LNG 液化調(diào)峰項目低溫工藝管道安裝技術(shù)

尉世雄 薛世昌

山西省工業(yè)設(shè)備安裝集團(tuán)有限公司 山西太原 030032

1 工程概況

LNG 液化調(diào)峰項目廠區(qū)工藝安裝工程包括原料氣預(yù)處理裝置安裝、凈化裝置安裝、液化裝置安裝、空壓制氮站安裝、壓縮單元安裝、冷劑單元安裝、導(dǎo)熱油爐安裝、汽車裝卸站安裝、火炬安裝、循環(huán)水系統(tǒng)安裝、污水處理系統(tǒng)安裝、鍋爐房安裝和全廠管廊安裝等。其工藝流程圖見圖1。

本工程的主要介質(zhì)有天然氣、冷劑、氮氣、乙烯、異戊烷、胺液、丙烷、軟化水、脫鹽水、水、燃料氣、壓縮空氣、氮氣、導(dǎo)熱油、液氮、潤滑油和烴類等。管道材質(zhì)主要有20、20G 和06Cr19Ni10 等。

該項目的LNG 低溫工藝管道材質(zhì)主要選用304不銹鋼，最高設(shè)計壓力為5.79MPa，最低設(shè)計溫度為- 196℃。由于生產(chǎn)運行溫度與安裝溫度差異非常大，LNG 低溫工藝管道運行時會產(chǎn)生很大的冷收縮量和應(yīng)力。若安裝過程中存在問題，可能會造成管道或連接設(shè)備的損壞，甚至引發(fā)天然氣泄漏或爆炸等事故。

2 LNG低溫工藝管道安裝技術(shù)

2.1 焊接

圖1 LNG液化調(diào)峰項目工藝流程圖

低溫不銹鋼工藝管道的焊接對LNG 項目而言至關(guān)重要，因管道輸送的LNG 是超低溫介質(zhì)，管道焊縫的質(zhì)量安全可靠與否，對整個LNG 項目的安全運行起著重要的作用。因此，LNG 裝置低溫工藝管道的焊接是工程的關(guān)鍵和核心環(huán)節(jié)。本項目設(shè)計的LNG 低溫工藝管道材質(zhì)選用304 不銹鋼，奧氏體不銹鋼在低溫下表現(xiàn)出很好的強(qiáng)度、延性和韌度。但是與其他不銹鋼相比，奧氏體不銹鋼具有較高的熱裂紋敏感性，在焊縫及近縫區(qū)都有產(chǎn)生熱裂紋的可能。項目在前期管道預(yù)制過程中發(fā)現(xiàn)，個別經(jīng)過探傷檢測返修的焊口在完成返修后產(chǎn)生了熱裂紋。對此情況，項目部高度重視，經(jīng)過查閱相關(guān)項目資料，以及咨詢相關(guān)專業(yè)人士，了解到奧氏體不銹鋼焊縫中的鐵素體可以減小熱裂紋傾向，是不銹鋼焊接防止熱裂紋的最主要的手段。但是，鐵素體在低溫下會發(fā)生脆性轉(zhuǎn)變，降低奧氏體不銹鋼的低溫韌性，使焊縫在低溫時的韌性惡化，對低溫下運行的管道造成極大的危害。為了滿足低溫韌性的要求，低溫工況的奧氏體不銹鋼對焊縫鐵素體含量要求更低。因此，為了有效保證奧氏體不銹鋼焊縫的低溫韌性和抗熱裂紋敏感性，應(yīng)嚴(yán)格控制好奧氏體不銹鋼焊縫中鐵素體的含量。除滿足常規(guī)的焊接要求外，低溫不銹鋼工藝管道的焊接還需要從以下幾個方面進(jìn)行控制：

（1）由于奧氏體不銹鋼焊縫熔敷金屬鐵素體是客觀存在的，焊接材料中的鐵素體含量對焊縫中的鐵素體影響非常大。因此，進(jìn)行奧氏體不銹鋼焊接時，應(yīng)選擇合適的焊接材料。需要通過焊接中心進(jìn)行工藝評定，符合設(shè)計要求后方可實施。

