高盼 余道丞

【摘?要】天然氣是一種優(yōu)質(zhì)高效的清潔能源。加快發(fā)展天然氣產(chǎn)業(yè)，提高天然氣在一次能源消費(fèi)中的比重，是貫徹落實(shí)創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享五大發(fā)展理念的必由之路。液化天然氣氣化站是將液化天然氣轉(zhuǎn)化為氣態(tài)天然氣的場所。其工藝流程是通過卸車平臺上的卸車增壓器對槽車儲(chǔ)罐加壓，利用壓差將LNG卸至低溫儲(chǔ)罐，LNG氣化時(shí)，由儲(chǔ)罐增壓器加壓，自流進(jìn)入氣化爐。站內(nèi)天然氣管道是連接各裝置的重要組成部分，直接關(guān)系到各裝置的能效、安裝、維護(hù)、檢修和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

【關(guān)鍵詞】低溫管道設(shè)計(jì);液化天然氣氣站;應(yīng)用;分析

1管道設(shè)計(jì)參數(shù)選取

1.1設(shè)計(jì)溫度的選取。

LNG在常壓下的沸點(diǎn)約為-162℃，系統(tǒng)試運(yùn)行時(shí)要先灌注液氮冷管排除空氣，因此氣化站工藝系統(tǒng)內(nèi)管道的設(shè)計(jì)溫度一般定為液氮在常壓下的沸點(diǎn)-196℃。

1.2設(shè)計(jì)壓力的選取。

站內(nèi)調(diào)壓橇前天然氣管道設(shè)計(jì)壓力為1.2MPa，調(diào)壓橇后管道設(shè)計(jì)壓力為1.0MPa。

2鋼管的低溫脆性。

如果不及時(shí)清理管道內(nèi)的污水，當(dāng)溫度降到0℃以下時(shí)，會(huì)造成管道膨脹開裂，阻礙管道內(nèi)水體的排放，因此必須提前對污水管道進(jìn)行必要的保溫處理。在冬季，由于供熱需求，管道內(nèi)會(huì)有連續(xù)的天然氣流動(dòng)，這一過程產(chǎn)生的熱量可以保證管道不會(huì)因低溫而發(fā)生脆性斷裂。但是，在特殊情況下，如發(fā)生事故或執(zhí)行必要的維護(hù)任務(wù)時(shí)，需要停止管道中的天然氣供應(yīng)，此時(shí)溫度會(huì)迅速下降，導(dǎo)致管道因溫度過低而出現(xiàn)問題，因此，設(shè)計(jì)人員需要對管道材料進(jìn)行篩選，并與制造廠協(xié)商，以確保材料滿足必要的韌性要求，避免因低溫引起管道脆斷，減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失和維護(hù)費(fèi)用。盡管如此，仍有部分地區(qū)氣溫出現(xiàn)快速下降，當(dāng)管道材質(zhì)不能滿足溫度突變的要求時(shí)，仍需采取必要的保溫措施，并及時(shí)監(jiān)測管道溫度，以保證管道性能的正常化。當(dāng)保溫措施不能避免管道材料的脆性斷裂時(shí)，應(yīng)考慮管道應(yīng)力比的概念。根據(jù)管道低溫沖擊試驗(yàn)，當(dāng)管道內(nèi)溫度應(yīng)力比發(fā)生明顯變化時(shí)，可調(diào)整溫度范圍，避免低溫沖擊破壞和脆性斷裂。ASME鍋爐及壓力容器可正常使用，也可參照上述壓力容器變更概念。

綜上所述，對于特殊區(qū)域需要停車、運(yùn)輸和排空的管道，在運(yùn)行的同時(shí)應(yīng)滿足以下條件：（1）保證管道內(nèi)和設(shè)備間產(chǎn)生的組合應(yīng)力保持在最小值，在溫度急劇下降的情況下，此時(shí)脆性斷裂的風(fēng)險(xiǎn)將顯著降低。（2）檢修后，需要在輸氣前提前對管道進(jìn)行溫度調(diào)整，使管道溫度達(dá)到必要的溫差要求。保溫延緩了管道的脆性斷裂，給維護(hù)留下了更多的時(shí)間，如果這樣仍然不能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成維護(hù)，下一步仍然需要完成。

3管道材料。

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的應(yīng)用價(jià)值，必須提高材料的應(yīng)用效率，通過科學(xué)的選材，才能不斷提高設(shè)計(jì)水平。從實(shí)際分析，當(dāng)溫度達(dá)到超低溫（-162℃）的相關(guān)溫度時(shí)，在選擇管道時(shí)應(yīng)充分考慮材料的低溫韌性和耐腐蝕性，并考慮材料的膨脹系數(shù)，為了了解碳鋼和低合金鋼在低溫環(huán)境下韌性的變化，如果超低溫使其失去韌性，就不能用于氣化站的輸送系統(tǒng)。經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)對比和材料篩選，9%的鎳鋼、鋁合金和奧氏體不銹鋼在低溫下都能保持良好的韌性，但其性能有顯著差異。隨著生產(chǎn)工藝的成熟和快速發(fā)展，奧氏體不銹鋼具有更高的耐蝕性，廣泛應(yīng)用于各種低溫環(huán)境。雖然9%鎳鋼的整體性能優(yōu)于其他材料，但我國生產(chǎn)工藝流程受阻，導(dǎo)致整體成本過高。分析上述材料數(shù)據(jù)并不困難。當(dāng)管道介質(zhì)溫度低于-20℃時(shí)，可考慮采用不銹鋼無縫管，材質(zhì)為06Cr19Ni10。當(dāng)管道內(nèi)部溫度高于-20°C時(shí)，應(yīng)根據(jù)公稱直徑選擇管道。

