關(guān)于液化天然氣低溫管道安裝技術(shù)的研究

楊偉勝

江蘇環(huán)宇建設(shè)工程有限公司，中國·江蘇 蘇州 215699

液化天然氣；低溫管道安裝；技術(shù)研究

1 液化天然氣低溫管道的奧氏體不銹鋼焊接技術(shù)

目前，液化天然氣低溫管道的材料基本上選用奧氏體不銹鋼，普遍采用0Cr18Ni9（美國ASTM 標準中為304）、0Cr17Ni12Mo2（ 美 國ASTM 標 準 中 為316）和00Cr17Ni14Mo2（美國ASTM 標準中為316L）。因此，須對此類不銹鋼材料的焊接技術(shù)要點做出說明[1]。

首先，焊接線能量不能超過規(guī)定的范圍：因不銹鋼管道焊接的特殊性，焊道易產(chǎn)生裂紋、未熔、未焊透等缺陷；并且不銹鋼材料因其特有一些物理性能，如高的線膨脹系數(shù)（比碳鋼大約40%），并隨著溫度的升高，線膨脹系數(shù)的數(shù)值也相應地提高；低的熱導率（約為碳鋼的1/3；高的電阻率，約為碳鋼的5 倍。因這些特點，所以要特別注意焊接過程的參數(shù)，減少焊接形變，保證焊接質(zhì)量。在焊接中須對電流、電壓和焊接速度做合理調(diào)整，盡量采用“小電流，多遍焊,快速焊”，以防止焊道的線能量過大，同時保證必要的焊道層間溫度。以經(jīng)審批的焊接工藝評定為依據(jù)，嚴格執(zhí)行焊接工藝紀律。

同時，此類不銹鋼焊道就會在焊接過程中易出現(xiàn)晶間貧鉻現(xiàn)象，例如焊接、熔合區(qū)和熱影響區(qū)在經(jīng)450 ～850℃（一般稱之為敏化溫度）這一范圍時,焊道中的鉻與碳形成高鉻的Cr23C6 型碳化合物，從而導致焊道局部鉻的偏析，造成焊縫出現(xiàn)晶間腐蝕、應力腐蝕等，影響管道運營的安全。所以應采用較快的焊接速度,減少焊敷金屬在這一溫度區(qū)間的停留時間,另外在焊接的過程中，對層間的溫度也要加以重視，以減少熔焊區(qū)驟熱、急冷，減少焊接裂紋的發(fā)生。

另外，在管道焊接方法上，目前主要采用氬弧焊和藥芯焊絲手工焊接。在管道預制焊接時,因焊道的根底受氬氣保護比較充分，當然需要氬氣的純度（需要99.99%以上）和氬氣流量(一般為8-10L/min),采用氬弧焊接時底部成型比較好,容易保證焊接合格率。但在管道安裝過程中，受現(xiàn)場條件限制，采用氬氣充滿管道以對焊接根部進行保護，就會比較困難，不但氬氣消耗量很大，且保護的效果不理想。以前受材料技術(shù)的限制，采用一種速溶紙堵塞安裝焊道的兩端，以保證氬氣對焊接根部的保護，但這種方法有一個非常大的缺點是速溶紙在管道試驗后往往會堵塞在閥門、過濾器、三通等處，給后期管道運行帶來很大的安全隱患。近年來，隨著材料技術(shù)的發(fā)展，低溫液化天然氣管道安裝時，已采用藥芯焊絲鎢極惰性氣體保護進行固定口焊接，如采用藥芯焊絲（如型號為TS308L-R-Ⅱ-1），不需要再在管內(nèi)充惰性氣體保護，提高施工效率，保證工程質(zhì)量。需要注意的，這種焊接方法，在焊接過程需要擺動，能很大程度上提高熔池中金屬與母材的融合性；在擺動的同時，要注意鎢極的中心線與焊接表面工件應保持在約80 ～85°夾角，填充焊絲與焊接工件表面的夾角應也盡可能地?。ㄒ话銥?0 ～15°）左右，對提高焊接合格率有較大的幫助。

在實際的此類管道的焊接過程中，還必須嚴格遵循以下條件：

（1）環(huán)境問題：焊接的環(huán)境溫度如果小于0℃時，應對焊件進行預熱，預熱的溫度要達到相應規(guī)范的要求；并在施工中做好防風、防雨、防濕等措施，達到焊接規(guī)定的溫度、濕度和風速等環(huán)境條件要求，保證焊接質(zhì)量。

