LNG接收站海水循環(huán)泵的關(guān)鍵技術(shù)與國產(chǎn)化研究
海水循環(huán)泵是LNG接收站中的一個重要設(shè)備之一，主要功能是輸送海水作為LNG汽化的熱源。在已建的LNG項目中，海水循環(huán)泵主要由國外公司所壟斷。2013年，首臺國產(chǎn)海水循環(huán)泵在唐山LNG項目中進行調(diào)試運行，開創(chuàng)了海水泵的國產(chǎn)化實踐之路。國內(nèi)一些泵業(yè)公司開始重視LNG項目中海水循環(huán)泵產(chǎn)品的研發(fā)和國產(chǎn)化研究，取得了較好的效果。概述了海水循環(huán)泵的結(jié)構(gòu)形式、執(zhí)行標準、關(guān)鍵技術(shù)以及CAE優(yōu)化設(shè)計。海水循環(huán)泵的國產(chǎn)化對于LNG項目的關(guān)鍵設(shè)備投資和維護具有重要的意義。
一、前言
LNG(Liquefied Natural Gas)，即液化天然氣的英文縮寫。天然氣是在氣田中開采出來的可燃氣體，其主要成分是甲烷。LNG是將常壓下氣態(tài)的天然氣深冷到-162℃，使之凝結(jié)成液體，便于儲存和運輸。2006～2014年，我國三大石油公司及其子公司在沿海地區(qū)建設(shè)投入運行管理的LNG接收站已有12個(見下表)，年接收能力3 500萬t；預(yù)計到2020年，全國將建成25個LNG接收站。作為接收站關(guān)鍵設(shè)備之一的海水循環(huán)泵，其安全可靠運行直接關(guān)系到LNG工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性，由此可見，可靠性和耐腐蝕是該泵的關(guān)鍵技術(shù)指標。該產(chǎn)品的國產(chǎn)化研究應(yīng)從可靠性指標入手，根據(jù)項目的屬性特征開展關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)與實踐。
我國已建成的陸地LNG接收站
二、海水循環(huán)泵的結(jié)構(gòu)形式
海水循環(huán)泵在LNG接收站的工藝流程作用是輸送海水至汽化器，利用海水中的熱量將液態(tài)天然氣汽化為常溫狀態(tài)，供下游客戶使用。海水泵房通常布置在近海區(qū)域；泵的進口設(shè)計為低于最低海水水位3～4m。綜合多種因素考慮，海水循環(huán)泵的結(jié)構(gòu)形式為立式長軸泵，屬于API610標準中VS1基本泵型，葉輪級數(shù)為單級或多級。泵的進口濾網(wǎng)位置通常低于正常海平面5m左右，泵的總長度為10～12m。單泵設(shè)計流量為2 500～5 000m3/h，揚程為28～56m；泵的具體參數(shù)取決于天然氣下游客戶正常使用量和汽化器的進口壓力要求。
三、海水循環(huán)泵的關(guān)鍵技術(shù)
海水循環(huán)泵在LNG系統(tǒng)中承擔重要的功能，其安全可靠性是首要考慮因素。首先參考執(zhí)行標準是第一影響因素，目前油氣領(lǐng)域的離心泵產(chǎn)品普遍遵循的設(shè)計、生產(chǎn)制造標準為美國石油學會API610及其衍生的各個國家/行業(yè)標準。在我國石化離心泵產(chǎn)品中，企業(yè)能夠參考的標準有GB/T 3215、SH/T 3139、SH/T 3140、GB/T 16907、GB/T 5656和GB/T 3216等標準。對于LNG項目的海水循環(huán)泵，我國應(yīng)選擇GB/T 3215作為執(zhí)行標準，精心組織產(chǎn)品設(shè)計、質(zhì)量管理體系以及生產(chǎn)制造、檢測試驗等系統(tǒng)性工作；同時可以參考國外產(chǎn)品的技術(shù)資料或產(chǎn)品進行逆向工程分析，消化吸收先進的技術(shù)。海水循環(huán)泵的另一項關(guān)鍵技術(shù)為材質(zhì)選擇，除了電動機架結(jié)構(gòu)為碳素結(jié)構(gòu)鋼外，其他部件的金屬材料均采用雙相不銹鋼或超級雙相不銹鋼。濾網(wǎng)、進水口、葉輪、導葉體、泵軸以及揚水管等大型部件的材質(zhì)化學成分雖相同，但由于制造工藝差異，各部件所對應(yīng)的雙相不銹鋼材質(zhì)類別也不相同，如雙相不銹鋼2205即 CD4MCu；對應(yīng)于美國材料試驗協(xié)會的牌號有ASTMA240、A276、A283、A479和A890等。海水循環(huán)泵的濾網(wǎng)可采用線材A240焊接而成，泵軸采用棒材A479制成，揚水管采用板材A276焊接而成，葉輪、導葉體等采用A890鑄造而成。對于小部件，如螺栓、螺母和墊片也都采用雙相不銹鋼材質(zhì)。
克服材料的因素外，海水循環(huán)泵的工藝也是關(guān)鍵技術(shù)之一。例如葉輪的工藝環(huán)節(jié)包括化學成分分析、熱處理、力學測試、射線檢測、著色滲透以及動平衡等，每個環(huán)節(jié)要保留詳細的技術(shù)資料。對于濾網(wǎng)、揚水管和出水彎管等部件，主要考慮焊接工藝，如預(yù)熱溫度控制、焊縫處理、焊后熱應(yīng)力消退以及加工過程中消除殘余應(yīng)力等。
四、先進技術(shù)在海水循環(huán)泵的應(yīng)用
當前先進的計算機輔助設(shè)計工具對海水循環(huán)泵的優(yōu)化設(shè)計發(fā)揮巨大的作用。泵的設(shè)計由兩大部分組成即水力模型和結(jié)構(gòu)設(shè)計。水力模型決定泵的性能和設(shè)計參數(shù)；結(jié)構(gòu)設(shè)計決定泵的可靠耐久性。對于某LNG接收站的海水循環(huán)泵，設(shè)計流量6 440m3/h，揚程34m，轉(zhuǎn)速744r/min，電動機功率810kW。該泵的效率要求不低于88%，凈正吸入揚程(NPSH )小于8m。
首先根據(jù)設(shè)計參數(shù)，確定比轉(zhuǎn)速選擇優(yōu)秀的水力模型并進行優(yōu)化設(shè)計(見圖1～圖4)，將優(yōu)秀的水力模型轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的設(shè)計；同時進行結(jié)構(gòu)的有限元計算分析，如振動、應(yīng)力分布等。
五、結(jié)語
通過對多個LNG接收站海水循環(huán)泵的資料調(diào)研及產(chǎn)品逆向工程分析，該產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)及其生產(chǎn)工藝流程已經(jīng)被國內(nèi)幾個企業(yè)所掌握，所生產(chǎn)制造的海水循環(huán)泵完全能夠替代進口產(chǎn)品。海水循環(huán)泵的國產(chǎn)化能夠促進海洋高端裝備制造業(yè)在沿海油氣開發(fā)、海水淡化等領(lǐng)域的市場份額，具有較高的經(jīng)濟價值。
