随着国内液化天然气（liquefiednaturalgas，LNG）产业链日趋完整，超低温技术领域逐步成熟。因LNG领域的局限性，国内引入LNG接收站之初，大型装备与技术均由国外公司垄断，采购谈判地位被动，项目投资控制难度大。面对“天价”进口设备，国内LNG相关投资企业、制造企业陆续开始通过技术改造、产学研合作等方式，开展LNG装备自主化，攻坚克难，打破国外技术垄断。
中海石油气电集团有限责任公司（以下简称“气电集团”）作为国内主要的LNG项目投资单位，率先在国内开展LNG装备自主化研制工作，先后在LNG全容储罐、开架式气化器（ORV）、中间介质气化器（IFV）、LNG潜液泵、槽车装车橇、防爆旋臂起重机等重大关键设备取得自主化技术突破，实现市场应用推广。
开架式气化器和中间介质气化器是LNG关键设备自主化项目的重中之重，作为LNG接收站中的基本负荷型气化器，国际上被日本企业垄断（神户制钢KOBELCO和住友SUMITOMO），设备贸易易受国际局势变化的影响，存在设备报价不合理、价格波动大和供货周期无法保证等情况。随着自主化LNG气化器的成功推广，由过去完全依赖日本供应商转变为拥有自主核心成套技术，从设计到制造、从中试到工业化、从成果鉴定到成功推广，探索出LNG产业关键自主化的实现路径，为今后的LNG设备自主化项目提供有效指导。
1 LNG气化器
LNG气化器是LNG接收站的核心设备之一，是LNG接收站除大型储罐外单体投资最大、最重要的设备，其中ORV、IFV是目前国际上应用最普遍的LNG气化器。ORV具有经济性好、运行成本低等优点，IFV具有换热效率高、设备紧凑占地面积小、海水水质适应能力强等优点，在中国、日本、韩国和欧洲被广泛使用。我国已建成的大鹏LNG、莆田LNG、上海LNG、如东LNG等10余座接收站均选用上述2种气化器之一作为基本负荷型气化器使用。
开架式气化器（openrackvaporizer，ORV）利用海水作为热源，通过覆盖在开放的薄层管束上的海水液膜降落来气化管束里的LNG，管束两端由集箱管连接，具有经济性好、运行成本低等优点。
中间介质气化器（intermediatefluidvaporizer，IFV）将3个管壳式热交换器组合，利用沸点很低的丙烷作为中间介质来气化LNG，避免海水直接气化LNG时出现结冰的情况，适用于海水条件较差的工况。具有海水适应性强、操作方便等优点。
2种气化器的原理如图1、图2所示。
2技术难点与攻关
国内LNG接收站项目的ORV、IFV设备主要依赖进口，设计制造技术长期被日本企业垄断，存在供货渠道单一、供货期长、采购受限等问题。2010年起，气电集团与航天科工哈尔滨风华有限公司（以下简称“航天科工”）、江苏中圣高科技产业有限公司（以下简称“中圣集团”）启动LNG气化器自主化联合攻关，完成气化器传热模型设计和结构开发，在高效换热管、介质分布系统、换热管焊接技术、海水防腐涂层技术取得重大突破，成功研制LNG气化器，彻底摆脱依赖进口的局面，降低国内项目采购和维护成本。
2.1开架式气化器核心技术开发
（1）异型换热管结构设计
换热管是整个LNG气化器最主要的传热元件，也是LNG气化器中的核心部分。对于开架式气化器而言，换热管结构形式与常规换热管不同，设计上需要综合考虑传热效率、承压能力、强度、换热面积、防结冰、翅片结构、水膜均匀分布、管内流体流动等因素。因此，换热管内部结构设计分为气化段和加热段2个阶段。在气化段内，换热管内部设置有内插件和扰流子。在加热段内，换热管内部设有扰流子，作用是强化管内流体的湍流程度，提高传热系数。换热管外表面采用星型分布结构，有效增大换热面积，使海水水膜均匀流动，保证换热性能。
