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)鉃橹魅剂希沙浞只厥绽靡簯B(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，按照國際海事組織(IMO)有關(guān)規(guī)范要求，須對本質(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、建造成本高、施工進(jìn)度不可控，不能滿足需要。

目前國內(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)猓煌夤芡ㄟ^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)相對簡單，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的內(nèi)、外管附加應(yīng)力；內(nèi)彎頭(長半徑彎頭)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、外管均為薄壁無縫鋼管，內(nèi)管支架為40 mm×6 mm扁鋼。

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

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，并通過焊接形成一整體，需要設(shè)計(jì)專用工裝。

(3) 內(nèi)管焊縫無法返修，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、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

具體說明如下：

① 內(nèi)彎頭與預(yù)制完成的1根內(nèi)管組對、焊接；

② 將外彎頭裝到內(nèi)彎頭上，盡可能將外彎頭緊靠內(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、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、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

具體說明如下：

① 內(nèi)三通與3根預(yù)制完成的內(nèi)管組對、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、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

具體說明如下：

① 內(nèi)彎頭與預(yù)制完成的1根內(nèi)管組對、焊接；

② 將外彎頭裝到內(nèi)彎頭上，盡可能將外彎頭緊靠內(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、焊接，內(nèi)管長度要與對應(yīng)外管長度匹配；

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、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

具體說明如下：

① 將開好腰圓孔的外管與單壁管組對、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、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/短直管。長/短直管預(yù)制流程如圖7所示。

圖7 長/短直管預(yù)制流程

具體說明如下：

將預(yù)制完成的內(nèi)管裝入對應(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)無裕量對焊連接，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)管支架對應(yīng)，對相差較多的管支架做適當(dāng)調(diào)整。

(3) 在兩內(nèi)管管口對中操作前，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)管無裕量對接，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)?，?yīng)特別注意氣體介質(zhì)試壓的安全問題；

(5) 無論內(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，以無可見異物為合格；

(6) 對各焊縫進(jìn)行編號，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一些，以減少在船上的連接點(diǎn)。

4 結(jié) 語

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。其中，雙壁管預(yù)制工裝已獲得國家實(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，對調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、改善環(huán)境質(zhì)量、節(jié)能減排及國民經(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。