然气, 经过脱水、脱酸性气体和重烃类, 然后压缩、膨胀、液化而成。LNG在常压下的沸点约为-162℃、LNG不仅是清洁能源, 而且使用方便、高效、安全, 我国为实现能源结构多元化、清洁化, 已经大力发展使用天然气, 而液化天然气的储存运输及应用需要强大的低温系统技术来实现, 尤其是LNG码头接收站的建设。
1 火箭发动机试验低温推进剂供应系统
推进剂供应系统是试验中为发动机提供推进剂的系统及全部设备的总称, 包括液氢供应系统和液氧供应系统, 随着重型运载火箭的开发, 火箭发动机的推力也要求越来越大, 这种大推力发动机的试验使得推进剂供应系统发生了阶跃性变化, 系统设计中解决了液氢贮存的大型贮箱、长距离液氢输送、加注、计量、保温、低温放泄露, 阀门控制及截断等大量的技术难题。
1.1 液氢供应系统组成
由相应的控制设备 (继电器、压力变送器、增压调节装置等) 、阀门、主管道、补偿器、排液、过滤器、流量计、液氢贮箱、排气管道及抽空系统等方面组合而成的就是液氢供应系统。其指挥系统就是按照实验流通把上述的设备通过相应的控制程序来进行, 这样系统就可以组织成可以进行远程控制上的有机整体。
1.2 液氧供应系统组成
液氧供应系统组成与液氢供应系统组成基本相同。系统设计及建设满足液氧的使用要求, 如密封垫禁用玻璃钢, 采用与液氧的强氧化性相适应的材料等。系统建成至今, 已经过若干次试验考验, 工作稳定、可靠。
1.3 推进剂供应系统相关技术
火箭发动机试验推进剂供应系统集成了氢气生产液化、液氢储存、液氢运输、液氢管路输送、液氢低温测量测控、低温节流断流、安全、环保等技术于一身, 其中液氢的贮箱储存及供应技术, 液氢的管路输送技术是比较典型的低温技术应用过程。
由于重型火箭的推力非常大, 因此发动机试验一次需要的液氢是几百到几千立方, 而液氢的产量是有限的, 因此需要提前生产并储存大量的液氢, 试验时在转注到供发动机试验临时装载的大型低温贮箱里, 发动机试验时从这些大型的低温贮箱里用管路直接输送到发动机的推力室。由于发动机入口出对液氢的温度品质很高, 因此液氢在储存时通常采用高真空多层绝热容器, 而且为了计量的准确性, 一般采用立式的圆柱型容器, 校准试验对流量的测量精度相对较高, 而且试验次数相对其它研究性试验较多, 因此将校准试验使用的液氢贮箱设计为一个独立的标定贮箱, 相比于其它贮箱, 提高内筒体椭圆度、直线度的加工精度和内筒体的刚度, 以满足计量需要。标定贮箱内设差压式液位计和分节式液位计, 差压式液位计提供加注和试验过程中的液位测量, 分节式液位计用于稳态流量测量 (涡轮流量计提供瞬态流量) 。试验中需要临时贮存几百方液氢, 为确保试验安全, 根据相应的设计标准配置安全阀和爆破膜串联组合的超压泄放装置, 避免了大口径低温安全阀的微漏问题, 并且采用双路备份。试验时, 从液氢贮箱向发动机供给液氢通常通过气体增压或低温泵输送两种方式确保液氢稳定流动, 采用增压方式的话增压气体流量的稳定是保证发动机泵前压力稳定的基础, 是试验成功的重要保障条件之一, 因此增压技术是非常重要的一项技术, 低温贮箱增压是气态和液态界面环境中, 存在热量和质量交换的一种复杂的物理过程, 包括气体的混合, 气体与液体界面和贮箱壁之间的传热传质, 冷凝膜的形成和流动, 液面向下的移动及液体本身的搅动等。在重型氢氧发动机试验中, 由于推进剂流量的大幅度提高, 给低温贮箱增压系统提出了更严格的要求。在低温贮箱上方设置的增压气体分布器及出口设置防涡流装置使液氢以稳态流场进入主管道。
