LNG超低溫管道的設(shè)計(jì)

張寅秋 蔡貞玉

摘 要：LNG超低溫管道是LNG接收站內(nèi)工藝介質(zhì)流動和傳輸?shù)闹饕绞?，低溫管道的設(shè)計(jì)情況關(guān)系著整個接收站的設(shè)計(jì)質(zhì)量。LNG超低溫的特點(diǎn)對管道的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算和管道布置設(shè)計(jì)提出了較高要求。本文從低溫管道材質(zhì)選擇、管道水力學(xué)計(jì)算及絕熱設(shè)計(jì)三方面總結(jié)了LNG管道的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算方法;從管道布置和應(yīng)力分析兩方面總結(jié)了LNG管道布置設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：LNG管道;低溫材料選擇;水力學(xué)計(jì)算;管道絕熱;管道布置;應(yīng)力分析

中圖分類號：TB21 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）06-0058-02

在LNG儲運(yùn)系統(tǒng)中，從船舶裝卸載、儲存直至槽車裝卸載，各個環(huán)節(jié)的輸送過程都是由低溫管道完成。因此，在LNG儲運(yùn)系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮LNG的低溫特性，才能保證整個系統(tǒng)能夠安全、合理、長久地運(yùn)行。

1 超低溫管道的定義

國內(nèi)按工作溫度將管道進(jìn)行分類[1]，一般將介質(zhì)工作溫度低于-40℃的管道稱為低溫管道。而對于介質(zhì)工作溫度低于-100℃的管道，可稱為超低溫管道。以LNG接收站內(nèi)壓力最高的一段——高壓泵至汽化器段的管道設(shè)計(jì)為例，該段介質(zhì)工作溫度約為-169℃，屬于超低溫管道。

2 工藝設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 材質(zhì)選用

不銹鋼管道和9%鎳鋼管道具有較佳的低溫性能，在工程領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[2-5]。比較二者的性能、經(jīng)濟(jì)性和應(yīng)用成熟度：

（1）從二者的材料性能來看，9% Ni鋼的強(qiáng)度較高、線膨脹系數(shù)較低，使用該材料可以大大節(jié)省鋼材，且管道在低溫條件下收縮變形較小。而不銹鋼材料的韌性好、耐腐蝕性好、塑性和焊接性能較優(yōu)。

（2）從二者的經(jīng)濟(jì)性來看，在當(dāng)前生產(chǎn)技術(shù)水平下，9%鎳鋼的成本略高，經(jīng)濟(jì)性方面不如不銹鋼。

（3）從二者在LNG低溫管道的應(yīng)用成熟度來看，9%鎳鋼目前多用于LNG儲罐內(nèi)罐，而管道材料的選擇以不銹鋼為主。

目前，國內(nèi)LNG接收站內(nèi)LNG低溫管道所用材料多為奧氏體不銹鋼，尤以雙牌號不銹鋼（如304/304L和316/316L）較為普遍。

2.2 水力學(xué)計(jì)算

2.2.1 管徑計(jì)算

（1）合理流速。由于低溫管道材料成本高，一般在設(shè)計(jì)時(shí)盡量采用較高的流速來降低一次投資。對LNG工廠管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)，LNG最高流速為8m/s[6]。但是流速越高，壓降越大，會增加相應(yīng)泵的功率消耗和操作費(fèi)用，而且也易造成安全隱患。結(jié)合國外設(shè)計(jì)方的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定合理流速為3-6m/s。

（2）合理壓降。對于流量大于150m3/h的輸送液體的泵的排出管道，較為經(jīng)濟(jì)的百米壓降范圍是45～50kPa/100m[7]。

（3）計(jì)算方法。首先按照合理流速計(jì)算管徑d，計(jì)算公式如下：

d=18.81W0.5u-0.5ρ-0.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

然后按照每百米壓降控制值來計(jì)算管徑，計(jì)算公式如下：

d=18.61W0.38μ0.033ρ-0.207△Pf100-0.207? ? ? ? ? ? ? （2）

2.2.2 管道壓力降計(jì)算

根據(jù)所選管徑計(jì)算管網(wǎng)壓力降，計(jì)算公式如下：

△P=（100λρ/d+∑ζ）u2/2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

2.3 絕熱設(shè)計(jì)

2.3.1 絕熱材料的選擇

在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)具體工程實(shí)際情況，擇優(yōu)選用合適的絕熱材料，低溫LNG管道絕熱材料必須具有以下特性：

（1）良好的絕熱性能，即導(dǎo)熱系數(shù)低;

（2）良好的防火性能;

（3）為防止絕熱體的性能失效，應(yīng)具有較小的吸水吸濕性和較低的水蒸氣透濕系數(shù);

（4）達(dá)到一定的強(qiáng)度要求，使其能承受自重和各種外力作用而不脫落或損壞;

（5）在超低溫和常溫交變時(shí)尺寸穩(wěn)定性好，即熱膨脹系數(shù)小;

（6）由于輸送液化天然氣的管路的管材為奧氏體不銹鋼，對Cl-的含量較為敏感，絕熱材料的氯化物含量應(yīng)不大于25×10-6;

（7）良好的化學(xué)穩(wěn)定性;

（8）此外，綜合經(jīng)濟(jì)效益、現(xiàn)場切割或裁剪加工性能以及再利用程度也需考慮。

國內(nèi)早期的LNG接收站項(xiàng)目多采用聚異氰脲酸酯泡沫塑料（PIR）作為LNG低溫管道保冷材料，如浙江LNG和廣東大鵬LNG等。PIR是以聚醚多元醇、聚合異氰酸酯為主要原材料，經(jīng)觸媒作用后發(fā)生反應(yīng)生成的具有閉孔結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)絕熱材料。20世紀(jì)90年代起，國內(nèi)開始在部分工程項(xiàng)目中使用PIR泡沫塑料絕熱保冷，2007年，我國已掌握了性能指標(biāo)達(dá)到CINI 2.7要求的PIR生產(chǎn)技術(shù)[8]。

2.3.2 絕熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

LNG保冷一般采用結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉且運(yùn)行維護(hù)方便的堆積絕熱法，一般由絕熱層、防潮層和保護(hù)層等構(gòu)成。

典型的PIR保冷結(jié)構(gòu)是以PIR為保冷層，然后用玻璃纖維帶纏繞后再敷設(shè)防潮層，最后用不銹鋼板作為保護(hù)層[9-10]。

3 管道的布置與應(yīng)力分析

3.1 管道布置一般要求

（1）LNG管線應(yīng)避免袋形（可能引起氣流滯留），保證氣體流通順暢。

（2）低溫主管的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮坡度，便于排液。坡度大小由P&ID確定。