羅開洪 廖江南

〔成都華氣厚普機電設(shè)備股份有限公司 四川成都 611730〕

液化天然氣(LNG)沸點為-162℃，設(shè)計溫度為-196℃，是在液化工廠常壓下將天然氣冷卻到-162℃形成的，液氣態(tài)體積比為1∶600，便于輸送及儲存。需要使用壓縮天然氣時，通過設(shè)備和管道將LNG氣化轉(zhuǎn)換為常溫壓縮狀態(tài)的CNG后，能直接使用。LNG輸送管道常見的設(shè)計為06Cr19Ni10不銹鋼無縫鋼管，一般在常溫條件下安裝。根據(jù)熱脹冷縮的原理，LNG轉(zhuǎn)換為CNG在不銹鋼管道內(nèi)工作溫度為-196～40℃(如在夏季安裝)下進行，在溫差和壓力的驟變下，會產(chǎn)生較大的冷收縮量和應(yīng)力，如果設(shè)計和安裝不合理，輸送LNG的管道極易脆化，發(fā)生彎曲、變形、脆裂和拉斷等，造成天然氣泄漏。本文通過實例分析低溫高壓下管道變形的原因，并介紹幾種對彎曲變形的補償方法。

1 實例介紹

以“閬中市康美大道中國石化加油加氣一站(新建)”的項目安裝為例，站內(nèi)設(shè)施在加氣部分有1臺60 m3LNG地上臥式儲罐，1臺LNG單泵撬供2臺單槍LNG加氣機使用，1臺L-CNG柱塞泵撬(雙泵)供3臺雙槍CNG加氣機使用；在CNG部分有：1臺組合式汽化器、2臺高壓空溫式氣化器、1臺程序控制盤、1臺高壓EAG加熱器、1臺水容積為3.99 m3的儲氣瓶組，構(gòu)成了LNG/L-CNG復(fù)合式加氣站。

LNG的加注工藝流程：液化天然氣由LNG槽車運至LNG加注站，用低溫泵將LNG槽車中的液態(tài)天然氣卸入LNG儲罐中。當(dāng)有車輛前來加氣時，通過低溫泵和加氣機將LNG送入受氣車輛的車載LNG氣瓶中。

L-CNG加氣工藝流程：先將低溫(-162～-137℃)、低壓(0.3～0.7 MPa)的LNG轉(zhuǎn)變成常溫、高壓(22～25MPa)的天然氣，然后將壓縮天然氣(CNG)通過加氣機給汽車加氣。見圖1所示L-CNG工藝流程簡圖。

圖1 L-CNG工藝流程簡圖

在L-CNG工藝流程中，L-CNG柱塞泵前的LNG低溫低壓管道是進行了保溫處理的低溫低壓管道，而泵后連接到高壓空溫式氣化器的L-CNG低溫高壓管道由兩根φ25 mm×4 mm不銹鋼管道安裝完成，為直管安裝連接方式。LNG經(jīng)這兩根管道輸送到高壓氣化器后氣化轉(zhuǎn)換為CNG。見圖2箭頭所指的管道和流向，中間為EAG放散管道。

圖2 L-CNG低溫高壓管道

注：箭頭所指左為管1，右為管2。

該管道工作溫差為-162～+40℃，工作壓力為25 MPa，根據(jù)LNG的特性，遇常溫會急劇氣化，形成高壓CNG(壓力根據(jù)柱塞泵而定，一般為25 MPa)。在該站施工完成后的預(yù)冷調(diào)試階段，管道產(chǎn)生了彎曲變形。圖3為變形后的管道。彎曲變形的管道已不能[1]使用。對其在管道材質(zhì)、規(guī)格、安裝方式等各種因素進行了檢查分析。

圖3 變形的低溫高壓管道

2 原因分析

2.1 核查驗算管道材質(zhì)和規(guī)格

加氣站所用管道是06Cr19Ni10材質(zhì)的φ25 mm×4 mm不銹鋼管，材質(zhì)符合安裝標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和設(shè)計文件。對管道規(guī)格的驗算如下。

根據(jù)公式(1)驗算管道壁厚。

(1)

