BOG壓縮機用低溫材料概述

◇中石化石油機械股份有限公司三機分公司 李華偉

BOG壓縮機主要用于LNG儲罐內的蒸發氣，將其壓縮冷凝回收或直接外輸進管網，壓縮介質溫度在-160℃左右，壓縮氣缸及其零部件均需采用耐低溫材料，文中簡要論述了國內外BOG壓縮機中低溫材料的選用?？紤]到成型和加工難度，球磨鑄鐵成為BOG壓縮機低溫材料的主要研究方向。

1 背景

天然氣作為清潔能源越來越受青睞，是很多國家的首選燃料。為了便于跨洋運輸，提升運送靈活性，將天然氣經深冷工藝冷卻到-162℃后變成液體，液化天然氣簡稱LNG，其體積可縮小600倍，重量也是同體積水的45%左右。LNG接收站是將儲罐中的進口液化天然氣，通過站內裝置升溫氣化進入管網輸送給用戶?；蛲ㄟ^將液化天然氣重裝人槽車中，運輸到液化天然氣加氣站[1]。

LNG在低溫儲罐或低溫槽車內的日蒸發率約為0.3%，這部分蒸發氣簡稱為BOG閃蒸氣（Boil Off Gas），使得儲罐相對空間內的壓力升高[2-3]。為保證LNG接收站內儲罐安全運行，BOG壓縮機是維持低溫LNG儲罐壓力穩定的關鍵設備，其功能主要是增壓，一種工藝路線是將BOG氣體進壓縮機直接外輸進管網，另一種是將BOG壓縮后與LNG氣體混合后冷凝成液體[4-6]。無論哪種工藝路線，BOG壓縮機吸入的氣體溫度都很低（-162℃左右），對壓縮機結構設計和材料均有更高的要求。低溫下材料的低溫性能、收縮、脆性均變化比較大，影響整個設備的可靠性。本文主要對國內BOG壓縮機用耐低溫材料的研究應用現狀進行了論述。

2 國內BOG壓縮機用低溫材料的選用

國內關于制造耐-161℃的低溫材料的研究較少，常用耐低溫材料通常選用不銹鋼，但鑄造性能差，澆鑄結構復雜的氣缸，由于鋼水流動性差、收縮大，導致鑄件容易產生氣孔、疏松、裂紋等缺陷；不銹鋼鍛件成型加工難度大，也不適用于結構復雜的壓縮機。相比鑄鋼，球磨鑄鐵的鑄造性能較好，成為BOG壓縮機用低溫材料的主要研究方向。

中石化廣州工程有限公司王洪飛給出的某LNG接收站項目BOG壓縮機主要部件的材質，其中與低溫介質直接基礎的氣缸、活塞部件均采用耐蝕高鎳鑄鐵/低溫球墨鑄鐵，而活塞桿、閥座、閥片、閥彈簧均為不銹鋼材料[7]；2K-140MG-8.7/4.5型BOG低溫壓縮機是杭州福斯達實業集團有限公司所用的壓縮機設備，該設備使用說明書中提出氣缸以及活塞采用材料牌號為YDQ-196，活塞桿材料同樣為含鎳材料，牌號為00CrNi13Mn5 Mo2N；沈陽遠大壓縮機有限公司通過試驗研究，發現特定鎳含量的球墨鑄鐵在低溫下具有優良的金相組織和機械性能。以原材料成分作為重點，從球鐵熔煉、球化處理、孕育等控制和制造工藝過程等展開試驗攻關，完成了6種不同組分高鎳低溫球鐵的鑄造試驗，經過0、-20℃、-40℃、-75℃、-121℃、-163℃、-180℃下進行低溫夏比（V型缺口）試驗，最終確定了高鎳球鐵的組成及制造工藝，應用于研制的BOG壓縮機，并按照ASME PTC 9用低溫氮氣（-161℃）成功進行了72h低溫全負荷性能試驗[8-9]。成都壓縮機廠選型了牌號為QTANi35Cr3奧氏體球磨鑄鐵作為生產BOG壓縮機壓縮缸的材料，參照GB/T 26648-2011《奧氏體鑄鐵件》中特殊用途牌號QTANi35Cr3的奧氏體鑄鐵化學成分表，綜合考慮材料金相組織、鑄造工藝、成本，進一步確定了各元素的準確范圍，如下表1所示；同時確定了該材料的熔煉工藝、球化處理工藝、孕育處理工藝、澆注工藝、鑄造工藝，低溫-170℃下斷裂伸長率以及拉伸強度均在常溫下力學性能指標范圍內，熱膨脹系數在1左右[10]。

表1 QTANi35Cr3材料各成分含量

3 國外BOG壓縮機用低溫材料的選用

國外布克哈德低溫氣缸采用的為GGG Ni35，經過常溫和低溫力學性能測試，性能指標見表2，可以看出其低溫沖擊韌性好，熱脹率低，變形小。GGG Ni35具有極低的熱膨脹系數，確保熱應力及變形盡量小，可以直接啟動，不需預冷?；钊c活塞桿采用迷宮式密封結構，曲軸為浸入油內的雙環軸封，不存在傳統活塞環、填函潤滑問題。日本神戶鋼鐵研制出世界上第一臺低溫壓縮機，迄今已有60多套低溫壓縮機在全球應用，采用往復式結構，頂開氣閥和余隙調節，閥座和限制器采用奧氏體不銹鋼，閥片和彈簧采用特殊合金鋼，表面處理。日本IHI公司于1969年做出世界上第一臺壓縮機[11]，密封環采用填充PTFE形式，分有油潤滑和無油潤滑，上海和廣東共有3臺在使用。美國德萊賽蘭BOG壓縮機氣缸采用奧氏體不銹鋼，最多可達10個壓縮機氣缸。

表2 低溫組件的候選材料，綜合性能比較

4 BOG低溫壓縮機關鍵零部件用材料

基本上活塞材料均選用與氣缸低溫材料一致的材料。匯總國內各BOG壓縮機關鍵零部件選用材料類型如表3。通過設置低溫區與常溫區隔離，減少低溫材料的使用范圍，因此低溫材料主要集中氣缸、氣缸進排氣段。9Ni鋼是LNG儲氣罐常用材料，進排氣段低溫管、罐可以借鑒使用此材料[12]。

表3 BOG壓縮機關鍵零部件材質

5 結束語

考慮到成型以及加工難度，國內BOG壓縮機用氣缸材料的研究主要以含鎳球墨鑄鐵為主，也是國內BOG用低溫材料主要研究方向，結構相對簡單的零配件采用不銹鋼材材料。國外著名BOG壓縮機制造廠家布克哈德以及德萊賽蘭，氣缸材料分別采用鑄鐵以及不銹鋼材料，牌號信息難以獲知，零部件采用不銹鋼或者合金鋼。