液化天然氣低溫管道設(shè)計(jì)問(wèn)題探討

李明明

摘 要：當(dāng)前，生態(tài)環(huán)境污染不斷加重，面對(duì)日益嚴(yán)峻的環(huán)境保護(hù)壓力，為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，世界各國(guó)都在尋求新型替代能源，不斷調(diào)整能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)。天然氣作為一種清潔能源，需求量正在不斷加大，液化天然氣站場(chǎng)的建設(shè)需要用到大量的低溫管道，準(zhǔn)確的選擇材料，合理的進(jìn)行管道設(shè)計(jì)，對(duì)于液化天然氣管道的安全運(yùn)行，節(jié)約建設(shè)成本具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：液化天然氣;低溫管道設(shè)計(jì);問(wèn)題;對(duì)策

1鋼管的低溫脆性

管道中的污水如果未及時(shí)清理，在溫度降到0℃以下后會(huì)使管道漲裂，阻礙管道內(nèi)水體的排放，因此需要提前對(duì)排污管道進(jìn)行必要的保溫處理。冬天，由于供暖需求，管道內(nèi)部會(huì)有持續(xù)的天然氣流動(dòng)，此過(guò)程所產(chǎn)生的熱量可以確保管道不會(huì)因?yàn)闇囟冗^(guò)低而發(fā)生脆性斷裂。但在特殊的情況，比如出現(xiàn)事故或必要的檢修任務(wù)，需要停止管道內(nèi)天然氣的供應(yīng)，此時(shí)溫度會(huì)迅速下降，進(jìn)而產(chǎn)生因溫度過(guò)低而使管道出現(xiàn)問(wèn)題的情況，所以設(shè)計(jì)人員需要對(duì)管道材料進(jìn)行篩選，同時(shí)與廠家協(xié)商，確保材料滿(mǎn)足必要的韌性要求，避免低溫造成的管道脆裂問(wèn)題，減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失和維修費(fèi)用。盡管如此，某些區(qū)域仍然存在溫度迅速下降的情況，當(dāng)管道材料無(wú)法滿(mǎn)足溫度驟變要求的前提下，仍然需要采取必要的保溫措施，并及時(shí)對(duì)管道溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以此確保管道使用性能的正?；?。當(dāng)采取的保溫措施仍然無(wú)法避免管道材料出現(xiàn)脆性斷裂的情況時(shí)，則需要考慮管道應(yīng)力比的概念。根據(jù)管道低溫沖擊試驗(yàn)，當(dāng)管道內(nèi)部的溫度應(yīng)力比出現(xiàn)明顯的變化時(shí)，可以通過(guò)對(duì)溫度幅度的調(diào)解，使管道免除低溫沖擊的傷害，避免脆性斷裂情況的產(chǎn)生。ASME鍋爐和壓力容器能夠正常使用也都參考了以上的壓力容器變化概念。

2LNG低溫管道設(shè)計(jì)

2.1LNG低溫管道材料選擇

在天然氣液化，LNG輸送，LNG接收站、槽車(chē)站、小型氣化站中，都會(huì)用到輸送LNG的管道。由于LNG的液化溫度為-162℃，需要在管道選材時(shí)特別注意，既要滿(mǎn)足使用要求，又要考慮材料經(jīng)濟(jì)性和易采購(gòu)程度。輸送LNG的管道要求在-162℃的低溫下，仍需要具有良好的抗腐蝕性，韌性和焊接性能，同時(shí)，線膨脹系數(shù)還要求盡量小。目前，常用于液化天然氣領(lǐng)域的材料主要有9%鎳鋼和雙證奧氏體不銹鋼。9%鎳鋼屬于低溫鎳鋼，其最低使用溫度為-196℃，能夠滿(mǎn)足儲(chǔ)存、處理及輸送LNG的要求，此種鋼板在國(guó)內(nèi)主要用于制造LNG全包容儲(chǔ)罐的內(nèi)罐罐壁。輸送液化天然氣管道常用雙證奧氏體不銹鋼（304/304L），此種材質(zhì)化學(xué)組成滿(mǎn)足304L不銹鋼的要求，而機(jī)械性能滿(mǎn)足304不銹鋼的要求，抗腐蝕性能和強(qiáng)度都能達(dá)到此類(lèi)管道的使用要求。

