任成德， 吳紅根

(招商局重工(江蘇)有限公司， 江蘇 南通226116)

0 引 言

45 000 m3LNG運(yùn)輸船是招商局重工(江蘇)有限公司(下文簡(jiǎn)稱公司)承建的第1艘運(yùn)輸LNG的船舶。該船選用瓦錫蘭雙燃料主機(jī)及發(fā)電機(jī)作為船舶動(dòng)力，以LNG燃?xì)鉃橹魅剂?，可充分回收利用液態(tài)LNG在運(yùn)輸途中因熱交換產(chǎn)生的LNG燃?xì)?。由于泄漏的LNG燃?xì)馕ｋU(xiǎn)性很高，按照國(guó)際海事組織(IMO)有關(guān)規(guī)范要求，須對(duì)本質(zhì)安全型船舶機(jī)艙內(nèi)的所有供氣管路進(jìn)行氣密環(huán)圍，從主甲板到機(jī)器處所的供氣管路必須采用雙壁管[1-2]。

公司缺少LNG燃?xì)怆p壁管制作的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，最初的想法是委外施工，由專業(yè)公司進(jìn)行雙壁管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、預(yù)制、包裹防護(hù)、運(yùn)送到船廠、吊運(yùn)上船安裝，而公司僅負(fù)責(zé)總體控制。但是，這種模式生產(chǎn)周期長(zhǎng)、建造成本高、施工進(jìn)度不可控，不能滿足需要。

目前國(guó)內(nèi)已有幾家船廠有能力制作LNG燃?xì)怆p壁管，但是由于各船廠的生產(chǎn)條件、供貨渠道等不同，具體的實(shí)施方案也不同，沒(méi)有統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在主要的技術(shù)難點(diǎn)上仍需要不斷挖掘。

為縮短生產(chǎn)周期、降低項(xiàng)目建造成本，同時(shí)也為后續(xù)承接類似項(xiàng)目積累施工經(jīng)驗(yàn)，有必要開展燃?xì)怆p壁管預(yù)制及安裝技術(shù)的進(jìn)一步研究。

1 雙壁管的特點(diǎn)

燃?xì)怆p壁管為一種具有雙層管壁結(jié)構(gòu)的特殊管子，通常由內(nèi)管、外管、內(nèi)管支架等3部分組成。內(nèi)管輸送LNG燃?xì)?；外管通過(guò)管支架將雙壁管固定在船體結(jié)構(gòu)上；內(nèi)管支架支撐于內(nèi)管與外管之間，使內(nèi)管與外管之間形成同心的環(huán)形空間。該環(huán)形空間安裝有獨(dú)立的機(jī)械式防爆抽風(fēng)機(jī)[3]，其出風(fēng)口與大氣相通，將可能從內(nèi)管泄漏的LNG燃?xì)庖灵_敞處所，降低燃爆風(fēng)險(xiǎn)[4]。

(1) 內(nèi)管支架型式。雙壁管內(nèi)管固定通常有彈性支撐和固定支撐2種型式。彈性支撐結(jié)構(gòu)復(fù)雜[5]，安裝位置不僅需考慮船舶振動(dòng)及滑動(dòng)方向[6]，而且需根據(jù)具體布置進(jìn)行內(nèi)管受力分析；固定支撐結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，內(nèi)管支架呈十字型布置，分別與內(nèi)管、外管管壁焊接[3]，設(shè)置在直管段區(qū)，工藝性好。內(nèi)管支架型式如圖1所示。

圖1 內(nèi)管支架型式

(2) 外管設(shè)觀察視窗。為監(jiān)測(cè)內(nèi)管每道焊縫的焊接質(zhì)量，在外彎頭、三通及連接套管上設(shè)觀察視窗，鉆Φ20孔并焊接3/4英寸(1英寸=0.025 4 m)NPT螺紋管座(用堵頭密封)作為內(nèi)窺鏡探頭入口。部分觀察視窗也用于對(duì)可能存在的LNG燃?xì)庑孤┻M(jìn)行安全監(jiān)控。

(3) 外管尺寸。為使內(nèi)管彎頭順利裝入外管彎頭，按現(xiàn)有市場(chǎng)定型產(chǎn)品，外管內(nèi)徑至少比內(nèi)管外徑大40～60 mm，例如：如果內(nèi)管為DN 50，則外管選DN 100為宜。

(4) 材料。內(nèi)管、外管、內(nèi)管支架均選用耐蝕性、耐熱性較好的316L奧氏體不銹鋼，可有效避免因溫度變化帶來(lái)的內(nèi)、外管附加應(yīng)力；內(nèi)彎頭(長(zhǎng)半徑彎頭)為1.5D(D為管子的公稱直徑)、外彎頭(短半徑彎頭)為1.0D，內(nèi)管、外管均為薄壁無(wú)縫鋼管，內(nèi)管支架為40 mm×6 mm扁鋼。

