＊高瑋 鹿來運 花亦懷 陳杰 糜麗燕 史俊強

（1.中海石油氣電集團有限責任公司技術研發(fā)中心 北京 100028 2.無錫海特鋁業(yè)有限公司 江蘇 214121）

繞管式換熱器是大型天然氣液化工藝和浮式液化天然氣生產(chǎn)儲卸裝置的核心裝備，也是推進我國南海天然氣資源開發(fā)利用的核心利器[1]。超長無縫（300m以上）鋁合金管作為大型繞管式換熱器的核心部件，長期以來，全球僅由極少數(shù)廠家壟斷生產(chǎn)并定向供貨，成為大型繞管式換熱器國產(chǎn)化的瓶頸[2]。自2013年起，氣電集團技術研發(fā)中心以承擔的國家工信部課題為依托，聯(lián)合國內(nèi)廠家對超長無縫鋁合金管加工制造關鍵技術進行攻關，并取得突破進展。本文主要介紹LNG繞管式換熱器用超長無縫鋁合金管系列管項目攻關研發(fā)情況，主要包括超長無縫鋁合金管加工工藝、生產(chǎn)制造流程、產(chǎn)品規(guī)格和精度等，以期促進中海油自主LNG繞管式換熱器國產(chǎn)化研發(fā)工作。

1.LNG繞管式換熱器用鋁管選型

對于LNG繞管式換熱器用鋁管材料，根據(jù)國內(nèi)外大型LNG工程項目中繞管式換熱器設備調(diào)研，結(jié)合鋁管廠家、換熱器廠家所開展的鋁管的材料特性試驗比選，以及綜合考慮鋁管生產(chǎn)加工制造成本和供貨周期，經(jīng)過研究論證，確定選用5049（牌號）/O狀態(tài)（退火狀態(tài)）鋁管作為LNG繞管式換熱器用鋁換熱管材料。

LNG繞管式換熱器管束體纏繞結(jié)構示意如圖1所示。

圖1 大型繞管式換熱器用鋁管纏繞結(jié)構示意

單圈螺旋線長度：

螺旋線總長度：

上式中：繞管束直徑為D；高度為H；螺旋角為θ；管徑為d1。

鋁管管徑的選擇一般需根據(jù)天然氣液化工藝要求，同時滿足管內(nèi)流速和沿程壓損要求，因此常用管徑一般為φ8.0～φ15.0mm。

由于大型繞管式換熱器通常是將預冷段、液化段、深冷段三段換熱器由下至上拼焊組成，各段換熱器管束的直徑介于3m到5m，換熱器管束的高度介于10m到15m，換熱管盤繞的螺旋角介于3°到15°，因此換熱器內(nèi)的換熱鋁管的長度設計值介于250m到380m。綜上所述，在綜合考慮管道材料的加工制造的難度、鋁管的成品率以及加工制造成本等方面之后，確定換熱鋁管的供貨長度應在300m之上，并且纏繞成卷供應。

2.超長無縫鋁合金管加工工藝及生產(chǎn)制造

(1)超長無縫鋁合金管加工工藝

目前常用的也是比較成熟的鋁合金管熱擠壓生產(chǎn)方法有兩種，分別為正向分流模擠壓和反向穿孔擠壓[3-4]。正向分流模擠壓采用焊合擠壓法擠壓，鑄錠在強大的擠壓壓力的作用下被模具上的分流橋分成幾股金屬流進入模腔，然后在模腔內(nèi)高溫高壓條件下，金屬被重新焊合起來流出?？祝瞥煽招匿X管。正向分流模擠壓缺點在于分流模具擠壓后的鋁管上存在焊縫，雖然人工無法識別這種焊縫，但是在擠壓過程中，當工藝參數(shù)條件波動時，焊縫的強度可能會無法承受金屬擠壓，從而導致生產(chǎn)的鋁管存在耐壓性差，容易分層或開裂等缺點。

由于5049牌號鋁合金特性不屬于軟合金，不適合運用正向不適宜采用連續(xù)擠壓法來生產(chǎn)。因此結(jié)合超長無縫鋁合金管供貨要求，項目組決定采用反向穿孔擠壓+盤管拉伸的生產(chǎn)方法，其原理見圖2，通過反向穿孔擠壓得到無縫的坯管，再通過盤拉工藝拉制出不同規(guī)格的超長無縫鋁管。

圖2 反向擠壓工藝原理圖

(2)超長無縫鋁合金管生產(chǎn)工藝流程

根據(jù)鋁管廠家鋁合金管材的實際生產(chǎn)經(jīng)驗，同時結(jié)合繞管式換熱器設備應用實際需求，確定如下加工工藝流程[5-6]見圖3超長無縫鋁合金管生產(chǎn)工藝流程圖。