式中：P——設(shè)計壓力，27.5MPa；

[σ]t——設(shè)計溫度下材料的(基本)許用應(yīng)力，MPa；

D0——管外徑名義值，mm；

ts——計算厚度，mm；

Y——修正系數(shù)；取0.4[2]；

Ej——焊接接頭系數(shù)；按不銹鋼對焊方式，取0.8[3]。

注意：對于06Cr19Ni10這樣的高合金鋼，其許用應(yīng)力應(yīng)取表1中的最小值

表1 06Cr19Ni10材料的許用應(yīng)力

表中：σb——材料標(biāo)準(zhǔn)中抗拉強度下的限值，MPa；

σs——材料標(biāo)準(zhǔn)常溫屈服點，MPa；

根據(jù)查表，[σ]t取設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力137 MPa[1-2，4]

考慮壁厚附加量后的計算：

(2)

式中：t1——考慮內(nèi)壓和制造負(fù)偏差的管壁厚，mm；

a——以壁厚百分?jǐn)?shù)允許的負(fù)偏差，碳鋼取0.15，低合金鋼取0.125，不銹鋼取DN10以下0.15，以上0.2。

經(jīng)計算，外徑為φ25 mm的壁厚為3.56 mm，小于安裝管道公稱壁厚偏差允許范圍±12.5%，故該管道的使用壁厚符合要求。

2.2 管道承受壓力校核驗算

管道承受壓力載荷產(chǎn)生的應(yīng)力，屬于一次薄膜應(yīng)力。該應(yīng)力超過某一限度，將使管道變形直至破壞，管道安裝應(yīng)進行材料壓力校驗計算，如式(3)。

(3)

式中：Ps——管道承受壓力，MPa；

[σ]t——設(shè)計溫度下材料的(基本)許用

應(yīng)力，MPa；

D2——管道內(nèi)徑，mm；

t——管道壁厚，mm；

Y——修正系數(shù)；取0.4；

Ej——焊接接頭系數(shù)；按不銹鋼對焊方式，取0.8。

經(jīng)計算，該管道所能承受的壓力大于設(shè)計壓力和試驗壓力，滿足使用要求。

2.3 核查管道安裝方式及長度

該低溫高壓管道單根安裝長度為35 m，使用高壓鍛件彎頭6個，每根管道采用15個滑動支架進行固定，采用直管安裝方式，見圖4所示。

圖4 管道軸測圖

注：圖中尺寸數(shù)據(jù)的單位為mm。

由于L-CNG柱塞泵到氣化撬單根管道安裝距離偏長，根據(jù)經(jīng)驗法，在更換彎曲的管道，減少固定支架的數(shù)量，調(diào)整支架位置(考慮管道的冷收縮)后，再進行管道預(yù)冷，管道再次出現(xiàn)彎曲變形，圖5是在更換管道和調(diào)整支架后產(chǎn)生的二次彎曲變形。為此低溫高壓管道產(chǎn)生彎曲變形還需要合理設(shè)置收縮補償。

圖5 低溫高壓管道二次變形

3 補償計算

3.1 收縮補償量

案例中的LNG管道安裝完畢，調(diào)試預(yù)冷時，由于管道溫度變化較大，管道產(chǎn)生收縮應(yīng)力，導(dǎo)致管道彎曲變形，其間產(chǎn)生的冷收縮量，用式(4)計算。

ΔL=αΔtL

(4)

式中：ΔL——管道收縮長度，mm；

α——管材的線膨脹系數(shù)，mm/(mm·℃)；

Δt——管道設(shè)計溫度與安裝溫度之差，℃，-196～40℃；

L——計算管段的長度，m，例中L=35 m。

因采用06Cr19Ni10不銹鋼管，故α取14.67×10-6mm/(mm·℃)[1]，管道收縮量計算如下：

ΔL=αΔtL=14.67×10-6×(196+40)×35 000=121.2 mm

除此之外，補償量也可按不小于管道長度的0.3 %的方法進行估算。

3.2 收縮應(yīng)力

該管道兩端均為固定焊接安裝在L-CNG柱塞泵和空溫式氣化器上，工作時的溫差變化導(dǎo)致管道內(nèi)部產(chǎn)生了極大的收縮應(yīng)力，該不銹鋼管服從虎克定律，收縮應(yīng)力可按式(1)進行計算：

σ=Eε

(5)

式中：σ——單位冷收縮應(yīng)力，MPa；

ε——管段的相對變形量，ε=ΔL/L；

E——與材料有關(guān)的比例常數(shù)，不銹鋼鋼材的彈性模數(shù)為210×103MPa[1]。

由式(5)可見，管道受冷時所產(chǎn)生的收縮應(yīng)力，與管材的彈性模量、線膨脹系數(shù)、管段的長度及管道運行時溫度的變化幅度有關(guān)，將式(4)代入式(5)，則收縮應(yīng)力為：