(5) 壓力等級(jí)。內(nèi)管設(shè)計(jì)壓力為1.00 MPa，工作壓力約0.55 MPa，全熔透對(duì)焊，100%射線探傷(Radiographic Testing, RT)，Ⅰ級(jí)管；外管設(shè)計(jì)壓力1.00 MPa，正常工作時(shí)為負(fù)壓，Ⅲ級(jí)管。

2 雙壁管車間預(yù)制

車間預(yù)制分部件準(zhǔn)備、半成品預(yù)制及成品預(yù)制。

2.1 技術(shù)難點(diǎn)

(1) 保證內(nèi)管與外管的同心度。

(2) 多組內(nèi)管支架先焊接在內(nèi)管外壁上，再整體插入預(yù)先開好腰圓孔的外管中。要求內(nèi)管支架無(wú)論徑向還是軸向定位都必須與外管上的腰圓孔完全匹配，并通過(guò)焊接形成一整體，需要設(shè)計(jì)專用工裝。

(3) 內(nèi)管焊縫無(wú)法返修，必須嚴(yán)格按次序組裝，內(nèi)管、外管部件裝配、焊接、打磨、拍片、試壓等多工序多工種交叉進(jìn)行。

(4) 因雙壁管結(jié)構(gòu)及船上安裝工藝性需要，車間預(yù)制完成的雙壁管的內(nèi)管比外管長(zhǎng)約50 mm，且都為裸口(不是法蘭或螺紋接口)，管子壓力試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)高。

(5) 質(zhì)量要求高，須有專業(yè)的不銹鋼車間：照明、通風(fēng)良好，車間除塵設(shè)備有效，避免雙壁管被粉塵污染；鋸床、裝配平臺(tái)、作業(yè)工具、焊接滾輪架、料框料架等都為不銹鋼材質(zhì)或進(jìn)行包裹，避免被碳鋼污染；地面干凈整潔，主要施工區(qū)域鋪設(shè)木板或膠皮，可減輕管件掉落砸傷；遠(yuǎn)離碳鋼件生產(chǎn)區(qū)，避免空氣污染。

2.2 總體要求

(1) 焊接：焊接(包括定位焊)時(shí)，安裝人員必須持證上崗，嚴(yán)格按焊接工藝規(guī)程(Welding Procedure Specification, WPS)操作。

(2) 防護(hù)：對(duì)預(yù)制完成、試壓合格的管件應(yīng)用三防布全面包裹，防止異物進(jìn)入，保持管內(nèi)清潔。

2.3 部件準(zhǔn)備

(1) 內(nèi)管支架。用40 mm×6 mm的316L扁鋼下料，其長(zhǎng)度為外管內(nèi)徑與內(nèi)管外徑差值的1/2，單邊留0.5 mm的裝配間隙，去銳邊，通過(guò)銑床加工獲得內(nèi)管支架。

(2) 內(nèi)管、外管下料。用不銹鋼切斷/坡口一體機(jī)切割下料，獲得內(nèi)管、外管管段。

(3) 外管開腰圓孔。將下料完成的外管管段交銑床加工腰圓孔38 mm×5 mm，用分度頭裝夾，這樣才能保證外管上腰圓孔徑向呈十字型均勻分布，且軸向間距尺寸在同一直線上。腰圓孔距管端距離由圖紙確定。

(4) half式外三通。將整體式外三通逢中剖分，并將切口修整、打磨，獲得half式外三通，做好配對(duì)標(biāo)記。

2.4 半成品預(yù)制

(1) 內(nèi)管。先將下料完成的內(nèi)管管段水平置于雙壁管內(nèi)管預(yù)制專用工裝上，再將準(zhǔn)備好的多組內(nèi)管支架放入工裝定位槽，然后從側(cè)面點(diǎn)焊定位內(nèi)管支架。支架距管端距離及支架之間的軸向距離可通過(guò)底座上的刻度尺快速確定。內(nèi)管預(yù)制專用工裝如圖2所示。打開滑動(dòng)支撐上塊，取出內(nèi)管，交專業(yè)焊工焊接。