（2）在焊接工藝選擇時，要選擇較小的焊接熱輸入的焊接工藝?？紤]到LNG 裝置中低溫工藝管道壁厚相對較薄，根據(jù)焊接工藝評定使用鎢極氬弧焊。

（3）控制較低的焊接層間溫度。

（4）控制好焊縫中鐵素體的含量。在具體工程實踐中，當(dāng)焊縫溫度降至室溫時，可采用鐵素體測量儀對焊縫中的鐵素體含量進(jìn)行檢測。經(jīng)查閱目前國內(nèi)焊接標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)的施工標(biāo)準(zhǔn)，除規(guī)范SH3501- 2011 和GB50517- 2010 中對含鉬奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量要求小于5%外，沒有對奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量進(jìn)行明確規(guī)定。根據(jù)焊接手冊中的研究數(shù)據(jù)，當(dāng)奧氏體不銹鋼焊縫中鐵素體的含量控制在3%～12%時，其熱裂紋敏感性顯著降低。同時，鐵素體會降低奧氏體不銹鋼的低溫韌性。因此，查證關(guān)于LNG 管路的奧氏體不銹鋼管道的相關(guān)資料后，將焊縫鐵素體含量控制在3%～5%。

2.2 試壓

低溫不銹鋼工藝管道試壓涉及到LNG 介質(zhì)的管道，因介質(zhì)運行溫度非常低，LNG 管道中殘留的水分會結(jié)冰，容易造成閥門和管道的泄露和堵塞。同時，管道系統(tǒng)內(nèi)殘存的水會大大加長開車前管道系統(tǒng)的干燥時間，從而增加成本。為解決上述問題，采取了下述措施；

（1）由于本項目大部分低溫閥門采用焊接連接的方式，水壓試驗后，現(xiàn)場閥門無法與管道系統(tǒng)一起進(jìn)行徹底的除水。因此，經(jīng)與建設(shè)單位、廠家、監(jiān)理等確認(rèn)，對低溫不銹鋼閥門免除現(xiàn)場壓力試驗，閥門出廠既已完成試壓工作。另外，閥門在出廠、運輸、現(xiàn)場保管及現(xiàn)場安裝過程中，均采取了有效的防雨、防潮措施。

（2）為縮短開車前管道系統(tǒng)干燥的時間，確保管道系統(tǒng)內(nèi)閥門不進(jìn)水，通過權(quán)衡液體和氣體試壓介質(zhì)的利弊，業(yè)主和設(shè)計要求本項目的LNG 介質(zhì)管道采用氣壓試驗，試驗介質(zhì)選用干燥的壓縮空氣。由于本項目LNG 管道最高設(shè)計壓力為5.79MPa，氣體試驗壓力為6.658MPa。針對壓縮空氣試壓存在的安全風(fēng)險，本項目除按照設(shè)計文件和規(guī)范要求控制外，還從以下幾個方面進(jìn)行了重點控制：

①編制了專項的管道氣壓試驗方案，按照壓力等級劃分打壓包。

②管道系統(tǒng)內(nèi)的焊接接頭按照設(shè)計和規(guī)范要求全部檢測合格。

③試壓的臨時管道及正式管道按照試壓專項方案采取了加固措施，并由建設(shè)單位、監(jiān)理單位等各方現(xiàn)場對加固措施進(jìn)行了共同確認(rèn)。

④氣壓試驗系統(tǒng)除按照規(guī)范要求設(shè)置了泄放壓力的安全閥外，還設(shè)置了緊急排放閥。當(dāng)觀察到系統(tǒng)壓力異常，但安全閥未起跳泄壓時，可通過緊急排放閥由現(xiàn)場操作人員手動泄放壓力。另外，為了消除試驗系統(tǒng)管路中氣體的脈沖，減小管道試壓過程中的震動，還在空壓機(jī)出口管路設(shè)置了儲氣罐，以維持氣壓試驗系統(tǒng)的管網(wǎng)壓力不出現(xiàn)大的波動，確保試壓系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全。

⑤管道系統(tǒng)進(jìn)行氣壓試驗前，除按照設(shè)計文件和規(guī)范要求對相關(guān)資料、管道系統(tǒng)實物進(jìn)行確認(rèn)外，對參與氣壓試驗管道系統(tǒng)50m 范圍內(nèi)進(jìn)行了人員清場，并安排專人值守，杜絕無關(guān)人員入內(nèi)。