液氢主管道通径为DN250～DN300, 主管道上设置波纹管补偿器、过滤器等主要设备;液氢主管路采用技术较为成熟的真空多层绝热管, 液氢主管道上所液氢应急阀、断流阀、流量计、温度传感器等低温管路设备及元器件。
总之, 液氢供应系统集成了最先进的低温系统技术。
2 LNG接收站系统技术
2.1 LNG接收站工艺系统[2]
LNG利用是一项投资十分巨大、上下游各环节联系十分紧密的链状系统工程, 由天然气开采、天然气液化、LNG运输、LNG接收与汽化、天然气外输管线、天然气最终用户六个环节组成, 其中任何一个环节出现问题都将使整个系统停车, 而且必须对上下游环节作出巨额赔偿。因此LNG利用系统各环节的工艺及设备必须安全可靠, LNG站是其中重要环节之一, 要求更为严格。卸料臂现行LNG站工艺大致可分为两种:一种是BOG再冷凝工艺, 另一种是BOG直接压缩工艺。两种工艺并无本质上的区别, 仅在蒸发气体 (BOG) 的处理上有所不同, 现以BOG再冷凝工艺为例介绍LNG站工艺流程, LNG站的简要方框流程见图1。
从流程看LNG站工艺并不复杂, 但其中却包含有许多高科技知识。LNG在常压下的沸点约为-162℃, 而LNG站正是在常压下储存LNG, 因此LNG站在汽化之前的所有设备都是在-162℃的温度下长期低温运行, 这对设备的保冷、材质、防泄漏诸方面要求极高。另外LNG站的储罐容积一般都在10×104 m3以上、直径达70多米, 数量至少2个, 站内储存如此大量的极易汽化、燃烧的LNG, 因此LNG站的安全性极其重要。一旦出现事故不但站内人身安全、财产受到极大威胁, 而且停产将要对上游LNG供应商和下游燃气用户作出巨额赔偿, 因为LNG行业实行的是照付不议合同。
2.2 LNG接收站主要设备及测控系统
LNG站主要设备台数并不算多, 但结构复杂、要求高且大型, 关键设备有LNG储罐、汽化器、LNG泵、LNG各种阀、LNG卸料臂、LNG装车撬等, LNG测控系统主要是需要开发出适用于低温的测控的仪器仪表、传感器等元器件。下面简单介绍几种LNG站设备。
LNG储罐均为双层金属罐, 与LNG接触的内层为含9%Ni低温钢, 外层为碳钢, 中间绝热层为膨胀珍珠岩, 罐底绝热层为泡沫玻璃。
LNG装车撬图2是指将每一个LNG装车鹤位内的仪表和设备集成在一个专用的框架结构内, 仪表和设备包括装车鹤管、流量计、静电报警控制器、压力变送器、装车流量控制阀、紧急切断阀, 装车泵、批量控制器等;LNG装车撬在生产厂家进行仪表及设备安装、电气连接, 完成系统强度和气密测试, 系统功能测试, 记录测试数据, 系统测试合格后方可出厂, 生产厂家出具系统合格证;装车撬到达用户装车现场后, 连接地角螺栓, 连接工艺管线、供电线路和通讯线路后, 经过简单的调试就可以直接投入使用;和控制系统就地组装比较, 可以节省现场设计和现场施工量, 缩短项目工期, 同时提高了装车控制系统品质。
2.3 现阶段LNG接收站所需设备供货
LNG接收站的工艺设备多为低温设备, 由于我国LNG工业处于起步晚, 很多设备国内还没有制造厂, 如LNG卸料臂、LNG储罐、BOG压缩机、LNG输送泵、气化器、工艺海水泵、LNG车系统、低温仪表、低温阀门、低温测控传感器等绝大部分设备目前还是以国外进口为主, 小部分有国内厂家研制, 但是品质与进口产品比还是有不小的差距, 因此很难获得LNG站建设项目的采购订单。
在LNG接收站的建设中, 国内供货的仅限于外围的如电气设备、消防设备、低温非标容器、制氮设备、压缩空气及仪表空气设备、生产及生活水设备、污水处理设备、火炬设施、保冷材料产品等。
2.4 LNG接收站经市场前景及济性分析
