雙壁管在液化天然氣供給系統(tǒng)中的應用

林其瀚

（廈門船舶重工股份有限公司，福建廈門 361026）

0 引言

在全球節(jié)能減排的背景下，價格實惠且儲量豐富的液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG），因其綠色、環(huán)保、高效的優(yōu)勢，越來越受到船東的青睞。甲烷作為 LNG的主要成分，是一種高效清潔的優(yōu)質燃料，燃用 LNG可有效降低氮氧化物的排放。近年來，越來越多的船舶開始將LNG作為燃料，作為動力系統(tǒng)的重要組成部分，對船舶 LNG供給系統(tǒng)的研究尤為重要。

LNG的常壓沸點為-162.15 ℃，爆炸極限為5%～15%，LNG氣化后，體積會膨脹600倍。考慮到上述特點，LNG供給系統(tǒng)有別于常規(guī)燃料系統(tǒng)，在設備配置和管系選型等方面有更高的要求。本文基于7 500車雙燃料汽車滾裝船，對液化天然氣供給系統(tǒng)的基本原理進行闡述，并對雙壁管材料選型、設計與檢驗、制作與安裝要求進行分析，為船舶LNG供給系統(tǒng)的設計提供一定參考。

1 船舶概況

本文研究的7 500車雙燃料汽車滾裝船是目前處于運營狀態(tài)的全球最大的雙燃料汽車滾裝船，可裝載大卡車、翻斗拖車和公路拖車等重型工程車輛，契合船型大型化的發(fā)展趨勢。該船的雙燃料主機可滿足Tier Ⅲ排放要求，綜合技術水平跨入國際先進水平行列。

2 LNG供給系統(tǒng)

2.1 設備配置

7 500車雙燃料汽車滾裝船配備1臺30 MPa高壓雙燃料主機，型號：MAN B&W S60ME-C10.5 GI，該主機配備有由電控液壓驅動的燃油閥、燃氣閥和排氣閥。由于該主機的廢氣可實現(xiàn)再循環(huán)，故在任何燃油模式下無須經(jīng)廢氣再處理就可直接滿足國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）的Tier Ⅲ排放要求。

除30 MPa高壓雙燃料主機外，7 500車雙燃料汽車滾裝船還配備有如下設備：1）3臺低壓雙燃料中速發(fā)電機，在燃氣模式下滿足Tier Ⅲ排放要求，為使燃油模式同樣滿足要求，事先為選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）轉化器預留安裝空間；2）1臺低壓雙燃料鍋爐，適用于重油、柴油和天然氣，該鍋爐可燃燒任何甲烷含量的燃氣，也可處理任何情況下的多余蒸發(fā)燃氣；3）2個容積為1 800 m的C型LNG儲罐。

2.2 供給系統(tǒng)

LNG供給系統(tǒng)由LNG加注單元、LNG儲罐、供氣處理單元（Fuel Gas Supply System，F(xiàn)GSS）、燃氣高壓泵及燃氣閥組單元（Gas Valve Train，GVT）等部分組成，為便于后期安裝，均采用模塊化設計。各艙室的設備布置情況如下所示：

1）LNG罐艙布置有C型LNG儲罐。

2）供氣設備間布置有FGSS、主機GVT和發(fā)電機GVT。

3）機艙布置有主機、發(fā)電機、鍋爐以及鍋爐GVT。

4）供氣設備間與機艙之間設置隔離空艙。

LNG供給系統(tǒng)示意圖見圖1，加注站將 LNG注入 LNG儲罐，管道采用單壁管，并包覆保冷絕緣。儲罐中的 LNG經(jīng)過儲罐連接站（Tank Connection Space，TCS）向FGSS輸送，再經(jīng)由GVT調節(jié)流量后向燃氣用戶供氣，位于隔離空艙及機艙區(qū)域的燃氣管路需采用雙壁管。值得注意的是，用于主機的高壓燃氣需經(jīng)燃氣高壓泵增壓后使用。

圖1 LNG供給系統(tǒng)示意

3 LNG雙壁管設計

LNG供給管系主要依據(jù)-（IGF Code）和船級社相關規(guī)范進行設計。為避免因管路缺陷造成的泄漏危險，機器處所在任何情況下均要處于氣體安全狀態(tài)，故需對機器處所的燃氣管路施加保護措施。在本項目中，采用雙壁管作為LNG輸送管路以增加安全性。

雙壁管采用大管套小管的形式，內管為 LNG管路，危險區(qū)域等級定義為ZONE 0。外管與內管間的空腔可用于通風或填充氮氣，危險區(qū)域等級定義為ZONE 1。外管與內管之間通過滑動式彈性支撐和焊接式固定支撐進行固定，彈性支撐橫向與豎向交錯布置，使各方向受力平衡、變形均勻分布。根據(jù)應力計算的結果確定固定支撐的位置，將內管與外管通過套管和固定板進行焊接，限制相對位移。雙壁管彈性支撐和固定支撐布置示意圖見圖 2，彈性支撐和固定支撐截面圖見圖3。