2.2LNG低溫管道布置要點(diǎn)

液化天然氣管道布置時(shí)，除了滿(mǎn)足管道布置的一般規(guī)定外，因其管內(nèi)介質(zhì)的特殊性，增加了一些特殊的要求。

（1）優(yōu)先選擇將管道布置在管廊或管墩上，當(dāng)受場(chǎng)地條件限制布置在管溝內(nèi)時(shí)，應(yīng)采取措施防止可燃?xì)怏w積聚，可燃液體溢流。當(dāng)在管廊架空布置時(shí)，宜布置在管廊的下層并遠(yuǎn)離熱力管道或有伴熱的管道。

（2）管道布置在滿(mǎn)足柔性分析的同時(shí)，要盡量短，并減少?gòu)濐^和袋形。在做管道布置時(shí)，優(yōu)先考慮利用管道的自然補(bǔ)償來(lái)滿(mǎn)足管道的柔性要求。常用改變管道走向、調(diào)整支吊架形式和位置方式來(lái)增加管道的自然補(bǔ)償能力。不應(yīng)采用填料函式補(bǔ)償器，以防止填料受冷收縮松弛而發(fā)生泄漏;當(dāng)布置空間受限制時(shí)，可以考慮采用金屬波紋補(bǔ)償器。

（3）LNG在氣化為天然氣的過(guò)程中可以釋放大量的冷能，這部分冷能有著廣闊的應(yīng)用前景，因此在管道設(shè)計(jì)過(guò)程中要采取防止冷能流失的措施。如在管道外包覆可靠的保冷材料，管道支架采用保冷管托，禁止在大口徑管道上焊接支架支撐鄰近小口徑管道，靜電接地耳板等伸出保冷層外的部分做保冷處理等，防止冷量傳出造成冷能的浪費(fèi)。

（4）管道應(yīng)盡量減少法蘭連接口，法蘭連接處受冷收縮后，增加了管道泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。為此，閥門(mén)多采用焊接連接，水壓試驗(yàn)預(yù)留的放空，排凝口在水壓試驗(yàn)完成后，均應(yīng)焊接管帽封堵并做保冷處理。

（5）在操作過(guò)程中，可能造成封閉的管段。如兩個(gè)閥門(mén)之間當(dāng)閥門(mén)同時(shí)關(guān)閉時(shí)，由于管道與外界的熱交換，造成LNG吸熱氣化，管內(nèi)壓力升高有可能造成管道超壓，在此類(lèi)情況下，就需要增加泄壓措施以保證管道的安全運(yùn)行，如增加安全閥。

（6）低溫閥門(mén)，法蘭的保冷多采用聚氨酯現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡技術(shù)，管道的保冷則采用泡沫玻璃或聚氨酯預(yù)制管殼結(jié)構(gòu)，由于此類(lèi)保冷材料為硬質(zhì)的定型制品。這就要求在管道設(shè)計(jì)過(guò)程中，特別注意為管道、閥門(mén)、設(shè)備等需要包覆保冷層的地方留出足夠的空間，防止在施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生保冷層安裝空間不足而難以調(diào)整的情況發(fā)生。

2.3保冷材料分析

液化天然氣在轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的過(guò)程中，可以提供大量的冷能。當(dāng)前對(duì)于此部分冷能的回收利用已經(jīng)有成熟的技術(shù)，并依托一些LNG接收站建成了冷能利用裝置。冷能利用常用于空分制造液氮、液氧，發(fā)電，廢棄物低溫破碎處理，海水淡化等，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。為了防止冷能的流失造成浪費(fèi)，保證液化天然氣管道安全運(yùn)行，需要為此類(lèi)管道選擇可靠的保冷材料。應(yīng)該優(yōu)先選擇導(dǎo)熱率小，吸濕率低，耐低溫性能好，材料易得，方便施工的綜合經(jīng)濟(jì)效益較高的保冷材料。