σ=EΔL/L=EαΔt=3.08Δt

從上式可知，管道特性和溫度差Δt是決定收縮應(yīng)力的最主要的因素。利用此式很容易計算出不銹鋼管冷收縮受到限制時的收縮應(yīng)力。

在LNG管道應(yīng)力計算時，管道的抗拉強度Rm可根據(jù)GB 14976—2012《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》中表4，取520 MPa[4]。例中彎曲鋼管的單位收縮應(yīng)力為：

σ=3.08Δt=727.05MPa

由此可見，該管道彎曲時產(chǎn)生的應(yīng)力遠大于管道在設(shè)計溫度下的抗拉強度，管道受冷收縮時，產(chǎn)生了較大的收縮應(yīng)力。

因此，液化天然氣低溫管道受冷后產(chǎn)生的收縮必須得到有效補償，否則該低溫高壓管道極易產(chǎn)生彎曲變形，對管架和設(shè)備造成極大的破壞，對生產(chǎn)運營造成影響。

管道設(shè)計中可利用管道自身的彎曲或扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的變位來達到冷縮時的自然補償，當(dāng)柔性補償不能滿足要求時，可采用調(diào)整支架的型式和位置或改變管道走向來滿足要求。當(dāng)受條件限制，不能采用柔性補償時，應(yīng)根據(jù)管道設(shè)計參數(shù)和類別選用補償方式。

4 補償及安裝

4.1 補償方式選用原則

(1)管道布置上應(yīng)充分利用管道的轉(zhuǎn)角管段進行自然補償。

(2)自然補償不能滿足管道伸縮補償要求時，要選用補償器進行補償。

(3)選用補償器時，應(yīng)根據(jù)敷設(shè)條件采用維修工作量小、工作可靠和價格較低的補償器。

(4)補償器的位置應(yīng)使管道布置美觀、協(xié)調(diào)。

4.2 補償方式的選用

管道的補償方式有自然補償、波紋管補償、π形補償器補償?shù)取?/p>

(1)自然補償是根據(jù)管道具體走向而形成的自然彎曲來補償其自身的收縮量的一種補償方式，自然補償有L形直角彎補償、Z形折角彎補償。

L形直角彎補償時，彎臂軸向變形是通過另一彎臂的橫向位移加以吸收的，為保證彎臂能夠產(chǎn)生足夠的橫向位移，產(chǎn)生側(cè)向變形的彎臂不宜過短，考慮單側(cè)吸收變形時，為增加彎頭吸收長臂變形的能力，短臂長度應(yīng)取彈性臂長Le。Le根據(jù)冷收縮量ΔL和管徑來確定長度(見圖6所示)。

圖6 L形直角彎補償示意圖

Z形折角彎補償時，兩側(cè)變形管段靠補償管段進行吸收，補償管段長度取1.25～2倍的彈性臂長Le(見圖7所示)。

圖7 Z形折角彎補償示意圖

自然補償?shù)墓艿辣坶L一般不應(yīng)超過25 m ，彎曲應(yīng)力不應(yīng)超過80 MPa。這種補償方式的有效補償能力較差，對于冷收縮管道補償效果不佳，例中的變形管道受條件限制，不能采用這兩種自然補償。

(2)補償器有普通套筒補償器、無推力套筒補償器、波紋管補償器。

套管式補償器有鑄鐵制和鋼制兩種,通常用在管徑大于100 mm，且工作壓力小于1.5 MPa(鋼制)及1.2 MPa(鑄鐵制)的管路中。

波紋管補償是應(yīng)用最普遍的一種補償器，利用波紋管的伸縮來補償管道的伸縮量，常用于常溫介質(zhì)的管道，由于液化天然氣是低溫介質(zhì)，對波紋管的材質(zhì)要求很高，成本較高，更主要的是波紋管補償器不安全，補償長度有限，效果也不明顯。因其強度低,補償能力小，通常只用于工作壓力不大于0.7 MPa的氣體管道或直徑大于150 mm的低壓管道上。其結(jié)構(gòu)由波節(jié)和內(nèi)襯套筒組成，內(nèi)襯套筒一端與波壁焊接，另一端可以自由移動。