圖2 雙壁管彈性支撐和固定支撐布置示意

圖3 彈性支撐和固定支撐截面圖

3.1 雙壁管的選型

若設備廠家對雙壁管有明確的要求和推薦的型號，則參照其要求和推薦進行選型；若設備廠家沒有給出要求和推薦信息，則需遵循以下原則對雙壁管進行選型。

3.1.1 管徑

1）內管

在對內管管徑進行選擇時，需要考慮供氣量多少，并對用氣設備滿負荷運行的工況進行核算。合適的管徑可在提供穩(wěn)定流量的同時有效降低壓力損失。

2）外管

在對外管管徑進行選擇時，主要考慮彈性支撐安裝空間和變形量的需求。若外管管徑太大，不僅浪費材料還不利于船舶重量的控制；若外管管徑太小，則不利于彈性支撐的安裝和吸收變形。此外，還需考慮雙壁管空腔的通風需求。

3.1.2 材質

在對雙壁管材質進行選擇時，需選擇耐腐蝕、耐高壓的材料，還需考慮焊接要求，盡量與廠家接口相匹配。通常情況下，低壓管可選用304不銹鋼或316不銹鋼，高壓管可選用雙相不銹鋼或超級雙相不銹鋼。

3.1.3 壁厚

根據(jù)IGF Code相關要求，壁厚計算公式為

式中：為負公差與公稱壁厚之比；為彎曲余量；為腐蝕余量；為實際壁厚；為理論壁厚，計算公式為

式中：為設計壓力；為管子外徑；為許用應力；為焊接有效系數(shù)，對于無縫管=1。

3.2 雙壁管的布置

一般情況下，在對雙壁管進行布置時，需考慮先確定走向，再確定外管支架，最后確定內管支架。盡量減少雙壁管與其余管路或舾裝件之間的布置空間協(xié)調。雙壁管的合理布置可提高安全性，在船舶生產設計時需滿足如下5點要求。

3.2.1 規(guī)范要求

根據(jù)IGF Code相關要求，燃氣管和透氣管需距離舷側外板800 mm以上，燃氣管不應直接穿過居住區(qū)、服務區(qū)、電氣設備間和控制站等處所。

3.2.2 膨脹要求

考慮到消除應力的需求，直管長度一般不得超過10 m，確需超過10 m的管道應設置膨脹彎。在水密艙壁、防火艙壁和甲板外的其他處所，應盡可能少設置通艙管件，以設置自由孔貫穿為宜。外管支架的設計應充分考慮管路膨脹方向和大小，組合使用滑動支架和固定支架。

3.2.3 裝配要求

雙壁管在裝配時采用定型彎頭而非機械彎管的形式。一般情況下，內管彎頭的彎曲直徑為 1.5，外管彎頭的彎曲直徑為。當內管和外管的管徑差異較大時，內管彎頭應選擇曲率直徑更大的彎頭。本船的雙壁管彎頭選型共有3種方案（見圖4），為避免內、外管彎頭變形時相碰撞，選擇內、外管彎頭間距最大的方案3。

圖4 雙壁管彎頭選型方案

3.2.4 焊接要求

根據(jù)IGF Code相關要求，LNG管路均采用對接焊。為便于安裝，LNG雙壁管一般布置在所有管路和電纜的最外層，對接焊縫的數(shù)量應控制在最少。

3.2.5 檢驗要求

雙壁管的安裝精度要求較高，為了檢查外管焊接質量及內管彈性支架安裝位置的準確性，在外管合適位置設置檢查孔，用于插入內窺鏡檢查，內管及外管的對接焊縫需做無損探傷并預留拍片空間。

4 LNG雙壁管布置合理性檢驗

LNG雙壁管支架布置及管路走向關乎船舶安全，對于雙壁管的設計要充分驗證，確保萬無一失。

4.1 雙壁管應力分析

根據(jù)IGF Code相關要求，對于內部流體溫度低于-110 ℃或壓力高于1 MPa的管道，應保證在環(huán)境溫度變化、船體變形和流體溫度變化的影響下不出現(xiàn)過大的應力或疲勞損傷，這需要通過應力分析進行驗證。本船依據(jù)ASME B31.3-2016的要求，基于CAESARⅡ軟件進行應力分析，分析過程主要考慮以下3點因素：

