預保冷技術在LNG 低溫管道的應用及前景

王海萍 曲 超 冉慶富 崔艷紅 王 乾

（海洋石油工程股份有限公司）

天然氣是目前使用最為廣泛的清潔能源之一，近年來我國大力倡導使用天然氣，并在沿海、沿江地區(qū)大力修建液化天然氣（LNG）接收站等項目。 這促進了LNG 相關產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，同時也對LNG 相關低溫管道和設備（設施）的安全性和高效性提出了更高的要求。

LNG 低溫管道、儲罐及其他設備（設施）長期在低溫工況下運行， 管內(nèi)介質(zhì)LNG 一般呈低溫液態(tài)，外界熱能一旦侵入，就很容易使之汽化，進而使單相液流變?yōu)闅庖簝上嗔鳎瑢е戮植抗芏螇毫υ龃?，流量減小，甚至發(fā)生氣塞，嚴重影響LNG的正常輸送和安全生產(chǎn)。 因此，必須采取有效保冷措施以減少周圍環(huán)境中的熱量傳入設施內(nèi)部，防止設施外壁凝露，從而有效保護低溫設施中的冷量不散失。

在此， 筆者介紹一種新型LNG 低溫管道預保冷技術，從保冷結(jié)構、施工工藝、配套低溫支架的設計及應用范圍等方面進行介紹，并就技術安全性、施工便捷性及成本造價等方面將該管道預保冷技術與傳統(tǒng)保冷方式進行對比，最后對其進行前景展望。

1 LNG 低溫管道預保冷技術

1.1 整體施工順序及進度

傳統(tǒng)保冷施工是在管道完成安裝、 焊接、無損檢測及試驗吹掃等工作后，才開始進行的（個別項目也可以在壓力和泄漏試驗前進行保冷施工， 但焊接接頭和在試驗期間需要檢查的部位應裸露在外），整個施工環(huán)節(jié)進度靠后，工作量集中。 同時，施工地點只能是露天現(xiàn)場，施工環(huán)境與當時當?shù)氐臍夂驐l件密切相關， 保冷工作受陰雨天氣影響極大， 施工進度不確定因素大幅增加。

LNG 低溫管道預保冷是在管道材料到貨驗收合格后，即可進行保冷施工（若有防腐要求，則完成涂漆后進行保冷）， 施工地點可以在施工現(xiàn)場臨時搭建的廠房， 也可以在距離合理的情況下，將管道材料運輸至成品預保冷車間［1］。預保冷結(jié)束后即可將管道返回施工現(xiàn)場，進行后續(xù)的安裝、焊接、焊接處保冷、無損檢驗及試壓吹掃等工作。 預保冷技術可將大部分保冷工作分散前置，施工地點條件可控，可以較好地保證施工進度。

1.2 預保冷結(jié)構

一般絕熱結(jié)構由內(nèi)至外由防銹層、 絕熱層、防潮層（或稱氣阻層）、保護層、防腐層和識別層組成，其中防腐層可以兼作識別層。

LNG 低溫管道為不銹鋼材料，所以不需要涂刷防銹層，其預保冷結(jié)構如圖1 所示。 剪力鍵屬于預保冷結(jié)構的特殊結(jié)構，為了保證絕熱層具有較好的穩(wěn)定性不滑移， 剪力鍵材料選擇HD-PIR（高密度聚異氰脲酸酯）或HD-PUF（高密度聚氨酯）； 彈性針刺氈起到隔離管道和發(fā)泡PIR 或PUF 的作用。絕熱層和防潮層由發(fā)泡PIR 或PUF和鋁箔構成；保護層分為兩部分，由紫外線硬化玻璃鋼層和鍍鋁鋼板層構成；防腐層和識別層由鍍鋁鋼板兼作； 氣阻層用于管道端部的保冷保護，起到隔絕水蒸氣保證絕熱效果的作用。

圖1 LNG 低溫管道預保冷結(jié)構示意圖

1.3 施工工藝

預保冷技術施工工藝分為如下幾步：

a. 所有管道接收的交接文件檢查符合規(guī)范和設計文件后，才能將管道放置在預保冷澆注設備上。

b. 剪力鍵使用低溫膠粘貼于管道的中間位置，并以金屬綁帶臨時固定至少12 h。

c. 管道在清潔除銹完成后安裝厚度6 mm的彈性針刺氈包裹在管道表面形成隔離層，以膠帶固定并適當?shù)貕嚎s至4 mm 左右。

d. 開始第1 層PIR 的自動澆注生產(chǎn)，發(fā)泡的厚度要略高于已安裝的剪力鍵厚度，待泡發(fā)成型后將多余的PIR 剪裁至規(guī)定的單層厚度。 每層PIR 發(fā)泡時，需在管道端部留出300 mm 的區(qū)域，方便后續(xù)管道的焊接連接并避免PIR 保冷材料的破壞。

