LNG船舶管道保冷絕熱施工新工藝簡述

陳小毛

摘要：由于LNG船舶在-163℃儲存輸送天然氣的超低溫性，對LNG管道保冷絕熱施工提出了想當高的要求。為了規(guī)范施工流程，減少絕熱材料的浪費，提高施工效率和質(zhì)量，本文創(chuàng)新提出LNG管道保冷絕熱的施工工藝，為同類型的工程項目的保冷施工提供參考。

關(guān)鍵詞：LNG船;低溫運輸;保冷絕熱;管道施工

0 引言

天然氣作為一種清潔高效的能源，已日益受到人們的關(guān)注。1959年，世界第一艘LNG船舶“甲烷先鋒號”改裝建成并成功運送液化天然氣，揭開了LNG海上運輸?shù)钠隆NG船舶作為國際公認的高技術(shù)、高難度、高附加值的“三高”產(chǎn)品，被譽為造船業(yè)“皇冠上的明珠”，逐漸被各國視為開展海運貿(mào)易不可或缺的新型節(jié)能船舶。LNG船可在-163℃把天然氣“壓”成液態(tài)，體積縮小到六百分之一，更方便運輸。研究保冷絕熱施工新工藝，對于促進國內(nèi)LNG建設具有一定的意義。有效提高LNG船保冷效率和質(zhì)量，減少絕熱材料的浪費，從而保障LNG系統(tǒng)運行的安全性和經(jīng)濟性。

1. ?低溫保冷類型

低溫保冷的絕熱方法通常有堆積絕熱和真空絕熱兩大類。堆積絕熱是一種傳統(tǒng)絕熱方法，即在管道的外表面敷設一定厚度的多孔型絕熱材料，因孔泡中充滿常壓空氣（或其它氣體）而實現(xiàn)絕熱。真空絕熱包括高真空絕熱、真空多孔絕熱及真空多層絕熱三類，其原理是將絕熱結(jié)構(gòu)做成密閉的夾層，內(nèi)部空間抽至一定真空度，以減少熱量傳入。

在絕熱效率方面，堆積絕熱不及真空絕熱，但其結(jié)構(gòu)簡單，造價較低，運行維護方便，因此，目前國內(nèi)外LNG船管道保冷多采用堆積絕熱。

2. ?低溫保冷材料及性能

低溫保冷材料類型。目前LNG船中采用的保冷材料主要有兩種：日本、韓國等主要采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫（PUR），歐美國家多采用PIR。PIR中文名為“聚異氰脲酸脂”。PIR是由異氰酸鹽經(jīng)觸媒作用后與聚醚發(fā)生反應制成發(fā)泡材料，其耐熱性、尺寸穩(wěn)定性、難燃性及抗壓強度都優(yōu)于硬質(zhì)聚氨酯泡沫。PIR是一種理想的有機低溫隔熱材料，具有導熱系數(shù)小、輕質(zhì)防震、適應性強。PIR作為一種國際范圍內(nèi)新型的保冷絕熱材料，在LNG領(lǐng)域已經(jīng)得到普遍應用。

3. ?LNG保冷層結(jié)構(gòu)

由于LNG系統(tǒng)在運行過程中溫度交變范圍非常大，超低溫和常溫交變?nèi)菀自斐杀＠洳牧鲜湛s開裂等結(jié)構(gòu)破壞，保冷層失效。因此，設計合理的保冷層結(jié)構(gòu)非常重要。

LNG管道保冷結(jié)構(gòu)一般由防銹層、絕熱層、防潮層和保護層等構(gòu)成。對碳鋼材質(zhì)的管道，需要清除其表面的鐵銹、油脂及污垢后，刷防銹底漆。絕熱層由保冷材料構(gòu)成，是保冷結(jié)構(gòu)的主體。防潮層的作用是防止大氣中的水蒸氣滲透到絕熱層中，否則會急劇增大保冷材料的導熱系數(shù)，使保冷層失效。保護層一般采用鍍鋅鐵皮或不銹鋼，主要保護保冷材料受外力損傷及大氣環(huán)境的影響，同時還起到美觀作用。管道保冷絕熱結(jié)構(gòu)圖及管道保冷絕熱原理示意圖如圖1所示。

4. ?保冷層的絕熱厚度

根據(jù)《工業(yè)設備及管道絕熱工程設計規(guī)范》（GB60164-1997），保冷層的厚度有以下三種計算方法。（1）保冷層經(jīng)濟厚度計算方法。（2）防止表面凝露的保冷厚度計算方法。（3）控制最大允許冷損失量的保冷厚度計算方法。推薦控制熱損失量的計算方法是確定保冷層厚度的最佳計算方法。計算公式如下：