（2）焊接接頭清理：此類管道焊接之前，應對焊道兩側(cè)的母材表面和焊材表面的油污、鐵銹等進行清理，減少焊接處氣孔、夾渣等缺陷的出現(xiàn)。

（3）焊工問題：焊工的技能非常重要，這類薄壁低溫不銹鋼管道的焊接難度較大，施工中應進行技能認定，以選拔優(yōu)秀的焊工，保證焊接質(zhì)量。

2 低溫液化天然氣管道安裝過程中的吹掃、試驗和干燥工作

低溫液化天然氣管道在安裝的吹掃、強度和嚴密性試驗以及干燥工作，對整體質(zhì)量而言非常重要，所以須認真仔細。

安裝過程吹掃工作：在管道預制過程中，管道里易殘存雜質(zhì)，須在安裝過程中采用吹掃清除，否則容易堵塞各類閥門，引生安全事故。因此，我們在低溫管道安裝過程中，采用分段吹掃，分段安裝辦法；在安裝中，采用先安裝直通管（或主管），再安裝彎管和旁通管（或支管）；一些切斷閥門在最后安裝，避免閥門采到損作傷。

低溫管道的試壓一般采用兩種介質(zhì)和方法：液體試壓和氮氣試壓。在液體試壓的過程中，可快速找到漏點，試壓過程也相對安全。但是，管道采用液體試壓后，管道低點、球閥排凝處、管壁等會有一定積液，難以徹底清除殘留的液體。在管道投入運行后，有積水部位就會現(xiàn)“冰堵”，嚴重影響管道運行。所以，我們認為氮氣作為試驗的介質(zhì)是比較理想的，因為氮氣的揮發(fā)性比液體要強，在管道的內(nèi)部停留時間較短，不易發(fā)生殘留[3]；這種試驗方法不但對管道嚴密性試驗檢查效果比較好，更主要是不會留下任何液體，為后繼的干燥工作做好準備，會節(jié)約很大的一部分成本；當然在以氮氣作為介質(zhì)的管道試驗中，應充分的做好安全措施。

管道干燥：因液化天然氣管道對管道的干燥度要求很高，在投產(chǎn)前須對管道進行干燥。管道干燥的方式有干空氣和液氮兩種介質(zhì)。從經(jīng)濟效益上分析,單獨站場時宜采用液氮作為介質(zhì)干燥,液氮管與汽化器之間應用低溫的金屬軟管連接,汽化器與待干燥管道之間應采用鋼管連接,切忌將液氮出口直接連到待干燥管道上，會導到管道因冷脆而失效。在干燥管道的出口處用露點儀檢測出口處氣體的露點，合格后才能對整段管道進行封閉，并保證低溫管道內(nèi)氮氣的壓力達到微正壓（約0.005mPa ～0.01mPa）。如果單獨一個站場或接收站的管道采用熱空氣干燥對管道進行干燥，施工的成本比較高，并有一定的操作條件；最好是站內(nèi)液化低溫管道與場外的長輸管道直接連接，同時進行干燥，這時干燥成本相對比較低，整體干燥的效果也較理想。

3 保冷工作

液化天然氣管道運行溫度很低，一般以-192℃作為保冷，屬深冷絕熱施工，保冷效果的好壞對管道的運行效率和成本非常重要。

首先，我們要選擇好絕熱材料，目前主要有泡沫玻璃和聚異氰尿酸脂。早此年，類似工程以泡沫玻璃作為首選，泡沫玻璃不會燃燒，而聚異氰尿酸酯在火焰中能夠燃燒，并產(chǎn)生有毒氣體。近年來，近年又研制出阻燃聚異氰尿酸酯（俗稱PIR）材料，絕熱性能好，又屬于憎水性的材料，閉孔率高，防水功能好。阻燃聚異氰尿酸酯可根據(jù)工藝管道的實際要求和保冷層數(shù)模壓成型，制造成各類管殼；部分閥門保冷時可采用發(fā)泡用聚異氰尿酸酯現(xiàn)場澆灌的方式成型，以適應現(xiàn)場非標準的外表面設(shè)備保冷，因此阻燃聚異氰尿酸酯近年被廣泛使用。

其次，要注意保冷絕熱材料設(shè)置方式，這也直接影響管道絕熱的效果；保冷材料和管道材料線膨脹系數(shù)不同，液化天然氣管道的運行中，兩者會產(chǎn)生不同變形差，導致保溫材在管托和連接區(qū)等部位脫開，嚴重影響絕熱的效果。針對這種情況，保冷管道施工過程中應每6m 設(shè)置一道伸縮縫，并錯縫安裝，且伸縮縫的位置須設(shè)置在15°～45°范圍之內(nèi)，伸縮縫采用瀝青碼蹄脂作為填充，能有效地避免這種情況的發(fā)生。

另外，保冷管殼搭接形式對保冷效果也有較大的影響。根據(jù)我們做過幾次實驗，在同一個管道里，保冷管殼有兩種形式：z 字（搭接式）和一字型（平口式），采用這兩種形式分別對該管道進行預冷工作，我們明顯的觀察到后者有出現(xiàn)結(jié)霜的現(xiàn)象，而前者出沒有，z 字型的保冷效果更好。因此我們建議液化天然氣管道的保冷管殼優(yōu)先采用z 字形式連接，雖然管殼的模具及成型成本相對較高。