LNG不仅是清洁能源, 而且使用方便、高效、安全。特别是近年来大型燃气轮机技术取得了重大突破, 采用燃气轮机与蒸汽轮机联合循环的天然气发电厂, 发电机组热效率突破了汽轮机发电热效率为40%的高限而达56%左右, 使天然气成为最经济的发电能源之一, 东南沿海广东、福建、江苏、浙江和上海五省市是我国经济最发达的地区, 经济的高速增长带来能源需求的不断上升国家资源平衡和运输能力均难以完全满足五省市的需求, 环境容量也要求燃煤再不能在该地区无限制发展。在加快核电建设的同时, 为了实现能源结构多元化、清洁化, 大力发展使用天然气是一条现实可行之路。但东南沿海地区并无大量天然气资源, 近期也不会向广东和福建敷设天然气管线, 因而使得进口LNG成为首选方案。根据市场需求和地域分布, 国家有关部门已在广东、福建和上海三地积极开展LNG的接收与利用前期研究工作待试点获得经验后再全面推广, LNG接收站在我国沿海地区将会大量建设, 因此急需相应的低温系统技术来支持。
LNG的最大用户是发电厂, 当发电厂的进气价格为5美元/百万英热单位时, 电厂的经济效益会怎么样呢?由于燃气蒸汽联合循环发电热效率的不断提高, 在我国东南沿海某一地区同等条件下与其它发电方式相比己具有相当的竞争力。经算:LNG电厂的单位成本为0.35元/kWh (人民币, 下同) 、同一地区规划的燃煤电厂成本为0.25元/k Wh、水电为0.31元/k Wh、油电为0.4元/k Wh、核电为0.44元/k Wh, LNG处于中间水平。
由此可见, 导入LNG不仅可为投资者带来良好的经济效益, 更重要的是改善了环境, 增加了能源供给, 保证了经济持续发展, 提高了居民生活质量。因此发展建设LNG项目意义重大, 市场空间广阔。
3 结语
从前述情况可以看出, LNG利用是一项投资十分巨大、上下游各环节联系十分紧密的链状系统工程, 在我国也还是刚进入初级阶段, 我国经济高速的发展及环保的要求, 使得进口LNG作为清洁能源是解决能源紧张最好的方法, 因此LNG接收站是一个有着很大前景的朝阳产业, 而建设中需要进口解决的的低温系统集成技术及各种低温设备在我国的航天低温推进领域有着深厚的技术及运用基础, 如果把这些技术、设备转化为民用, 航天低温推进供应系统技术将会带来巨大的社会效益。
参考文献
[1]冷力强, 侯宇葵.未来空间技术展望[J].航天器工程, 2007 (1) .
低温液化 篇4
近年来,随着国内能源项目投资力度的逐渐加大,低温液化石油气储库项目已经成为投资的热点之一。广东深圳华安低温液化石油气储库项目、江苏张家港东华优尼科低温液化石油气储库项目、广西钦州低温液化石油气储库项目,都是国内目前比较大型的低温储罐项目,总容积30.2万立方米。为了更好的保证低温储罐的焊接质量,降低焊接人员的工作强度和工作环境,提高工效,笔者所在公司在储罐环焊缝使用埋弧自动焊的基础上,在立焊缝上使用熔化极气体保护自动焊,以便更好的为客户建造质量优良的产品。
目前国内建造低温液化石油气储罐使用的低温钢材主要有两种:ASTM A537 Class2和ASTM A516 Grade60,其化学成分见表1。下面主要阐述FCAW焊接技术在这两种低温钢的纵焊缝焊接时的应用。
1 焊接设备
自动立焊机匹配的是林肯Lincoln DC-400直流焊接电源,采用陡降的外特性。该焊接电源也可用于手工电弧焊。立焊机为林肯Lincoln LN-9立焊机,采用MDS-1005摆动控制摸块,有四种焊丝运行模式。
2 焊接材料
2.1 保护气体
熔化极气体保护焊常用的保护气体按组元数量可分为单一气体和混合气体,单一组元气体只具备单一的性质,而混合(组元)气体则兼有各组元的性质,比单一气体具有更多的优越性。
