A型LNG罐完整次屏蔽密性試驗及驗收標準

王 飛，王永強，周磊磊

（招商局重工（江蘇）有限公司，江蘇南通 226116）

0 引言

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）運輸船被公認為是具有高附加值、高技術含量、高建造難度的產(chǎn)品[1-2]。LNG 是在-162 ℃低溫下運輸液化氣的專用船舶，其液貨艙由冷、熱兩層絕熱絕緣和相應的兩道主次屏蔽組成。冷、熱絕緣層起到有效的隔熱作用，以在運輸途中保持艙內貨物的溫度。由于裝載極低溫的LNG，貨艙的泄漏不僅會造成巨大的經(jīng)濟損失，還會使船舶陷入危險的境地。為確保安全，LNG 船的完整次屏蔽密性試驗是對液貨圍護系統(tǒng)制造與裝配質量的全面校核，是對整個貨艙區(qū)域的完整性做最后一道檢驗，是保障LNG 船航運安全的關鍵環(huán)節(jié)[3-4]。

本文對A型艙次屏壁粘接后系統(tǒng)孔隙度的試驗方法以及不同次數(shù)的熱循環(huán)對次屏壁氣密性的影響進行分析，并確定獨立A 型LNG 液艙次屏壁粘接后系統(tǒng)孔隙度的驗收標準。

1 密性試驗模型設計

1.1 結構設計

完整次屏壁的整體密性試驗模型需要建立冷屏壁空間和絕緣空間之間的壓力差，利用真空泵在絕緣空間內產(chǎn)生真空壓力。在真空泵關閉時，記錄真空度的衰減曲線。

衰減速率的影響因素包括溫度、測試氣體校正系數(shù)、次屏壁的面積、絕緣空間的氣體容積和測試壓力比等。次屏壁系統(tǒng)孔隙度的測試結果應符合預先確定的驗收標準。

試驗模型的設計應滿足幾何相似原則，即模型與原型在幾何尺寸上保持一定比例。為全面模擬實船的完整次屏壁密性試驗，將試驗模型設計為氣密的矩形結構。在絕緣系統(tǒng)安裝完成后，次屏壁層與模型結構間形成封閉空間，這構成了試驗的基礎條件。密性試驗模型原理圖見圖1。

圖1 密性試驗模型原理圖

試驗模型尺寸（長×寬×高）為4.0 m×2.6 m×0.4 m，模型內部鋪設絕緣板，四周用高約25 mm 的擋板圍住，擋板內圈設有保溫絕緣，頂部蓋一層保溫絕緣板封蓋，用于在試驗時對液氮蒸發(fā)氣進行保溫以保證足夠的升溫時間。為確保密性試驗的完整性，模型頂部封蓋采用鋼板焊接封死。在0.01 MPa 的壓力下測試模型的氣密性。在試驗結束后，將臨時的頂部封蓋拆除。

1.2 板式絕緣及次屏壁安裝

A 型艙絕緣系統(tǒng)包括上、下兩層預制絕緣層和1 層完整的次屏壁。將上、下絕緣層預先分割成多塊絕緣板，通過不銹鋼螺桿將各塊絕緣板固定在船體結構上。相鄰絕緣板之間通過填充低溫海綿和泡沫來吸收絕緣板的位移。在上絕緣板的表面貼有一層次屏壁，并將單獨的次屏壁粘在相鄰兩塊上絕緣板上，使其形成一個凹槽，以便次屏壁膜進行收縮和膨脹。根據(jù)相關規(guī)范設計次屏壁，使其滿足完整密封的要求。板式絕緣層及次屏蔽組成圖見圖2。

圖2 板式絕緣層及次屏蔽組成圖

根據(jù)實船安裝情況，在試驗模型上安裝板式絕緣和次屏壁，次屏壁與模型結構間形成封閉空間。為真實模擬實船絕緣安裝時存在的船體結構變形和安裝誤差，在模型內安裝絕緣時在絕緣板底部布置一個20 mm 厚的墊板，即將模型內絕緣板整體抬高20 mm，增大了次屏壁密封空間內的實際容積。