e. 剪裁成型后的PIR 單層厚度不超過50 mm， 保冷層圓度和直度控制在5 mm 的誤差范圍之內(nèi)。

f. 保冷層檢查完畢后，均應自動纏繞粘貼一層復合鋁膜作為防潮層，并保證有10%的搭接。

g. 根據(jù)保冷厚度計算總厚度， 按照步驟d～f進行第2、3 層或第4 層的澆注。

h. PIR 分層澆注生產(chǎn)時應保持兩端階梯式砌口（寬度50 mm）。

i. 將已經(jīng)完成PIR 澆注的管段搬移到玻璃鋼外護設備上。 采用FS FRM1 等級的聚酯玻璃鋼樹脂系統(tǒng)配合兩層600 g/m2的強化玻璃纖維布和一層25 g/m2的表面玻璃布， 在自動設備生產(chǎn)線上連續(xù)澆注完成玻璃鋼外護，總厚度控制在3.0 mm±0.3 mm， 并經(jīng)過紫外線照射裝置進行硬化，達到快速硬化初期強度后，搬運至紫外線后硬化機臺繼續(xù)完成玻璃鋼外護的完全固化。

j. 檢查玻璃鋼外護層的固化情況后， 在保冷層端部涂覆氣阻層至管道上至少20 mm，同時標明吊點位置。

k. 對管道端部進行保護包扎，防止污染物進入保冷層和管道內(nèi)。

2 低溫管道預保冷支架設計

保冷管道的金屬管支架不得穿透保冷層，傳統(tǒng)保冷工程的支、 吊、 托架等處采用高密度PIR或高密度PUF 作為保冷材料，配合鋼制管支架結(jié)構、緊固件等，這樣做的主要原因是普通PIR 或PUF 材料密度低、硬度小，無法滿足夾緊和承托管道的要求。 傳統(tǒng)低溫管道支架因其結(jié)構復雜和使用的保溫材料等原因，導致價格較高。

低溫管道預保冷支架結(jié)構與傳統(tǒng)支架區(qū)別較大，對于非限位的滑動或?qū)蚬苤Ъ埽蜃贤饩€硬化玻璃鋼外護層具有足夠的強度和剛度，管支架采用碳鋼管卡式結(jié)構，如圖2 所示。 即在紫外線硬化玻璃鋼外護層外直接安裝管卡，這樣既不存在漏冷的可能性， 而且管支架成本大幅降低。 對于限位型管支架，因為管支架需要承受較大的軸向載荷， 仍需要采用傳統(tǒng)管支架形式，如圖3 所示。 常規(guī)LNG 接收站項目中，非限位管支架的數(shù)量可占到總數(shù)量的70%以上，由于低溫管道預保冷支架總體成本較低，所以節(jié)省的經(jīng)濟效益極其可觀。

圖2 管道預保冷用非限位的滑動或?qū)蚬苤Ъ芎唸D

圖3 管道預保冷用限位型管支架簡圖

從使用效果來看，低溫管道預保冷用非限位管支架不影響保冷層的一體化結(jié)構，一改傳統(tǒng)低溫管支架結(jié)構不利于膨脹收縮位移、拼縫無法完全密封和開車后需要經(jīng)常維修維護的缺點，連續(xù)的保冷結(jié)構在提高保冷效果的同時降低了維護的成本。

3 應用范圍

從技術角度，低溫管道預保冷技術因為設備構造等原因，目前主要適用于長直管線的保冷工作且優(yōu)勢明顯，彎頭、三通或閥門等其余管件采用傳統(tǒng)保冷結(jié)構或其他形式。

從項目管理角度，低溫管道預保冷技術對于需要控制和縮短工期的項目以及需要考慮投資成本和節(jié)省維護成本的項目更加適用。

4 前景與展望

LNG 低溫管道預保冷技術以優(yōu)良的保冷嚴密性、工廠化預制施工的可控性及管支架結(jié)構的優(yōu)化設計等，得到了越來越多工程設計人員和業(yè)主方的認可，但是仍有需要改進的地方，管道預保冷目前在彎頭、三通等非直管段管線上的應用還不太成熟，對于LNG 接收站內(nèi)管道走向復雜的管線，還需采用多種保冷方式復合進行。