⑥管道進(jìn)行氣壓試驗前，需對干燥設(shè)備進(jìn)行檢查，并對試壓用的壓縮空氣進(jìn)行露點含量測量，露點含量合格后方能接入管道升壓。

⑦本項目管道氣壓試驗時正值山西運城地區(qū)的5月，在晴天時，一天之內(nèi)氣溫溫差很大。為避免由于環(huán)境溫度的變化導(dǎo)致管道系統(tǒng)內(nèi)氣體壓力的不穩(wěn)定，本項目管道氣壓試驗時還采取了如下措施：每個氣壓試驗管道系統(tǒng)除按照規(guī)范要求進(jìn)行0.2MPa 的預(yù)試驗外，還進(jìn)行了一次不超過1.6MPa 的氣壓預(yù)試驗。兩次試驗完成后，均進(jìn)行了完全的卸壓。并且隨時關(guān)注天氣情況，選擇氣溫溫差變化相對較小的陰天進(jìn)行管道氣壓試驗。

⑧管道氣體試驗卸壓點、緊急排放口、安全閥出口均選擇在空曠的區(qū)域，安全警戒范圍為50m，并拉設(shè)警戒繩和警示標(biāo)志，設(shè)置專人監(jiān)護(hù)，禁止無關(guān)人員進(jìn)入警戒區(qū)域。

2.3 系統(tǒng)保冷

由于LNG 是深冷液體，需要低溫輸送和存儲。LNG 裝置低溫管道在運行過程中，需要保持LNG 低溫，不能引入外界熱量。若外界熱量進(jìn)入，很容易造成LNG 內(nèi)天然氣汽化蒸發(fā)，進(jìn)而導(dǎo)致LNG 存儲裝置內(nèi)壓增大。因此，低溫管道系統(tǒng)保冷施工質(zhì)量的好壞，將影響裝置能耗的高低和低溫系統(tǒng)的冷量損失大小，甚至直接影響到工藝效果，導(dǎo)致工藝的失敗或影響到裝置的安全。另外，由于LNG 管道對低溫絕熱性能的嚴(yán)格要求，以及LNG 管道在預(yù)冷、試車、投產(chǎn)等階段，管道溫度劇烈變化對絕熱層收縮變形的破壞性影響，LNG 低溫管道的保冷施工質(zhì)量要求遠(yuǎn)高于一般管道的絕熱施工。要做好LNG 低溫管道的保冷施工，除滿足一般管道絕熱施工的要求外，還應(yīng)重點控制好以下幾個方面：

（1）保冷材料需提供吸水性、吸濕性、增水性檢測證明。由于所保冷的管道大部分為奧氏體不銹鋼管道，因此保冷材料中的氯離子含量應(yīng)符合規(guī)范要求。同時，還應(yīng)做好材料的防雨防潮。

（2）每一層保冷材料應(yīng)按照要求錯縫安裝，保冷塊要求切割平齊和緊密，接縫處應(yīng)按照要求涂抹接縫密封劑。密封膠、黏結(jié)劑的配比、厚度及密封程度應(yīng)滿足設(shè)計和廠家安裝文件要求。

（3）保冷管托安裝應(yīng)符合設(shè)計文件和廠家技術(shù)文件要求，嚴(yán)格控制管道與管托保冷層之間的縫隙、保冷層與保冷層之間的縫隙，管托保冷層環(huán)向和縱向的接縫應(yīng)用接縫密封劑密封，防潮層縱向搭接部分應(yīng)用防潮瑪蹄脂密封，環(huán)向搭接部分應(yīng)用防潮瑪蹄脂覆蓋和加強(qiáng)。多層保冷管托的各層接縫應(yīng)錯開。

（4）按照設(shè)計文件和規(guī)范要求設(shè)置膨脹收縮縫，最外層的膨脹收縮縫需用丁基橡膠膠帶密封。橡膠帶在做防潮層前安裝，接縫處用瑪蹄脂覆蓋。

3 社會效益

項目建成后，除可作為冬季調(diào)峰和輸氣管道事故狀態(tài)下的應(yīng)急保障氣源外，還可以為周邊天然氣管道未鋪設(shè)地區(qū)供應(yīng)天然氣及發(fā)展低碳交通。項目的技術(shù)先進(jìn)、市場前景廣闊、經(jīng)濟(jì)合理，符合我國發(fā)展節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟(jì)的基本國策，對改善城市的事故應(yīng)急能力和提高供氣的安全可靠性可起到巨大作用，具有良好的社會、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益。實踐國家低碳戰(zhàn)略，推進(jìn)山西地區(qū)的清潔機(jī)制，對保障山西省天然氣的安全平穩(wěn)供應(yīng)、提高天然氣利用、開發(fā)培育天然氣的市場具有積極作用，同時對促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)社會和諧、治污降霾等具有十分重要的意義。