2.4支吊架的設(shè)置

液化天然氣管道的支吊架應(yīng)該有防止產(chǎn)生“冷橋”的措施，如果采用常規(guī)管道支吊架，將會(huì)使管道內(nèi)部冷量傳出至管道的支撐結(jié)構(gòu)上，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)韌性下降而產(chǎn)生低溫脆性，存在安全隱患?；诖朔N考慮，液化天然氣管道應(yīng)選用有可靠隔冷層的支吊架，常用的隔冷層材料為高密度聚異氰脲酸酯或聚氨酯，并根據(jù)管道口徑預(yù)制成型。低溫管托由內(nèi)向外的組成為高密度聚氨酯或聚異氰脲酸酯成型管殼，金屬保護(hù)層，鋼制管夾，并在每層隔層冷之間增加防潮層。保冷管托的選擇及安裝要求如下。

（1）液化天然氣管道多數(shù)需要進(jìn)行應(yīng)力分析，管道施工應(yīng)嚴(yán)格按照應(yīng)力分析報(bào)告進(jìn)行各種類(lèi)型保冷管托的安裝。

（2）管道多采用自然補(bǔ)償，在管道位移較大部位（如π彎附近）的管托應(yīng)將底板適度加長(zhǎng)，防止管道收縮位移時(shí)管托偏離支撐結(jié)構(gòu)甚至滑落。

（3）保冷管托隔冷層厚度應(yīng)與管道保冷層厚度相同，以保證管道保冷與管托及外保護(hù)層嚴(yán)密貼合。

4）保冷管托選用的黏結(jié)劑、密封劑和耐磨劑應(yīng)滿(mǎn)足管道設(shè)計(jì)溫度的要求，并具有較強(qiáng)的粘接力和良好的密封性能，并且不會(huì)對(duì)保冷材料和金屬壁面產(chǎn)生不利影響。

結(jié)束語(yǔ)

液化天然氣（LiquefiedNaturalGas，以下簡(jiǎn)稱(chēng)LNG）的主要成分是甲烷，還有少量的乙烷和丙烷。天然氣作為一種清潔的化石能源，在發(fā)達(dá)國(guó)家的能源消費(fèi)中，一直占有比較大的比重。我國(guó)對(duì)天然氣的開(kāi)采利用與發(fā)達(dá)國(guó)家相比雖然起步較晚，但隨著我國(guó)能源及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，天然氣在能源消費(fèi)中所占的比重正在迅速增長(zhǎng)。液化天然氣（LNG）常壓下沸點(diǎn)為-162℃，此類(lèi)管道在設(shè)計(jì)過(guò)程中從管道材料選擇，低溫閥門(mén)選用，管道保冷材料的確定，保冷管托的設(shè)計(jì)等都具有區(qū)別于常規(guī)管道設(shè)計(jì)的鮮明特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]郝文.液化天然氣儲(chǔ)配站低溫管道保冷計(jì)算[J].化工設(shè)計(jì)通訊，2019，45（02）：176+185.

[2]楊亮，劉云，劉淼兒，許佳偉，范嘉堃.LNG海底低溫管道技術(shù)研究及應(yīng)用[J].船舶與海洋工程，2018，34（04）：62-67.

[3]曹云，李軍武，高芬.液化天然氣氣化站站內(nèi)低溫管道設(shè)計(jì)淺析[J].化工管理，2018（23）：207.

[4]任振甲，齊一芳.液化天然氣接收站國(guó)產(chǎn)BOG壓縮機(jī)的管道設(shè)計(jì)[J].煉油技術(shù)與工程，2018，48（05）：37-41.