在試驗模型內安裝若干溫度傳感器，用于記錄各個位置的溫度，以及檢查次屏壁密封性驗證過程中的異常情況。溫度傳感器的安裝位置見圖3。

圖3 溫度傳感器在試驗模型中的布置

1.3 模型試驗輔助設備的配置

為真實模擬實船完整次屏壁系統(tǒng)的配置情況，需要為模型配置輔助系統(tǒng)。

1）鋼結構界面絕緣

試驗模型四周的擋板內圈安裝有隔熱塊，用于保持冷卻試驗期間鋼結構的溫度。鋼結構采用泡沫絕緣保溫板減緩模型的降溫速率，使測試模型有足夠的冷卻時間以記錄相關試驗數(shù)據(jù)。保溫絕緣封蓋使試驗模型具備了模擬實船低溫環(huán)境的條件。

2）船上LNG 儲罐的支撐結構

通常情況下，次屏壁與支撐LNG 儲罐的木頭支撐之間連接比次屏壁與次屏壁之間更加緊密。因此，通常認為儲罐的支持硬木不會增加次生屏障的孔隙度。

3）測試單元控制系統(tǒng)和設備

在進行試驗時，為保證模型內次屏壁兩側的壓力差，需要用真空泵將次屏壁與模型結構之間的空間抽成真空環(huán)境。通過法蘭將真空泵連接至試驗模型，并用截止閥切斷控制開關。

各溫度傳感器通過信號電纜將溫度信號傳遞給儀器。試驗模型附近布置有液氮瓶，氮氣管路穿過臨時的保溫絕緣蓋為次屏壁上方的空間輸送低溫氮氣，以制作低溫環(huán)境。通過源源不斷地輸送低溫氮氣，可以使氮氣冷凝為-196 ℃的液氮，以模擬船上液化天然氣泄漏的工況。

2 密性試驗工況設計

2.1 試驗方法

1）進行5 次完整的熱循環(huán)，完整的熱循環(huán)包括2 個步驟：（1）將次屏壁外部的環(huán)境溫度冷卻至-160 ℃；（2）緩慢升溫至常溫。

2）在熱循環(huán)的間隔中進行4 次完整的整體密性試驗。

本試驗的目的是以循環(huán)的方式來獲得穩(wěn)定的孔隙度。在次屏壁的孔隙度穩(wěn)定后，用液氮浸過次屏壁以驗證次屏壁孔隙度的液密性。

2.2 試驗工況

本試驗在常溫條件下計算次屏壁的孔隙度。在試驗過程中，試驗模型安裝有臨時封蓋以減少熱傳遞，進而降低試驗過程中溫度變化的速率。

通過計算次屏壁與模型結構之間的密閉絕緣空間的內部容積，估算絕緣空間的自由體積，進而計算出絕緣系統(tǒng)的體積以及絕緣空間內的自由體積。在此基礎上，采用標準化次屏壁孔隙度計算的測試氣體校正因子進行修正，測試氣體校正因子隨溫度變化情況見圖4。

圖4 測試氣體校正因子隨溫度變化

3 整體氣密試驗結果及分析

3.1 熱循環(huán)

完整的熱循環(huán)包含冷卻和升溫這2 個步驟。冷卻步驟模擬如下過程：在實船裝載貨物后，次屏壁表面溫度與LNG 的溫度相一致，通過控制液氮瓶釋放氮氣的速率使低溫氮氣均勻分布在次屏壁上，次屏壁的溫度在5～6 h 后達到-160 ℃。升溫步驟模擬如下過程：在實船卸貨后，貨艙溫度逐漸升溫到常溫水平，不增加試驗模型的強制對流，使次屏壁溫度自然升溫至-20 ℃，隨后移除保溫絕緣蓋。

3.2 次屏壁液密性驗證試驗

在進行次屏壁的液密性試驗時，通過持續(xù)輸送低溫氮氣使液氮浸沒次屏壁，浸沒液位約3.5 cm 并持續(xù)一段時間。

在液氮持續(xù)浸沒次屏壁的過程中，利用溫度傳感器和熱敏探頭對次屏壁下的溫度進行監(jiān)測以檢查任何潛在的泄漏跡象。

3.3 完整熱循環(huán)

建立完整熱循環(huán)的目的是模擬實船貨物操作時LNG 液貨艙不停進行冷卻升溫的工況，以便確定穩(wěn)定的次屏壁孔隙度。一個熱循環(huán)的定義為從常規(guī)溫度（20 ℃）降溫至-160 ℃的過程。