圖2 內(nèi)管預(yù)制專用工裝

(2) 內(nèi)窺鏡探頭入口。將3/4英寸NPT螺紋管座分別焊接在外彎頭中心、half式外三通中心，作為內(nèi)窺鏡探頭入口。

2.5 幾種典型成品管預(yù)制

(1) 帶彎頭管。帶彎頭管預(yù)制流程如圖3所示。

圖3 帶彎頭管預(yù)制流程

具體說(shuō)明如下：

① 內(nèi)彎頭與預(yù)制完成的1根內(nèi)管組對(duì)、焊接；

② 將外彎頭裝到內(nèi)彎頭上，盡可能將外彎頭緊靠?jī)?nèi)管支架，留出內(nèi)彎頭與另1根內(nèi)管的焊接空間；

③ 內(nèi)彎頭與另1根內(nèi)管組對(duì)、焊接；

④ 內(nèi)彎頭兩端焊縫打磨、100%RT；

⑤ RT合格后進(jìn)行內(nèi)管試壓1.50 MPa(裸口試壓工裝)；

⑥ 與外彎頭及2根開好腰圓孔的外管組對(duì)、塞焊孔找正、焊接；

⑦ 外管焊縫打磨；

⑧ 外管試壓1.50 MPa(特殊工裝，避免內(nèi)管變形)；

⑨ 做好管件保護(hù)，用軟性材料包裹，避免碰撞變形；

(2) 帶三通管。帶三通管預(yù)制流程如圖4所示。

圖4 帶三通管預(yù)制流程

具體說(shuō)明如下：

① 內(nèi)三通與3根預(yù)制完成的內(nèi)管組對(duì)、焊接；

② 內(nèi)彎頭兩端焊縫打磨、100%RT；

③ RT合格后進(jìn)行內(nèi)管試壓1.50 MPa(裸口試壓工裝)；

④ 與2個(gè)half式外三通、3根開好腰圓孔的外管組對(duì)、塞焊孔找正、將內(nèi)三通夾在2個(gè)half式外三通中間定位后焊接；

(3) 帶主機(jī)接口法蘭管(末端)。帶主機(jī)接口法蘭管預(yù)制流程如圖5所示。

圖5 帶主機(jī)接口法蘭管預(yù)制流程

具體說(shuō)明如下：

① 內(nèi)彎頭與預(yù)制完成的1根內(nèi)管組對(duì)、焊接；

② 將外彎頭裝到內(nèi)彎頭上，盡可能將外彎頭緊靠?jī)?nèi)管支架，留出內(nèi)彎頭與另1根內(nèi)管的焊接空間；

③ 內(nèi)彎頭與另1根內(nèi)管組對(duì)、焊接，內(nèi)管長(zhǎng)度要與對(duì)應(yīng)外管長(zhǎng)度匹配；

④ 內(nèi)彎頭兩端焊縫打磨、100%RT；

⑤ RT合格后進(jìn)行內(nèi)管第一次試壓1.50 MPa(裸口試壓工裝)；

⑥ 將外管裝到內(nèi)管上，盡可能將外管緊靠外彎頭，留出內(nèi)管與主機(jī)接口法蘭的焊接空間；

⑦ 內(nèi)管與主機(jī)接口法蘭組對(duì)、焊接；

⑧ 焊縫打磨、100%RT；

⑨ RT合格后進(jìn)行內(nèi)管第二次試壓1.50 MPa(裸口試壓工裝)；

(4) 連接通大氣管(始端)。連接通大氣管預(yù)制流程如圖6所示。

圖6 連接通大氣管預(yù)制流程

具體說(shuō)明如下：

① 將開好腰圓孔的外管與單壁管組對(duì)、焊接、打磨；

② 與預(yù)制完成的內(nèi)管、法蘭1、封板及法蘭2組對(duì)、焊接；

③ 法蘭1焊縫打磨、100%RT；

④ RT合格后進(jìn)行內(nèi)管試壓1.50 MPa(裸口試壓工裝)；

(5) 長(zhǎng)/短直管。長(zhǎng)/短直管預(yù)制流程如圖7所示。

圖7 長(zhǎng)/短直管預(yù)制流程

具體說(shuō)明如下：

將預(yù)制完成的內(nèi)管裝入對(duì)應(yīng)開好腰圓孔的外管中，找正塞焊孔位置，塞焊、打磨；

3 雙壁管船上安裝

將已經(jīng)在車間預(yù)制完成的雙壁管成品管吊運(yùn)上船，并根據(jù)管路布置圖安裝到位，可將來(lái)自主甲板的LNG燃?xì)廨斔偷街鳈C(jī)、發(fā)電機(jī)的接口法蘭處。

3.1 技術(shù)難點(diǎn)

與常規(guī)管子安裝不同，雙壁管的安裝有以下特點(diǎn)：

(1) 同一段管子不能1次安裝完成，裝配、焊接、涂鈍化膏、試壓等多工序多工種交叉作業(yè)，安裝人員必須認(rèn)真負(fù)責(zé)、技能全面，否則會(huì)嚴(yán)重影響安裝質(zhì)量及工期；

