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        LNG超低溫管道的設計

        2019-05-08 03:16:58張寅秋蔡貞玉
        中國科技縱橫 2019年6期
        關(guān)鍵詞:應力分析

        張寅秋 蔡貞玉

        摘 要:LNG超低溫管道是LNG接收站內(nèi)工藝介質(zhì)流動和傳輸?shù)闹饕绞剑蜏毓艿赖脑O計情況關(guān)系著整個接收站的設計質(zhì)量。LNG超低溫的特點對管道的工藝設計計算和管道布置設計提出了較高要求。本文從低溫管道材質(zhì)選擇、管道水力學計算及絕熱設計三方面總結(jié)了LNG管道的工藝設計計算方法;從管道布置和應力分析兩方面總結(jié)了LNG管道布置設計方法。

        關(guān)鍵詞:LNG管道;低溫材料選擇;水力學計算;管道絕熱;管道布置;應力分析

        中圖分類號:TB21 文獻標識碼:A 文章編號:1671-2064(2019)06-0058-02

        在LNG儲運系統(tǒng)中,從船舶裝卸載、儲存直至槽車裝卸載,各個環(huán)節(jié)的輸送過程都是由低溫管道完成。因此,在LNG儲運系統(tǒng)工藝設計時必須充分考慮LNG的低溫特性,才能保證整個系統(tǒng)能夠安全、合理、長久地運行。

        1 超低溫管道的定義

        國內(nèi)按工作溫度將管道進行分類[1],一般將介質(zhì)工作溫度低于-40℃的管道稱為低溫管道。而對于介質(zhì)工作溫度低于-100℃的管道,可稱為超低溫管道。以LNG接收站內(nèi)壓力最高的一段——高壓泵至汽化器段的管道設計為例,該段介質(zhì)工作溫度約為-169℃,屬于超低溫管道。

        2 工藝設計計算

        2.1 材質(zhì)選用

        不銹鋼管道和9%鎳鋼管道具有較佳的低溫性能,在工程領(lǐng)域獲得了廣泛應用[2-5]。比較二者的性能、經(jīng)濟性和應用成熟度:

        (1)從二者的材料性能來看,9% Ni鋼的強度較高、線膨脹系數(shù)較低,使用該材料可以大大節(jié)省鋼材,且管道在低溫條件下收縮變形較小。而不銹鋼材料的韌性好、耐腐蝕性好、塑性和焊接性能較優(yōu)。

        (2)從二者的經(jīng)濟性來看,在當前生產(chǎn)技術(shù)水平下,9%鎳鋼的成本略高,經(jīng)濟性方面不如不銹鋼。

        (3)從二者在LNG低溫管道的應用成熟度來看,9%鎳鋼目前多用于LNG儲罐內(nèi)罐,而管道材料的選擇以不銹鋼為主。

        目前,國內(nèi)LNG接收站內(nèi)LNG低溫管道所用材料多為奧氏體不銹鋼,尤以雙牌號不銹鋼(如304/304L和316/316L)較為普遍。

        2.2 水力學計算

        2.2.1 管徑計算

        (1)合理流速。由于低溫管道材料成本高,一般在設計時盡量采用較高的流速來降低一次投資。對LNG工廠管道系統(tǒng)設計,LNG最高流速為8m/s[6]。但是流速越高,壓降越大,會增加相應泵的功率消耗和操作費用,而且也易造成安全隱患。結(jié)合國外設計方的經(jīng)驗,設定合理流速為3-6m/s。

        (2)合理壓降。對于流量大于150m3/h的輸送液體的泵的排出管道,較為經(jīng)濟的百米壓降范圍是45~50kPa/100m[7]。

        (3)計算方法。首先按照合理流速計算管徑d,計算公式如下:

        d=18.81W0.5u-0.5ρ-0.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(1)

        然后按照每百米壓降控制值來計算管徑,計算公式如下:

        d=18.61W0.38μ0.033ρ-0.207△Pf100-0.207? ? ? ? ? ? ? (2)

        2.2.2 管道壓力降計算

        根據(jù)所選管徑計算管網(wǎng)壓力降,計算公式如下:

        △P=(100λρ/d+∑ζ)u2/2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (3)

        2.3 絕熱設計

        2.3.1 絕熱材料的選擇

        在工程設計中,應根據(jù)具體工程實際情況,擇優(yōu)選用合適的絕熱材料,低溫LNG管道絕熱材料必須具有以下特性:

        (1)良好的絕熱性能,即導熱系數(shù)低;

        (2)良好的防火性能;

        (3)為防止絕熱體的性能失效,應具有較小的吸水吸濕性和較低的水蒸氣透濕系數(shù);

        (4)達到一定的強度要求,使其能承受自重和各種外力作用而不脫落或損壞;

        (5)在超低溫和常溫交變時尺寸穩(wěn)定性好,即熱膨脹系數(shù)小;

        (6)由于輸送液化天然氣的管路的管材為奧氏體不銹鋼,對Cl-的含量較為敏感,絕熱材料的氯化物含量應不大于25×10-6;

        (7)良好的化學穩(wěn)定性;

        (8)此外,綜合經(jīng)濟效益、現(xiàn)場切割或裁剪加工性能以及再利用程度也需考慮。

        國內(nèi)早期的LNG接收站項目多采用聚異氰脲酸酯泡沫塑料(PIR)作為LNG低溫管道保冷材料,如浙江LNG和廣東大鵬LNG等。PIR是以聚醚多元醇、聚合異氰酸酯為主要原材料,經(jīng)觸媒作用后發(fā)生反應生成的具有閉孔結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)絕熱材料。20世紀90年代起,國內(nèi)開始在部分工程項目中使用PIR泡沫塑料絕熱保冷,2007年,我國已掌握了性能指標達到CINI 2.7要求的PIR生產(chǎn)技術(shù)[8]。

        2.3.2 絕熱結(jié)構(gòu)設計

        LNG保冷一般采用結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉且運行維護方便的堆積絕熱法,一般由絕熱層、防潮層和保護層等構(gòu)成。

        典型的PIR保冷結(jié)構(gòu)是以PIR為保冷層,然后用玻璃纖維帶纏繞后再敷設防潮層,最后用不銹鋼板作為保護層[9-10]。

        3 管道的布置與應力分析

        3.1 管道布置一般要求

        (1)LNG管線應避免袋形(可能引起氣流滯留),保證氣體流通順暢。

        (2)低溫主管的設計應考慮坡度,便于排液。坡度大小由P&ID確定。

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