BOG压缩机用低温材料概述

◇中石化石油机械股份有限公司三机分公司 李华伟

BOG压缩机主要用于LNG储罐内的蒸发气，将其压缩冷凝回收或直接外输进管网，压缩介质温度在-160℃左右，压缩气缸及其零部件均需采用耐低温材料，文中简要论述了国内外BOG压缩机中低温材料的选用。考虑到成型和加工难度，球磨铸铁成为BOG压缩机低温材料的主要研究方向。

1 背景

天然气作为清洁能源越来越受青睐，是很多国家的首选燃料。为了便于跨洋运输，提升运送灵活性，将天然气经深冷工艺冷却到-162℃后变成液体，液化天然气简称LNG，其体积可缩小600倍，重量也是同体积水的45%左右。LNG接收站是将储罐中的进口液化天然气，通过站内装置升温气化进入管网输送给用户。或通过将液化天然气重装人槽车中，运输到液化天然气加气站[1]。

LNG在低温储罐或低温槽车内的日蒸发率约为0.3%，这部分蒸发气简称为BOG闪蒸气（Boil Off Gas），使得储罐相对空间内的压力升高[2-3]。为保证LNG接收站内储罐安全运行，BOG压缩机是维持低温LNG储罐压力稳定的关键设备，其功能主要是增压，一种工艺路线是将BOG气体进压缩机直接外输进管网，另一种是将BOG压缩后与LNG气体混合后冷凝成液体[4-6]。无论哪种工艺路线，BOG压缩机吸入的气体温度都很低（-162℃左右），对压缩机结构设计和材料均有更高的要求。低温下材料的低温性能、收缩、脆性均变化比较大，影响整个设备的可靠性。本文主要对国内BOG压缩机用耐低温材料的研究应用现状进行了论述。

2 国内BOG压缩机用低温材料的选用

国内关于制造耐-161℃的低温材料的研究较少，常用耐低温材料通常选用不锈钢，但铸造性能差，浇铸结构复杂的气缸，由于钢水流动性差、收缩大，导致铸件容易产生气孔、疏松、裂纹等缺陷；不锈钢锻件成型加工难度大，也不适用于结构复杂的压缩机。相比铸钢，球磨铸铁的铸造性能较好，成为BOG压缩机用低温材料的主要研究方向。

中石化广州工程有限公司王洪飞给出的某LNG接收站项目BOG压缩机主要部件的材质，其中与低温介质直接基础的气缸、活塞部件均采用耐蚀高镍铸铁/低温球墨铸铁，而活塞杆、阀座、阀片、阀弹簧均为不锈钢材料[7]；2K-140MG-8.7/4.5型BOG低温压缩机是杭州福斯达实业集团有限公司所用的压缩机设备，该设备使用说明书中提出气缸以及活塞采用材料牌号为YDQ-196，活塞杆材料同样为含镍材料，牌号为00CrNi13Mn5 Mo2N；沈阳远大压缩机有限公司通过试验研究，发现特定镍含量的球墨铸铁在低温下具有优良的金相组织和机械性能。以原材料成分作为重点，从球铁熔炼、球化处理、孕育等控制和制造工艺过程等展开试验攻关，完成了6种不同组分高镍低温球铁的铸造试验，经过0、-20℃、-40℃、-75℃、-121℃、-163℃、-180℃下进行低温夏比（V型缺口）试验，最终确定了高镍球铁的组成及制造工艺，应用于研制的BOG压缩机，并按照ASME PTC 9用低温氮气（-161℃）成功进行了72h低温全负荷性能试验[8-9]。成都压缩机厂选型了牌号为QTANi35Cr3奥氏体球磨铸铁作为生产BOG压缩机压缩缸的材料，参照GB/T 26648-2011《奥氏体铸铁件》中特殊用途牌号QTANi35Cr3的奥氏体铸铁化学成分表，综合考虑材料金相组织、铸造工艺、成本，进一步确定了各元素的准确范围，如下表1所示；同时确定了该材料的熔炼工艺、球化处理工艺、孕育处理工艺、浇注工艺、铸造工艺，低温-170℃下断裂伸长率以及拉伸强度均在常温下力学性能指标范围内，热膨胀系数在1左右[10]。

表1 QTANi35Cr3材料各成分含量

3 国外BOG压缩机用低温材料的选用

国外布克哈德低温气缸采用的为GGG Ni35，经过常温和低温力学性能测试，性能指标见表2，可以看出其低温冲击韧性好，热胀率低，变形小。GGG Ni35具有极低的热膨胀系数，确保热应力及变形尽量小，可以直接启动，不需预冷。活塞与活塞杆采用迷宫式密封结构，曲轴为浸入油内的双环轴封，不存在传统活塞环、填函润滑问题。日本神户钢铁研制出世界上第一台低温压缩机，迄今已有60多套低温压缩机在全球应用，采用往复式结构，顶开气阀和余隙调节，阀座和限制器采用奥氏体不锈钢，阀片和弹簧采用特殊合金钢，表面处理。日本IHI公司于1969年做出世界上第一台压缩机[11]，密封环采用填充PTFE形式，分有油润滑和无油润滑，上海和广东共有3台在使用。美国德莱赛兰BOG压缩机气缸采用奥氏体不锈钢，最多可达10个压缩机气缸。

表2 低温组件的候选材料，综合性能比较

4 BOG低温压缩机关键零部件用材料

基本上活塞材料均选用与气缸低温材料一致的材料。汇总国内各BOG压缩机关键零部件选用材料类型如表3。通过设置低温区与常温区隔离，减少低温材料的使用范围，因此低温材料主要集中气缸、气缸进排气段。9Ni钢是LNG储气罐常用材料，进排气段低温管、罐可以借鉴使用此材料[12]。

表3 BOG压缩机关键零部件材质

5 结束语

考虑到成型以及加工难度，国内BOG压缩机用气缸材料的研究主要以含镍球墨铸铁为主，也是国内BOG用低温材料主要研究方向，结构相对简单的零配件采用不锈钢材材料。国外著名BOG压缩机制造厂家布克哈德以及德莱赛兰，气缸材料分别采用铸铁以及不锈钢材料，牌号信息难以获知，零部件采用不锈钢或者合金钢。