4管道保溫設(shè)計(jì)

4.1保溫材料的選擇。

不同的工程對保溫材料有具體的要求，根據(jù)不同的現(xiàn)場對保溫材料進(jìn)行篩選，選擇保溫材料的過程中要滿足以下條件：本身具有較強(qiáng)的保溫性能，導(dǎo)熱系數(shù)低;耐火性較高，吸水性和滲透性較低，在某些情況下使用時(shí)可能需要承受外部強(qiáng)大的壓力，因此材料本身應(yīng)具有足夠的耐壓性，不易損壞;較低的熱膨脹系數(shù)也保證了材料在超低溫和室溫下的穩(wěn)定性;液化天然氣管道的選擇是為了安全，奧氏體不銹鋼，保溫本身需要低氯化物;保溫需要足夠穩(wěn)定，以用于更多的化學(xué)性質(zhì);絕緣材料易于加工、切割，應(yīng)考慮其可重復(fù)使用的能力。我國大多數(shù)接收站選擇異氰脲酸酯泡沫作為保溫材料，這與其穩(wěn)定性有關(guān)。通過兩種材料在特定催化劑作用下的反應(yīng)，獲得了閉孔結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)保溫材料，為我國的內(nèi)部工程建設(shè)提供了很大的幫助。2007年前后，我國對PAI的生產(chǎn)工藝已基本了解，生產(chǎn)指標(biāo)和最終獲得的原料也達(dá)到了Cini 2.7的要求。

4.2絕緣設(shè)計(jì)。

根據(jù)不同部位的保溫要求和使用特點(diǎn)，進(jìn)行LNG冷保存時(shí)優(yōu)先選用成本較低的材料。分析了Pir的保溫結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是在Pir上涂上玻璃纖維帶和必要的保護(hù)層，然后用不銹鋼板進(jìn)行保護(hù)。

5LNG管道的布局設(shè)計(jì)

應(yīng)保持必要的氣體循環(huán)，在LNG管道設(shè)計(jì)中不應(yīng)采用袋式設(shè)計(jì)模式。為了完成污水的排放，必須使局長保持一定的角度，這個(gè)角度要視環(huán)境和使用要求而定。液化天然氣管道敷設(shè)在整條管道的較低位置，避免管道泄漏造成不必要的損失?？h與縣之間的位置和距離要提前設(shè)定，這樣敷設(shè)既能避免相互干擾，又能保證管件的完整性。在管道設(shè)備的使用過程中，采用柔性布置可以避免管道受挫，減少堆芯載荷和扭矩問題。柔性設(shè)計(jì)的條件是：有足夠的強(qiáng)度支承支架和導(dǎo)向支架作為支撐，各結(jié)構(gòu)相互配合，最終按方案完成設(shè)備進(jìn)出口管道的柔性安裝。為了增加管道的使用長度，避免接頭處發(fā)生脆性斷裂，應(yīng)充分利用t形、Z形等靈活的布置技術(shù)，使管道在特定位置得到補(bǔ)償，減少因多匝而降低管道柔度系數(shù)的問題。

6管絕熱冷卻的設(shè)計(jì)與分析。

LNG低溫管道保冷后可分為三種：真空管道、三聚聚酯泡沫（Pir）和泡沫玻璃（CG）。Pir本身具有低密度和導(dǎo)熱性，可以在超低溫環(huán)境下使用，也可以根據(jù)要求進(jìn)行特定的韌性變化，但其耐火性較低，同時(shí)吸水性能有限;泡沫玻璃材料具有防水、耐高溫的優(yōu)點(diǎn)，不燃，收縮率低，但由于制造工藝的限制，這種材料的整體成本較高。根據(jù)不同管路的要求，在布置真空管路時(shí)，應(yīng)提前做好管路的布置。同時(shí)采用多纏繞的方式使管道具有更好的冷卻效果，維護(hù)安裝更方便，相應(yīng)的缺點(diǎn)是成本較高，取材難度較大。根據(jù)目前經(jīng)濟(jì)支出的需要，管道敷設(shè)應(yīng)盡量選用PIR材料，以使成本最低。

7結(jié)論

在分析低溫管道設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)根據(jù)天然氣站的實(shí)際運(yùn)行情況，采用更有效的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的高效應(yīng)用。希望本文的進(jìn)一步研究能為相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供有效的參考，從而不斷提高低溫管道的設(shè)計(jì)水平。

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（作者單位：1.中國石化青島液化天然氣有限責(zé)任公司;2.山東實(shí)華天然氣有限公司）