焊接A537 Cl.2和A516 Gr.60低温钢时,使用的保护气体是氩气(Ar)和二氧化碳(CO2)的混合气体,比例为80%Ar+20%CO2。
2.2 焊丝
内罐立焊缝焊接材料为Lincoln Outershield81Ni1-H,Ø1.2mm,药芯气保护焊丝。
焊丝特性:可以全位置焊接,非常好的可焊性,飞溅小,焊缝成型美观,容易操作;具有良好的机械性能(在-40℃时,CVN>47J),氢含量低(HDM<5 ml/100g),合金含量合适;送丝良好。其化学成分、机械性能见表2。
3 焊接工艺
3.1 适用标准
罐体建造采用API STAN-DARD 620《Design and Construc-tion of Large,Welded,Low-Pressure Storage》,焊接作业采用ASME SECTIONⅨ《Welding and Brazing Qualifica-tions》。
3.2 机械性能试验
焊缝机械性能试验包括夏比冲击试验、拉伸和导向弯曲试验。
低温液化石油气储罐,设计温度为-45℃。所以,与低温介质直接接触的储罐壁板焊缝有一个非常重要的指标——横向冲击功,它要求焊缝必须在-45℃时进行2mm V型缺口的夏比冲击试验,其得到的结果要满足规定。
全尺寸试样在-45℃2mm V型缺口的冲击功,A537 Cl2平均值34J,单个值27J;A516 Gr60平均值27J,单个值20J。如果不能加工全尺寸试样,可以根据截面积进行换算[1]。
夏比冲击试验一般要求在焊缝区和热影响区进行,每个区域至少一组,每组三个试样。合格标准是:一组中三个试样冲击功的平均值必须大于或等于规定的平均值,允许其中有一个试样的冲击功小于规定的平均值,但是必须大于或等于规定的单个值。
拉伸和弯曲试验数量:拉伸两个,面弯、背弯各两个。
3.3 焊接工艺评定
3.3.1 试板坡口型式及焊道分布
不同材质、厚度评定试板的坡口型式及焊道分布,见图1。
3.3.2 焊接工艺参数
不同材质、厚度评定试板的焊接工艺参数[2],见表3。
3.3.3 焊缝机械性能试验
不同材质、厚度评定试板的焊缝机械性能试验结果,见表4。
表中相关试验数据或结果满足API620标准的合格要求,所以表3的焊接工艺参数能够用于工程焊接。
4 焊缝微观分析
以材质A537 Cl2厚度15mm对接纵向焊缝为例,分析线能量对焊缝低温冲击功、以及热影响区和焊缝区金相组织的影响。
4.1 线能量对焊缝低温冲击性能的影响
通过对焊缝及热影响区2mmV缺口、-45℃低温冲击试验值判断线能量对焊缝低温冲击性能的影响,见表5。
从表中看出,试样TP-4在焊缝区的冲击功不满足要求,热影响区满足标准要求;TP-4A在焊缝区和热影响区的冲击功均满足标准要求。分析两个试样的金相可以看出,TP-4金相中的块状先共析铁素体晶粒粗大,分布不均匀。同时,热影响区宽度较大。这是由于在焊接的过程中,TP-4焊缝的线能量超过了工艺的要求,降低了焊缝的韧性,从而导致其在低温条件下冲击性能的降低。
4.2 线能量对焊缝金相组织
焊缝线能量对热影响区、焊缝区金相组织的影响,见表5、图2和图3。
5 母材厚度对FCAW的影响
低温材料的自动焊接,除了具有普通材料焊接的特点之外,最重要的是控制在焊接过程中的热输入量,即焊接线能量。因为低温材料与其他普通材料相比,对焊接线能量特别敏感,线能量的改变,将导致焊缝金属晶粒粗化程度的不同,从而影响焊缝的低温韧性、焊接热裂纹以及焊接冷裂纹,有增大残余应力的可能性。通常,在采用FCAW焊接低温钢时,焊缝的线能量值应小于或等于25k J/cm。下面是实际工程的焊接过程中计算焊缝热输入量的计算公式:
单位:热输入量/(kJ/cm);焊接电流/A;电弧电压/V;焊接速度/(cm/min)。
从公式(6)可以看出,影响焊缝热输入量,即线能量的工艺参数主要有焊接电流、电弧电压和焊接速度。
在熔化极气体保护自动焊接过程中,焊接速度受到焊丝摆动幅度、焊道两侧停顿的时间以及驱动装置的前进速度三个因素制约,而在这三个制约因素中,摆动速度又与待焊焊缝的厚度有关。
从图4可以得出:
从公式(7)可以看出,焊缝厚度t越大,焊丝摆动的幅度l就越大。在摆动速度不变的情况下,需要的时间就越多,这就导致在焊接速度降低,热输入量增大。也就是说,焊道的厚度越大,在其他条件不变的情况下,必然导致焊缝线能量的增加。所以,就低温钢的焊接而言,熔化极气体保护焊适用于厚度小于或等于20mm薄板或中厚板的焊接。如用于厚板焊接,当摆动幅度超过20mm时,必须采用多层多道焊,以提高焊接速度,降低线能量。
6 经济效益分析
对经济效益的影响,主要表现在焊缝质量的一次合格率和工效两个方面,反映为项目发生的直接成本和间接成本,前者主要为人工费和施工机械使用费,后者主要包括管理费、财务费用和其他费用。
以容积为40 000m3(直径为45.8m)的2台双壳LPG储罐的内罐壁板焊接为例,纵向对接焊缝采用手工电弧焊(SMAW)和FCAW焊进行比较说明。
该项目相关资料如下。
(1)纵向焊缝
内罐的每层壁板有12条纵向焊缝,单条长3m,从第2层至8层壁板的厚度依次为19、17、15、13、11、10、10mm,共7层。
(2)焊接条件
1)焊缝坡口:厚度≥15mm时为X型坡口,厚度<15mm时为V型坡口;
2)焊接环境:温度15℃,湿度70%,风速3m/s;
3)施焊位置高度:内罐第3层壁板,约5m(指第3层壁板下边缘高度)。
(3)背面清根
FCAW——壁板厚度小于或等于11mm时背面清根采用人工打磨,其余采用碳弧气刨和打磨;SMAW——均采用碳弧气刨和打磨。
(4)FCAW的设备及人员配置(假定以最基本设备配置)
要求4台自动焊机沿储罐圆周对称布置,每台机焊3条,同时以相同的时针方向进行焊接。每台焊机配置1名焊机操作员(亦即焊工)和1名辅助工。
(5)手工电弧焊接时的设备及人员配置(假定以最基本设备配置)
要求6台手工电弧焊机沿储罐圆周对称布置,6名焊工同时以相同的时针方向进行焊接,每人完成2条。配置3名辅助人员。
(6)直接成本
人工费——以焊工人民币140元/人·天,其余人员人民币80元/人·天计算。
(7)根据以上的数据,得出如表6的内容。
可以看出,储罐内罐的纵向横焊缝(第一层壁板除外)使用FCAW焊接,与手工电弧焊接相比较,具有下列优点:
1)大大降低了焊接人员的劳动强度;
2)节省了时间约7天;
3)人工费节约34.7%;
4)提高了焊接质量合格率,保证了焊接质量的稳定。
7 结论
药性焊丝熔化极气体保护自动焊(FCAW),适用于LPG储罐低温钢部位的纵向对接焊缝、且母材厚度≤20mm的薄板或中厚板的焊接。该焊接技术可以大大降低焊工的劳动强度,保证焊接质量,节约了工期和人工费。但是,它要求在焊接过程中必须严格遵守合格的焊接工艺评定,保证焊缝的线能量符合要求(通常应≤25k J/cm)。只有这样才能保证得到优质的焊缝,制造出满足合同要求的产品。
参考文献
[1]Design and Construction of Large,Welded,Low-Pres sure Storage Tanks,API Standard620,Tenth Edition,February2002.