低溫管道深冷絕熱材料的選擇以結(jié)構(gòu)型的選擇對于工程安裝質(zhì)量非常重要，因此我們需要對各種因素做出合理的調(diào)整，確定最優(yōu)的方案。

4 預冷工作

液化天然氣管道保冷工作完成之后，順便補充一下，如果是LNG 站場建設(shè)，須等待子母罐的膨脹珍珠巖+氮氣絕熱和預冷工作完成后，工藝管道的預冷工作才能進行。管道預冷環(huán)節(jié)對于安裝工程質(zhì)量至關(guān)重要的，不但能在低溫的情況下測試的設(shè)備的靈敏度，也能檢查管道整體結(jié)構(gòu)的強度是否達到設(shè)計的要求。

預冷介質(zhì)的選擇，以液氮最為常用。在預冷操作中，管道溫度的降低不宜過快，溫度降溫需要遵循逐步降溫的原則，否則容易出現(xiàn)急冷的現(xiàn)象，對材料、各類支架、設(shè)備等會造成不良的影響，甚至損壞。在預冷過程中，應將閥門等用螺柱連接的部位進行緊固，具體的溫度約-70℃時作一次冷緊，在工作溫度時作第二次冷緊，冷緊需要等溫度穩(wěn)定并在卸壓后進行；同時對管道的支撐體系（包括滑動、導向和固定支架）適當?shù)恼{(diào)整，減少管道局部應力集中。

預冷可以分為兩部分：氣體預冷和液體預冷。先實行氣態(tài)預冷模式，在氣體預冷完成后，才能向液相管里灌入液態(tài)氮，實行液態(tài)制冷模式。液體預冷應分段分步推進。液化天然氣進入管道時，會出現(xiàn)香蕉效應?？梢越忉尀椋阂徊糠忠夯烊粴鈺焖贇饣序v，管道內(nèi)會發(fā)生氣液兩相天然氣的現(xiàn)象，另外管道頂部和底部的溫度也有所不同，底部的溫度低，頂部的溫度高，這種情況下造成管道上下收縮的不一致性，此為香蕉效應[5]，所以應對管道的上下部進行檢測,保證溫度差不超過50℃；重要的是控制溫度下降速率,每次降低的溫度不超過10℃[2]；在上一階段溫度穩(wěn)定，管道系統(tǒng)經(jīng)檢查沒有問題后，再下浮預冷溫度，以免因為溫度差過大造成設(shè)備、材料的損壞。

5 關(guān)于液化天然氣低溫管道的設(shè)計要求

首先管道設(shè)計的壓力應該大于在操作過程中出現(xiàn)的溫度結(jié)合工況的壓力，并且需要符合以下規(guī)定：安全泄放裝置的管道設(shè)計的壓力應該大于安全泄放裝置規(guī)定的壓力；離心泵出口管道的設(shè)計應該大于泵的關(guān)閉壓力[6]。

設(shè)計時需要考慮環(huán)境因素：應該避免隔斷管道中的流體后，因環(huán)境因素造成的熱力膨脹；減少管道表面冷凍造成的各種故障問題的發(fā)生;并且應充分考慮如何處理管道冰堵技術(shù)措施（如設(shè)置伴熱管道）。

管道材料的要求：材料應該根據(jù)設(shè)計的壓力和溫度、焊接情況等條件進行合理選擇，以達到最優(yōu)的效果；閥門主體的材質(zhì)應該選擇奧氏體不銹鋼材質(zhì)。

管道的整體布置問題：應該符合管道工藝的一般流程，不便于施工和維修；也要遵循管道需短、彎頭需少的原則，而且合理設(shè)置各類支架，消除熱應力；安全閥入口的管道管段的設(shè)置需無保冷條件等。

閥門：其中分體式閥門應禁止使用，因它不能夠減少泄漏點。另外，還需要建立閥腔泄壓的基本結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以避免在閥門關(guān)閉的情況下，天然氣氣化引起的升壓造成閥門破壞。閥門的低溫測試需要符合標準，以適應深低溫工作的要求。

6 實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新、材料先進，不斷優(yōu)化安裝技術(shù)

如今，隨著科技不斷的發(fā)展，安全理念的不斷提高，安裝工程技術(shù)人員努力學習新技術(shù)，努力創(chuàng)新；在安裝質(zhì)量方面，用新科技的手段提高安裝質(zhì)量。相關(guān)單位應培養(yǎng)技術(shù)人員的創(chuàng)新意識，定期培訓、學習、交流、輪崗，理論結(jié)合實際，在思考中工作，在工作中反思，使得液化天然氣管道安裝工程實現(xiàn)高質(zhì)量、高科技完成[4]。

7 結(jié)語

論文關(guān)于液化天然氣低溫管道安裝技術(shù)的研究問題做了一些探討，有利于使施工技術(shù)人員了液化天然氣低溫管道施工有更深的了解，并隨著社會技術(shù)的發(fā)展，科技不斷進步，不斷的提高安裝技術(shù)水平，保證工程質(zhì)量，保證施工和運輸?shù)陌踩?/p>