D1是保冷層外徑，m;D0是管道外徑，m;λ是保冷材料在平均溫度下的導熱系數(shù)，W/（m·℃）;Ta是環(huán)境溫度，℃，取運行期間的平均氣溫;T0是管道外表面溫度，℃，取介質(zhì)的最低操作溫度-163℃;αs是絕熱層外表面向周圍環(huán)境的放熱系數(shù)，W/ ?（m2·℃）;Q是以每平方米保冷層外表面積為單位的最大允許冷損失量，W/ m2。在LNG保冷管路中，一般要求保冷層的熱流密度小于25 W/ m2。

保冷絕熱的各種管徑和絕熱厚度如表1所示。

5. ?保冷絕熱施工主要內(nèi)容

1、將PIR半管殼包覆在管道外面。使用兩種成分的混合粘合劑，從縱向和圓周向進行PIR管殼的粘合。

2、防潮層施工。安裝層壓鋁箔，用鋁制自粘膠帶密封鋁箔的接縫部分，確保PIR管殼外側(cè)形成一層完整緊密的水汽阻隔層。

3、間隔裝置施工。安裝間隔箔，使用細絲增強膠帶固定間隔箔。

4、不銹鋼保護層安裝。用密封膠帶密封不銹鋼保護層搭接縫，用4.2×9.5不銹鋼自攻螺釘固定不銹鋼保護層。

5、最終檢查。

6. 保冷絕熱施工方法

6.1 注意事項

1、項目管理、質(zhì)量控制及船廠、氣體運輸船的安全保障工作，應該由擁有三年以上相同的或類似項目經(jīng)驗的資質(zhì)企業(yè)來執(zhí)行。

2、在預制和安裝過程中最大限度地減少材料浪費。

3、盡量避免絕熱部件和外表面金屬板之間的任何熱橋或冷橋。

4、應加強施工管理與檢驗。

6.2 施工前準備工作

檢查和清潔管道外表面。清除管道表面的污垢、灰塵、油、油脂、霜、水分和焊渣。管道表面涂層和防腐蝕保護層應完全干燥。

6.3 PIR管殼的選擇

預制成半管殼形的PIR表面覆有廠家提供的鋁箔。絕熱應當按照有關(guān)部件（如管子和管件）的管外徑和所要求的絕熱層厚度來執(zhí)行，具體見表1;PIR半管殼的長度應根據(jù)現(xiàn)場實際情況相應調(diào)整。

6.4 粘合劑PL240/200S的使用說明

粘合劑PL240/200S的重量混合比例為5：1，5份Kestopur PL 240樹脂配合1份200/S固化劑。添加固化劑后最長有效工作時間是30分鐘（在20℃時）。

為了最大限度地減少浪費，粘合劑應適量取用、充分混合，并在固化和變硬之前完全用完。粘合劑完全固化需要24小時（在20℃時）。

6.5 絕熱層預制成形PIR半管殼的安裝

在PIR半管殼縱向和圓周向接縫的一側(cè)，用5×5mm的齒形刮刀均勻涂抹一層粘合劑。將PIR管殼緊緊地敷設到管子上，用臨時綁扎帶固定，允許粘合劑部分固化。在PIR保冷管殼的敷設中，為了減少拼縫空隙產(chǎn)生熱對流現(xiàn)象，縱向拼縫應錯縫，其間距應不小于50mm。

6.6 防潮層鋁箔的安裝

PIR管殼外側(cè)覆有層壓鋁箔，使用鋁制自粘膠帶粘合鋁箔縱向和圓周向接縫處。檢查鋁箔完整性，任何破損和沖壓孔都要用鋁制膠帶進行密封修補。確保PIR管殼外側(cè)形成一層完整緊密的水汽阻隔層。

6.7 間隔箔的安裝和固定

絕熱層粘合劑干固后即可安裝間隔箔。間隔箔作為間隔物/襯墊，用于防止鋁箔被螺釘損壞。間隔箔安裝時緊貼絕熱層，用細絲增強膠帶固定。直管上每間距250～500mm用膠帶固定一圈。

對于管件（彎頭、異徑和三通）間隔箔應切割成不小于60mm寬的小塊。用在絕熱管件上小塊的數(shù)量取決于管件的尺寸。每個管件至少要3塊。小塊用細絲增強膠帶等距固定在絕熱管件上。