次屏蔽熱循環(huán)溫度曲線見圖5。

圖5 次屏蔽熱循環(huán)溫度曲線圖

3.4 整體密性試驗

3.4.1 試驗方法

在每一次熱循環(huán)前后均進行次屏壁的密性試驗，主要包括以下步驟：

1）通過真空泵使絕緣空間內達到-0.025 MPa的真空壓力。

2）當絕緣空間達到真空壓力時，使真空泵保持低流量運行狀態(tài)。

3）關閉真空泵，以及連接真空泵與絕緣空間的閥門。

4）對絕緣空間的壓力上升過程進行記錄和監(jiān)測。

在試驗過程中，次屏壁上方空間應與大氣直接相連，同時溫度應盡可能保持恒定。

3.4.2 真空衰減速率計算

記錄絕緣空間壓力從-0.025 MPa變化到-0.050 MPa所需的時間，并通過式（1）計算真空衰減率（Vacuum Decay Rate，VDR）：

式中：P1和P2分別為絕緣空間的初始壓力值和終止壓力值；t1和t2分別為壓力初始時間點和壓力終止時間點。

3.4.3 次屏壁孔隙度計算

本文通過孔隙度（Normalized Porosity，NP）來評價次屏壁的密性，計算公式為

式中：VIS為估算的絕緣空間容積；ASB為次屏蔽的面積；CG為氣體在特定溫度下絕緣空間內的活性因子。

3.4.4 試驗結果

為獲得準確的NP 數(shù)據(jù)，在每一次熱循環(huán)之后進行4 次密性試驗的操作，取試驗數(shù)據(jù)的平均值。第一次熱循環(huán)之前的密性試驗定義為TC0，第1 次熱循環(huán)到第5 次熱循環(huán)之后的密性試驗分別定義為TC1～TC5。由試驗結果可知，次屏壁的系統(tǒng)孔隙度會隨著完整熱循環(huán)的次數(shù)逐漸增大，在3 次熱循環(huán)之后，系統(tǒng)的孔隙度逐漸穩(wěn)定在一個固定值。多次熱循的環(huán)孔隙度計算值分布情況見圖6。在使用液氮來驗證次屏壁液密性之后，系統(tǒng)的孔隙度上升了約5%。

圖6 多次熱循的環(huán)孔隙度計算值分布

4 次屏壁液密性驗證結果

次屏壁液密性驗證試驗的目的是驗證穩(wěn)定孔隙度下次屏壁的液密性。次屏蔽泄漏后次屏蔽附近溫度記錄情況見圖7。試驗中次屏壁的平均冷卻速率約為50 ℃/h。

圖7 次屏蔽泄漏后次屏蔽附近溫度記錄

大約4.4 h 后，次屏壁上方被液氮淹沒。部分溫度傳感器安裝在次屏壁和模型結構之間的絕緣空間內，用于記錄絕緣空間和結構的溫度。若這些傳感器記錄到了-196 ℃即液氮的溫度，則證明次屏壁發(fā)生了泄漏事故。次屏蔽泄漏后主船體結構附近溫度記錄情況見圖8，未發(fā)現(xiàn)異常。

圖8 次屏蔽泄漏后主船體結構附近溫度記錄

在試驗過程中，次屏壁被液氮淹沒，并未檢測到此屏壁下方的結構溫度有異常，所有結構表面的溫度均在9～13 ℃范圍內被觀察到，未發(fā)現(xiàn)任何冷凝現(xiàn)象，有力證明了次屏壁的液密性。

5 結論

通過A型液化天然氣完整次屏壁密性試驗研究，可以得出如下結論：

1）次屏壁孔隙度的經(jīng)驗數(shù)據(jù)受熱循環(huán)湊數(shù)的影響較大，系統(tǒng)孔隙度與熱循環(huán)次數(shù)之間具有一定的正比函數(shù)關系。

2）次屏壁孔隙度在第1 次熱循環(huán)之后變化較大，后續(xù)變化率較小。整體的系統(tǒng)孔隙度會在第3 次熱循環(huán)之后逐漸保持穩(wěn)定.

3）由于次屏壁的系統(tǒng)孔隙度不受機械載荷的影響，對于次屏壁系統(tǒng)的驗收標準需要基于熱循環(huán)函數(shù)獲得的經(jīng)驗孔隙率數(shù)據(jù)來定義。

4）次屏壁系統(tǒng)孔隙度的驗收標準是根據(jù)本試驗中獲得的最高孔隙度數(shù)據(jù)建立的，由于次屏壁液密性試驗過程中增加的系統(tǒng)孔隙度實際并不影響液密性，可以認為根據(jù)試驗結果而建立的驗收標準是相對保守的。