(2) 由于內(nèi)管與氣閥裝置(Gas Valve Unit， GVU)無(wú)裕量對(duì)焊連接，試壓封堵困難；

(3) 由于外管比內(nèi)管短約50 mm，外管試壓時(shí)需要制作專用工裝。

3.2 管路布置

雙壁管與其他系統(tǒng)管路布置相比具有優(yōu)先權(quán)，應(yīng)布置在機(jī)艙處所比較開敞的位置，特別是管段連接處(包括分段合龍口位置)，應(yīng)有足夠的作業(yè)空間，方便內(nèi)管對(duì)焊、RT及外管套管焊接。

3.3 安裝順序

管段連接如圖8所示。

圖8 管段連接示例

具體說(shuō)明如下：

(1) 預(yù)制外管連接套管：下料，中間位置鉆孔Φ20，并與3/4英寸NPT螺紋管座焊接牢固。套管內(nèi)徑比雙壁管外管外徑大2～3 mm，長(zhǎng)度約200 mm。

(2) 先將所有需要安裝的雙壁管成品管按管路布置圖擱置到管支架上。由于管壁較薄，管支架宜與內(nèi)管支架對(duì)應(yīng)，對(duì)相差較多的管支架做適當(dāng)調(diào)整。

(3) 在兩內(nèi)管管口對(duì)中操作前，必須將連接套管裝到任一外管上，否則連接套管無(wú)法安裝，或只能將套管改為half式。

(4) 排管，使兩兩內(nèi)管管口對(duì)中，點(diǎn)焊定位，擰緊管支架并焊接。

(5) 焊縫打磨，人工涂鈍化膏，100%RT。

(6) RT合格后進(jìn)行內(nèi)管試壓1.50 MPa。由于內(nèi)管與GVU內(nèi)管無(wú)裕量對(duì)接，需要借助管路彈性并松脫鄰近管支架及插入盲板進(jìn)行有效封堵。

(7) 外管連接套管找正，使其螺紋管座對(duì)準(zhǔn)內(nèi)管焊縫位置后焊接兩端焊縫。

(8) 焊縫打磨，人工涂鈍化膏。

(9) 進(jìn)行外管試壓1.50 MPa。由于外管與GVU外管為套管連接，內(nèi)管比外管長(zhǎng)約50 mm，不僅需要借助管路彈性并松脫鄰近管支架，而且需要制作特殊工裝，才能進(jìn)行有效封堵。外管試壓封堵工裝如圖9所示。

圖9 外管試壓封堵工裝

3.4 注意事項(xiàng)

(1) 焊接(包括定位焊)時(shí)，安裝人員必須持證上崗，嚴(yán)格按WPS操作；

(2) 使外管連接套管上的螺紋管座(內(nèi)窺鏡探頭入口)面向操作者；

(3) 外管試壓時(shí)，必須使內(nèi)管、外管壓力平衡，避免損傷內(nèi)管；

(4) 試壓介質(zhì)為氮?dú)猓瑧?yīng)特別注意氣體介質(zhì)試壓的安全問(wèn)題；

(5) 無(wú)論內(nèi)管、外管，除設(shè)備外的管路連接完成后及試壓前，必須用高壓氮?dú)膺M(jìn)行吹掃，出口用100目白色濾布檢查，以無(wú)可見異物為合格；

(6) 對(duì)各焊縫進(jìn)行編號(hào)，做好RT及向船舶所有人和船檢機(jī)構(gòu)的報(bào)檢記錄；

(7) 排管時(shí)應(yīng)使車間預(yù)制的成品管盡可能長(zhǎng)一些，以減少在船上的連接點(diǎn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

雙壁管預(yù)制安裝工藝復(fù)雜，質(zhì)量要求高，預(yù)制安裝方法必須清晰、明確、具體。45 000 m3LNG運(yùn)輸船的雙壁管嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行預(yù)制、安裝，一次性通過(guò)調(diào)試驗(yàn)收，并得到船舶所有人和船檢機(jī)構(gòu)的一致好評(píng)。其中，雙壁管預(yù)制工裝已獲得國(guó)家實(shí)用新型專利。

使用和推動(dòng)LNG燃料動(dòng)力船(包括以LNG為燃料的非LNG運(yùn)輸船)發(fā)展，對(duì)調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、改善環(huán)境質(zhì)量、節(jié)能減排及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展都具有十分重要的意義。固定支架式LNG燃?xì)怆p壁管作為雙燃料主機(jī)供氣管路型式之一，隨著LNG燃料動(dòng)力船的蓬勃發(fā)展，必將得到更廣泛的應(yīng)用，有關(guān)雙壁管的制作、安裝技術(shù)和方法，也將受到各船企及有關(guān)人員的歡迎。