经过反复建模与模拟计算，成功开发性能优于常规进口ORV设备的高效异型换热管，换热管的外周设有多个直翅片，呈中心对称的波纹状凸起，换热管同一截面上的翅片高度不相同，外翅片不仅增大了换热面积并且有利于海水的分布，强化了海水侧换热。换热管的内壁在圆周方向设有多个内翅片，合理的内翅片结构参数可有效减小传热管外部结冰层的厚度。
（2）铝合金焊接工艺
ORV属于超高压压力容器，设计压力在10MPa以上，焊接工艺要求极高，包括换热管分布密集、作业空间狭小、焊接位置不规则、不锈钢与铝合金的过滤焊接等设备制造的攻关难点。铝合金换热管经挤压工艺完成制造后，需要与LNG/NG集合管进行铝合金焊接，ORV的进出口需要与工艺区不锈钢管线链接，需要考虑不同材质的过渡焊接。
通过不断研究、试验和评定，最终彻底掌握铝合金管之间的焊接工艺、铝不锈钢过渡接头爆炸焊接工艺，攻克开架式气化器的核心焊接工艺。
（3）海水防腐涂层技术
ORV运行在海洋环境中，铝合金换热管长期经受海水冲刷，如换热管表面防腐涂层设计不合理，会出现点腐蚀、换热管厚度不均、泄露等情况。换热管喷涂的厚度过薄，涂层寿命达不到设计要求；涂层厚度过厚，不仅减弱涂层附着力，也影响换热性能。通过开发的适用于开架式气化器的热喷涂技术，涂装耐海水腐蚀的Al-Zn合金涂层，耐冲刷、耐腐蚀性能好，提高涂层使用寿命。同时，通过研究涂层腐蚀原理，根据不同区域海水水质条件，实现防腐涂层的适应性配置。
2.2中间介质气化器核心技术开发
（1）传热结构设计
根据IFV原理可知，海水在水平管内的强制对流换热，水平管束外丙烷的池沸腾换热；超临界LNG在水平管内的强制对流换热，水平管束外丙烷的膜状凝结换热，NG气体横掠管束的强制对流换热。IFV的设计难点在于如何合理地布置3个管壳式换热器，一方面要满足LNG气化能力和出口温度的设计要求，另一方面要考虑LNG超临界状态下的压力和温度变化。通过数次计算选择最终合适的关联式，确定最优气化性能的结构设计。
（2）核心焊接工艺与换热管材料开发
IFV也属于超高压压力容器，设计压力根据下游管网压力情况，一般为12MPa以上，根据换热器内介质的不同合理选材，采用可靠的焊接工艺十分关键。IFV设备的使用工况是在海水条件较差的沿海地区，换热管选材上需要充分考虑含有重金属离子、高泥沙的海水。因此，IFV的选材采用大部分碳钢、部分不锈钢、换热管钛合金的组合，保证设备整体的设计合理性和经济性。
3个换热器的换热管与管板连接上采用特殊的焊接工艺方法，既保证管板与换热管连接的密封性能又可以确保抗拉托的强度，大大加强了连接的可靠性。
（3）设备监控技术优化
丙烷是IFV的中间介质，起着能量转换的作用，充装量的控制至关重要。在丙烷的液位控制上，为了准确地对丙烷的充装量进行控制，控制方式设计上采用了远程控制和就地显示相结合的监控方式，使得液位控制更加准确。
2.3自主化
LNG气化器参数自主化ORV产品参数：采用模块化设计，单台最大LNG气化量可达260t/h；单台最高设计压力16MPa；单台设计温度-170~+65℃；设备使用寿命满足30年要求；具备使用ORV海水条件的国内外区域。
自主化IFV产品参数：因运输条件限制，单台最大LNG气化量可达250t/h；单台最高设计压力25MPa；单台设计温度-170~+65℃；设备使用寿命满足30年要求；具备使用IFV海水条件的国内外区域。