6.8 不銹鋼保護層的預制

不銹鋼類型是1.4301，不銹鋼保護層厚度0.5mm。

絕熱管道不銹鋼保護層應按照所需對象的周長來預制。保冷絕熱周長=3.14×（管外徑+絕熱層厚度×2+間隔厚度×2）+搭接長度。例如：管子外徑是114mm，絕熱厚度是80mm，中間層間隔墊板大約9mm，搭接長度50mm，不銹鋼板的總周長為：3.14×（114+80×2+9×2）+50 mm= 967mm。

在不銹鋼保護層上每間隔100～150mm，鉆直徑3mm的孔。按照周長長度準確切割不銹鋼板，再將切割下的不銹鋼板卷成圓形，縱向和圓周向邊緣一側(cè)要滾邊。注意，管道上絕熱層和不銹鋼保護層應與相鄰的絕熱管支撐在水平上保持一致。

6.9 不銹鋼保護層的安裝和固定

不銹鋼保護層，安裝時緊貼間隔箔板。不銹鋼保護層縱向和圓周向接縫的搭接長度為50mm，然后用密封膠帶來密封所有的搭接縫，最后用4.2×9.5不銹鋼自攻螺釘固定。

不銹鋼保護層搭接縫應遵循“高搭低”的原則，以防止雨水等液滴滲入保冷結(jié)構(gòu)。對于有坡度要求的水平管道，還應視管道的坡向。水平管道的縱向接縫應布置水平中心線下方一定角度內(nèi)以便于排水，例如按照管道圓周方向135°或215°進行搭接。

外保護層在接管、支架等處，其開口應盡量開得合適，達到緊密配合。外保護層不得有松脫、翻邊、豁口、翹縫和明顯的凹坑，圓周向接縫應與管軸線垂直，縱向接縫應與管道軸線保持平行。

在不銹鋼保護層的縱向搭接縫處，用鍍鋅螺釘進行定位，每間隔150mm進行預鉆孔。然后用不銹鋼帶墊圈自攻螺釘進行固定。螺釘?shù)南牧堪疵棵?至8個來計算（注：圓周向滾邊一般是不需要螺釘，直徑較大時可慮用2個螺釘）。

所有鍍鋅螺釘僅用于臨時使用，每個螺釘使用大約4至5次之后，將被處理掉。

6.10 彎頭的制作和安裝

帶層壓鋁箔的PIR也用作彎頭。通過切割直管殼塊來預制，用粘合劑把它們固定在一起形成彎頭形狀。彎頭的整個表面要用鋁膠帶密封，特別是PIR塊的接縫處。采用上所述管道絕熱方式來安裝彎頭。

6.11 終止端的安裝

研究項目的法蘭和閥門不需要包覆絕熱，所有直管終止端應該用水汽阻隔層或低溫粘合劑完全覆蓋。所有的絕熱終止端（包括法蘭和閥門的終止端）涂上粘合劑后，用金屬圓擋板保護。圓擋板的搭接處用密封膠完全密封。

管道保冷絕熱包覆后的實物圖如圖3所示

7. 施工管理與檢驗

保冷層的施工質(zhì)量對保冷效果的影響非常大，因此在施工過程中應加強質(zhì)量管理和檢驗，在施工過程中應消除隱患（如填充不均、接縫不嚴、固定松散等缺陷），確保保冷結(jié)構(gòu)效果和壽命。除了上述主要要求外，還應注意一些輔助性的控制點。

（1）所有的保冷施工應在干燥的天氣環(huán)境下進行。

（2）在進行保冷安裝之前應除去管道外表面的雜質(zhì)，如泥土、油脂和污垢，在需要涂漆處應等油漆干了再進行保冷施工。

（3）保冷材料在運輸、儲存、現(xiàn)場施工的過程中應保持干燥。

（4）在雨水可能進入保冷層的地方應用密封膠密封。

（5）每天施工結(jié)束時要對在現(xiàn)場安裝的所有保冷層覆蓋防潮層，如果尚未完成，應采取臨時防潮、防雨措施。

（6）室外保冷結(jié)構(gòu)不應在雨雪天施工，否則應采取防雨、防雪措施。

（7）保冷施工必須嚴格按照規(guī)定驗收，投用時應進行保冷效果的測試與評價。

8. 結(jié)束語

本施工工藝闡述了LNG管道保冷絕熱包覆的施工內(nèi)容、施工方法和注意事項等?？捎糜谑┕すと撕图夹g(shù)人員的學習參考，也可用于LNG管道保冷絕熱包覆的施工指導。按此工藝施工，可以減少絕熱材料的浪費，減少因不合格而引起的返工，提高施工效率和質(zhì)量。達到縮短項目建造周期、降低建造成本的目標，從而為企業(yè)創(chuàng)造更多效益。

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作者簡介：陳小毛（1984-），男，工程師，學士，從事船舶與海洋工程設計與制造工作。