1）各工況下船體變形量和加速度，這是雙壁管應力分析的基礎。

2）雙壁管1階固有頻率應大于主機推進系統(tǒng)運行時的激振頻率，通常設置20%安全裕度，以免發(fā)生共振，激振頻率計算公式為

式中：為激振頻率；為主機轉速；為主機缸數(shù)或螺旋槳的槳葉數(shù)；為主機或螺旋槳的固有頻率。

3）彈性支撐的徑向變形量不得超過廠家推薦值，彈性支撐的徑向變形示意圖見圖5，計算公式為

圖5 彈性支撐徑向變形示意

式中：為彈性支撐的徑向變形量；為外管豎向位移；為外管橫向位移；為內管豎向位移；為內管橫向位移。

若局部應力超出許可值，則需消除應力。消除應力以調整支架位置、形式及數(shù)量為首選方案，盡量避免大幅調整管道走向。

4.2 壓降計算

需根據(jù)管道的實際布置，對內管進行 LNG供給壓降計算，以核查供氣壓力是否滿足設備的使用需求。壓降計算除考慮管路本身產生的壓損外，還要考慮沿程設備、閥件和附件所產生的壓降。

4.3 雙壁管通風風阻計算

雙壁管的內管用于燃氣輸送，而外管起到隔離保護的作用。利用風機不間斷抽風在內管和外管之間形成負壓，可將泄漏的燃氣及時抽出并排放到安全區(qū)域，以控制火災及爆炸風險。

根據(jù)IGF Code相關要求，外管與內管之間的空腔需進行機械通風，換風頻率不低于30次/時。為達到良好的通風效果，應進行風阻計算。風阻是由空氣的黏滯性以及空氣和管壁間的摩擦產生的，與管道的直徑、長度、管壁摩擦阻力系數(shù)、風速和流體密度等因素息息相關。計算風阻值并據(jù)此選擇合適的風機容量及靜壓值。在風機選型時要預留合理裕度：若風機容量太大，則換風過快，噪聲較大，會導致可燃氣體探頭失效；若風機容量太小，則換風不足，無法滿足基本要求。

當內管和外管之間填充有氮氣時，不需要通風，但雙壁管腔體內的氮氣壓力應大于內管壓力。此外，應設置壓力開關，在內管發(fā)生泄漏或外管損壞時，可實現(xiàn)報警并停機保護。

在對LNG雙壁管的設計進行驗證時，要綜合考慮應力分析、壓降計算和風阻計算，流程圖見圖6。

圖6 LNG雙壁管設計驗證流程圖

5 LNG雙壁管的制作和安裝

5.1 制作

LNG雙壁管的制作應滿足以下5點要求：

1）雙壁管應選用不銹鋼材質，不銹鋼管加工過程應具備獨立的車間，不可與鋼管共用加工車間。此外，切割片和鋼絲刷等輔助工具也要采用不銹鋼材質，以免鐵屑依附在不銹鋼管表面造成腐蝕。

2）雙壁管采用對接焊，需具備船級社認可的焊接工藝規(guī)程。

3）焊接人員要持有船級社頒發(fā)的資質認證，要對施工人員、焊接時間和焊縫信息做詳盡的記錄，確?？勺匪菪?。

4）雙壁管制作完成后，需進行強度試驗。對于低壓管路，可采用特殊工裝將管段連接試壓；對于高壓管路，采用焊接盲板的方式將端口封死，再進行試壓。

5）需做好雙壁管的清潔和干燥工作，密封管道的端口，利用帆布等材料包裹管道的外表面。

5.2 安裝

1）對中要求

雙壁管的對中安裝精度要求極高，若安裝精度不符合要求，內管無法得到很好的支撐，易造成管路損傷。

2）安裝順序

雙壁管需按同一個方向進行順序安裝，在內管安裝完成且無損探傷及試壓檢驗合格后再安裝外管。

3）外管支撐

一般情況下，雙壁管的外管支撐在機艙所有分段搭載完成后一次性安裝到位，這種方式可有效避免因分段制作及合龍誤差導致的定位偏差。

4）內管支撐

雙壁管內管支撐在車間安裝，管路整體安裝后，通過內窺鏡檢查內管支撐安裝位置是否發(fā)生變化、是否產生明顯變形。

6 LNG雙壁管的驗收

1）無損探傷

雙壁管的內管和外管均為全焊透對接焊，對接焊縫需要無損探傷。

2）串洗

為了清除固體顆粒物以及附著在管壁的污漬，需對雙壁管內管進行串洗。使用清潔淡水對內管進行串洗，結束后用氮氣吹干。

3）試壓

內管需要在車間完成壓力試驗，實船安裝后需進行密性試驗；外管在安裝后需進行密性試驗。壓力試驗的介質為蒸餾水。試驗結束后，需對整個管路進行通風，要確保所有的水分能夠從管道中吹出。

7 結論

本文以 7 500車雙燃料汽車滾裝船為例，對LNG供給系統(tǒng)雙壁管的設計、檢驗、制作、安裝和驗收方法進行了介紹和分析。實船試驗證明了雙壁管應用于液化天然氣供給系統(tǒng)的可靠性。值得注意的是，由于不同設備供貨商、船東和船級社對應力計算和無損探傷等的要求不盡相同，應根據(jù)實際需求進行相應調整。本文的研究成果可為船舶液化天然氣供給系統(tǒng)的設計提供一定參考。