(3)π形補償，也有稱方形補償，是利用鋼管自身煨彎所具有的柔性來消除由溫差引起的管道應(yīng)力。當(dāng)管徑較大時，可用焊接彎頭制成。該種補償方式器件制造方便，補償能力大，軸向推力較小，更換方便，運行可靠，對于液化天然氣低溫管道來說是一種非常理想的消除內(nèi)應(yīng)力方式。其實，π形補償也是自然補償方式的一種，因其利用廣泛、型式多樣、經(jīng)濟實用，單獨作為一種補償器來介紹選擇，補償方式如圖8和圖9所示。圖8所示的π形補償器是采用鍛件直角彎頭焊接制作，補償管段La=(0.8～2)Le，ΔL1=ΔL2=ΔL/2，需根據(jù)冷收縮量和管徑來確定，適用直徑為100mm以下的管道，公稱直徑大于150mm的管道不建議采用π形補償方式，外徑過大只能制成皺折的π形補償器。圖9所示的π形補償器是采用冷煨彎的方式制作，其彎曲半徑R不得低于5D，補償量的確認(rèn)與圖8相同。制作形式主要有三種：Ⅰ型，La=Le；Ⅱ型，La=2Le；Ⅲ型，La=0.5Le。

圖8 π形補償器示意圖(用直角彎頭焊接)

圖9 π形補償器示意圖(煨彎)

原則上，π形補償器的制作不宜采用彎頭焊接，常用的為煨彎方式。π形方式補償時，兩側(cè)長臂管段的變形收縮量靠中間補償管道進行吸收，與其他補償器相比，作用在支架上的軸向拉力相對較小，缺點是介質(zhì)流動阻力增大。采用此補償時，一般采用冷緊的方法，來增加補償能力。

5 補償器的制作和使用

考慮到經(jīng)濟因素，案例中的彎曲變形管道采用圖9所示的π形補償器Ⅲ型的方式進行制作安裝，即把管道煨彎成π形狀的補償器。原則上不采用彎頭焊接，僅采用一根不銹鋼無縫鋼管彎制而成，彎制的各部位處于同一個平面內(nèi)，兩條補償臂的長度保持一致，水平臂長度偏差應(yīng)小于±20 mm。

制作好的補償器需進行檢驗，檢驗的內(nèi)容如彎曲部位的壁厚、彎曲半徑、補償管段等。檢驗合格后，再將補償器安裝在天然氣管道上。安裝方式有水平和垂直兩種，因接入空溫式氣化器，該管道的補償器安裝不存在氣堵現(xiàn)象，為減少水平空間，選擇垂直安裝較為合適。安裝時，補償器的管道中心線應(yīng)與燃氣管道保持在同一軸線上。如圖10所示。

圖10 π形補償器的使用

6 結(jié)語

低溫高壓管道，特別是兩個設(shè)備之間的連接管道，如果管線比較長，一定不能做成剛性連接的直管。管道的冷收縮使管道許用應(yīng)力降低，配管時應(yīng)考慮管系要有足夠的柔性，要充分利用管系的自身膨脹。當(dāng)無法自然補償時，應(yīng)設(shè)置補償器，提供膨脹環(huán)或采用膨脹節(jié)，考慮經(jīng)濟成本，應(yīng)盡量考慮π形等自然補償器。當(dāng)管線較長時，可在不同位置安裝兩個或多個同樣的補償器，使補償器的補償能力可消除低溫管道所產(chǎn)生的收縮應(yīng)力。

另外，低溫管道的奧氏體不銹鋼的線性膨脹系數(shù)比碳鋼大，不銹鋼的位移量也大，且多數(shù)不銹鋼管的壁厚小，配管設(shè)計時應(yīng)綜合考慮設(shè)置合理的管道支架。為避免產(chǎn)生剛性變形，在鋼管彎頭處不能使用固定管托，可采用滑動管托進行限位，讓管道軸向自然收縮，以保證低溫高壓管道安全可靠的運行。

[1] 唐永進.壓力管道應(yīng)力分析(第二版)[M].北京：中國石化出版社，2009:22-32，79-91,106-108.

[2] 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局,中華人民共和國建設(shè)部.GB 50316—2000工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社,2009.

[3] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB 150.1—2011 壓力容器[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2011.

[4] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB 14976—2012 流體輸送用不銹鋼無縫鋼管[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2012.