3自主化实施路径
根据LNG气化器的案例，总结装备自主化技术路线如图3所示。
4自主化成果介绍
气电集团分别与航天科工、中圣集团开展IFV、ORV联合研制工作，先后完成5t/hORV中试样机、157.5t/hORV工程样机、175t/hIFV工程样机，在福建LNG、海南LNG、浙江LNG完成产品中试和工业化测试，成果成功推广至北海LNG。
ORV工程样机在海南LNG作为主气化器使用超过1200h；IFV工程样机在浙江LNG作为主气化器使用超过2400h。设备测试期间，自主化产品与进口产品均进行性能对比测试，换热效果达到国际同类产品水平。自主化IFV、ORV通过中国石油和化学工业联合会组织的科技成果鉴定，成果达到国际先进水平。
历经数年的科研攻关，LNG气化器技术从调研前期到项目落地，真正迎来科研“开花结果”、产业“乘风起航”。
5关键节点与注意事项
5.1设备制造要求
国内制造企业的选择应满足以下基本要求：相关产品制造许可、制造资质，符合ASME、API、GB等国际标准和国内强制规范要求，拥有产品设计、制造能力和工厂试验条件，具备相关产品的制造业绩。产品中试样机、工程样机的制造应配套完整的质量把控体系，全程控制设备质量，并由制造企业提供出厂合格证及相关测试证书。压力容器设备应该具有当地锅检所出具的《性能监督检验证书》，随设备文件资料符合样机使用所在地办理压力容器使用登记的要求。
5.2测试平台建造要求
测试平台建造要求严格按照工程项目标准进行建设，保证测试平台质量与测试运行期间安全。测试平台施工、设计、监理3方单位应当具备项目承揽资质。根据LNG气化器自主化过程经验，测试平台施工提前考虑拟建场地项目的一期扩建或二期预留的设计统一性，避免出现误操作。
5.3产品试验要求
研制产品的试车、运行测试应提前编制《试车（测试）大纲》、《试验应急预案》、《中试/终试测试方案》、《设备操作与维护手册》，做好材料宣传与操作培训，保证项目生产安全，专业准确地进行产品工业化应用测试。
5.4产品成型与鉴定要求
科研产品核心技术完成设计后，立即启动核心技术的专利申请，以保护自主核心知识产权，构建LNG装备技术专利池。科研产品通过工业化应用后，按照国家科技部关于《科学技术成果鉴定办法》的要求，立即向有权组织鉴定的机关或组织提出科研成果鉴定申请，确定产品结构、范围及创新性，形成整套科研成果的产权保护。
目前，本行业内的主要鉴定单位：国家工业和信息化部、中国石油和化学工业联合会、中国机械工业联合会、省科学技术厅。
6总结
自主化LNG气化器的成功研制打破国外垄断，实现大幅度降低采购成本和维护成本。据初步测算，产品实现国内配套制造后，采购价格将比进口降低30％以上，涂层维护价格降低60%以上，供货周期可控制在12个月内。同时，售后维护成本可降低50％左右，并且设备故障响应周期与设备维修消耗时间也将大幅度缩短。提高在LNG产业链上的核心设备自主化，增强国内企业在LNG气化器设备采购的主动性，彻底摆脱依赖进口的局面同时，还将带动内需，提高国内装备制造技术水平。
随着国内液化天然气业务的发展，LNG气化器自主化成果可直接用于各个LNG接收站，根据目前国内主要石油企业的LNG项目“十三五”规划及远期规划，需要配套相当数量的LNG气化器，考虑在设备价格、采购周期、故障维修、响应时间等方面显著的优势，自主化LNG气化器应用于LNG产业中具有进口设备无法比拟的优势，有望全面替代进口产品，市场前景十分广阔。（文/黄宇 陈海平 宋坤，中海石油气电集团有限责任公司）