圖3 超長無縫鋁合金管生產(chǎn)工藝流程圖

其中，不同直徑規(guī)格鋁管在上述步驟鋁管盤拉過程中，通過控制盤拉次數(shù)，而得到不同管徑規(guī)格的超長無縫鋁管。

(3)超長無縫鋁合金管加工制造關鍵技術

超長無縫鋁合金管加工制造的關鍵技術，在于采用盤拉的加工工藝制造無縫鋁合金管，傳統(tǒng)的無縫鋁合金管制造方法都是擠出無縫坯管后采用直拉拉制或軋制的方式得到不同管徑鋁管，傳統(tǒng)方式加工制造的鋁管長度受限，無法實現(xiàn)超長無縫鋁管的加工。采用直接擠出的方式，生產(chǎn)的超長無縫鋁管管徑受限尺寸精度又得不到保障，擠壓管尺寸精度與冷拉管的尺寸精度還是有一定差距。本項目開發(fā)的盤拉冷拔方式，通過模具和設備的控制，既保證了鋁管的生產(chǎn)長度，又保障了尺寸精度。

3.超長無縫鋁合金管產(chǎn)品規(guī)格

(1)超長無縫鋁合金管產(chǎn)品規(guī)格

本項目共研發(fā)三種規(guī)格的超長無縫鋁合金管，分別為φ12mm×1.0mm、φ10mm×1.0mm、φ8.5mm×1.25mm，鋁管樣管產(chǎn)品如圖4所示。

圖4 超長無縫鋁合金管不同規(guī)格產(chǎn)品樣管

通過稱重測量，三種規(guī)格超長無縫鋁合金管產(chǎn)品重量參數(shù)如表1所示。

表1 超長無縫鋁合金管不同規(guī)格產(chǎn)品稱重

根據(jù)鋁管長度重量計算公式：長度=重量/（2.7×鋁管截面積）可以得出，單根鋁管長度分別為：φ12mm×1.0mm，約700m；φ10mm×1.0mm，約1200m；φ8.5mm×1.25mm，約1100m。

因此，本項目研發(fā)的三種規(guī)格的鋁管產(chǎn)品，單卷鋁管長度滿足常規(guī)供貨鋁管（一般300m規(guī)格）2卷的長度。

(2)超長無縫鋁合金管尺寸精度

我國國家標準GB/T 4436-2012（鋁及鋁合金管材外形尺寸及允許偏差）中公稱外徑＞8.00～12.00mm，O狀態(tài)，高精級外徑允許偏差為±0.3mm，如圖5所示。

圖5 國標GB/T 4436-2012中無縫圓管的外徑允許偏差

歐洲標準BS EN 755-7:2016 Seamless tubes,tolerances on dimensions and form（第7部分：無縫管，尺寸和形狀公差 ），規(guī)定圓管直徑≥8mm，達到并包括18mm，退火管子（O狀態(tài)）的直徑公差為±1.5mm，如圖6所示：

圖6 歐標BS EN 755-7:2016中無縫管的外徑允許偏差

本項目所研發(fā)的三種規(guī)格超長無縫鋁合金管產(chǎn)品經(jīng)由第三方機構（國家石油鉆采煉化設備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心）隨機抽樣（見圖7），結(jié)果表明的尺寸精度為：

圖7 第三方機構檢驗檢測結(jié)果

管子外徑及其允許偏差：

表2 管子外徑及其允許偏差

管子壁厚允許偏差：

表3 管子壁厚允許偏差

因此，本項目研發(fā)的超長無縫鋁合金管系列鋁管產(chǎn)品尺寸精度可達±0.1mm，其精度高于現(xiàn)有國內(nèi)標準和歐盟標準。

4.結(jié)語

本項目開發(fā)了國內(nèi)首創(chuàng)超長無縫鋁合金管加工制造工藝，所研制三種規(guī)格超長無縫鋁合金管（φ12mm×1.0mm、φ10mm×1.0mm、φ8.5mm×1.25mm），制造鋁管單根長度大于700m，遠遠滿足常規(guī)產(chǎn)品供貨規(guī)格（300m盤管）需求，且產(chǎn)品精度高于現(xiàn)有國家標準和歐盟標準。超長無縫鋁合金管系列管的國產(chǎn)化，突破了LNG繞管式換熱器裝備國產(chǎn)化道路上的一項技術壁壘，填補了該領域國內(nèi)空白。標志著中國海油自主LNG繞管式換熱器國產(chǎn)化研制取得關鍵性突破，這對自主開發(fā)南海深水天然氣及提升我國能源裝備水平打下了堅實基礎。