賈琦月

（中國寰球工程有限公司北京分公司，北京 100012）

隨著國家對清潔能源需求量的逐漸增加，液化天然氣（LNG）接收站項目在沿海省份方興未艾[1]。液化天然氣接收站項目中易燃介質(zhì)附加超低溫的苛刻工況較多，對質(zhì)量安全要求較高，在項目的執(zhí)行過程中需要特別注意，其中管道材料的設(shè)計是整個設(shè)計過程中的重要一環(huán)，針對項目特點(diǎn)，管道材料設(shè)計有一些關(guān)鍵的特殊技術(shù)要求須要引起關(guān)注。

1 LNG接收站項目工藝特點(diǎn)

LNG 接收站項目典型工藝流程如圖1 所示。

從卸船管線一直到氣化器，管線全部處于低溫狀態(tài)（-162℃），這就要求管道材料具有足夠的沖擊韌性[2]和強(qiáng)度，以滿足LNG 輸送的要求。根據(jù)以上要求，對應(yīng)的管道材料推薦使用奧氏體不銹鋼[3]，管道材料與工藝條件的對應(yīng)關(guān)系如表1 所 示。

管道內(nèi)流體為LNG，屬于易燃介質(zhì)；附加超低溫的苛刻工況，對管道的質(zhì)量提出了更高的要求。

2 低溫管道的關(guān)鍵技術(shù)要求

2.1 低溫管道的可焊性

LNG 接收站主要工藝管線介質(zhì)是天然氣，特性為易燃介質(zhì)；考慮到天然氣泄漏風(fēng)險，貫徹盡量減少漏點(diǎn)的安全設(shè)計理念——在歐洲標(biāo)準(zhǔn)[4]中有較為明確的規(guī)定——LNG 管線適宜多采用對焊連接，減少法蘭連接的泄漏隱患。采用對焊連接越多，就意味著焊接量越大，所以要求材質(zhì)的可焊性要好[5]，這是LNG 用低溫管道材料的第一個設(shè)計要點(diǎn)。

要求材料的可焊性好，對應(yīng)要求管子材料中的含碳量宜為超低碳——超低碳不銹鋼具有優(yōu)秀的可焊性，可以有效地降低焊接施工難度，降低焊接控制管理難度，對焊接后的質(zhì)量容易保證，從而提高了整個系統(tǒng)的安全性。因此，具有超低碳含量的雙證奧氏體不銹鋼材料在LNG 接收站的設(shè)計中應(yīng)用越來越廣泛。雙證奧氏體不銹鋼材料是指，奧氏體不銹鋼同時滿足低碳的化學(xué)成分要求和較高的機(jī)械性能要求，比如304/304L 雙證材料，需要同時滿足304L 的化學(xué)成分要求和304 的機(jī)械強(qiáng)度要求。需要指出的是，焊接工藝對奧氏體材料的焊接接頭質(zhì)量也會產(chǎn)生一定的影響[6]，應(yīng)該加以控制。

圖1 大型LNG 接收站項目典型流程示意圖Fig.1 Typical flow chart of large LNG terminal project

表1 典型管道材料與工藝條件對應(yīng)表Table 1 Typical pipeline materials corresponding to process conditions

2.2 低溫管道的化學(xué)成分

對于LNG 接收站項目，低溫用不銹鋼管道宜選用雙證奧氏體不銹鋼材料[7]。對于雙證材質(zhì)，材料的化學(xué)成分是一個重要的設(shè)計要點(diǎn)?；瘜W(xué)成分需要對碳C、錳Mn、 磷P 、硫S 、硅Si 、鉻Cr、鎳Ni 、氮N 的含量進(jìn)行嚴(yán)格控制。從上節(jié)分析可知含碳量應(yīng)控制在超低碳——不得大于0.03%[8]。同時，奧氏體不銹鋼的主元素鉻含量宜控制在18.0% ～ 20.0%[9]；金屬鎳的含量宜控制在8.0% ～ 11.0%[10]，其余的元素控制詳見表2。

表2 材質(zhì)304/304L 化學(xué)成分要求Table 2 Requirements for chemical composition of 304 / 304L material %

化學(xué)成分的控制需要依靠檢驗、檢測手段來保證。例如，A、B 公司材質(zhì)304/304L 碳含量實(shí)測值中，A 公司明顯可見有兩個測試值偏離，說明A 公司的此批爐號對應(yīng)的雙證不銹鋼材料，有兩個爐號不能滿足含碳量不大于0.03%的要求；而B 公司材質(zhì)304/304L 碳含量實(shí)測值，測試值均能滿足要求，說明B 公司的此批爐號對應(yīng)的雙證不銹鋼材料，在含碳量方面均能滿足不大于0.03%的要求。B 公司材質(zhì)在含碳量方面優(yōu)于A 公司。

同理可以檢驗Mn、Cr、Ni 等其他元素。

與此同時，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，A 公司的雙證鋼材質(zhì)Cr 含量和Ni 含量都高于B 公司參數(shù)，Mn 含量低于B 公司參數(shù)，A 公司參數(shù)更好地滿足了LNG 低溫管材的要求。

2.3 低溫管道的力學(xué)性能

低溫用不銹鋼管道的機(jī)械性能是奧氏體不銹鋼材料的第三個設(shè)計要點(diǎn)。材料的機(jī)械強(qiáng)度不能降低，否則將影響設(shè)計壁厚[11]，這也是GB 51257[7]中推薦使用雙證材料的原因。作為控制點(diǎn)的力學(xué)性能，除了包括抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度外，還應(yīng)考慮低溫下的沖擊韌性，具體力學(xué)性能指標(biāo)的控制值參見表3。

力學(xué)性能的控制同樣需要依靠檢驗、檢測手段來保證。例如，圖2、3 分別測試了材料抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，從數(shù)值看，均能滿足要求。需要指出的是，對于材料的的沖擊韌性，需要通過材料的延伸率和材料的低溫沖擊功兩個測試指標(biāo)進(jìn)行控制，而且低溫沖擊功測試需要涵蓋母材、焊接熱影響區(qū)和焊縫[12]，如圖4、5 所示。有時根據(jù)項目需要，須要同時考察側(cè)向膨脹量[13]。從質(zhì)量控制角度來說，低溫沖擊功和側(cè)向膨脹量均可以作為測試要點(diǎn)，兩者之間有時具有近似的線性關(guān)系[14]。

2.4 低溫管道的熱處理

圖2 304/304L 抗拉強(qiáng)度Fig.2 304/304L tensile strength

圖3 304/304L 屈服強(qiáng)度Fig.3 304 / 304L yield strength

圖4 304/304L 延伸率Fig.4 304 / 304L elongation rate

圖5 304/304L 母材、熱影響區(qū)、焊縫低溫沖擊功平均值Fig.5 Average value of low temperature impact energy of 304 / 304L base metal， heat affected zone and seam

不銹鋼管道之所以要進(jìn)行熱處理，不僅僅是為了得到所需要的機(jī)械性能，而且還為了得到其良好的耐腐蝕性能。熱處理是不銹鋼管道生產(chǎn)中的一個極為重要工序和生產(chǎn)環(huán)節(jié)，對奧氏體不銹鋼的組織和性能有著重要的影響[15]，因此也是低溫不銹鋼的一個重要的特殊技術(shù)要求。一般要求304/304L 不銹鋼管道固溶熱處理溫度為不低于1 040℃，用水淬或以足夠快的速度冷卻，以形成均勻的奧氏體組織。同時要求金相中鐵素體數(shù)FN 小于3。需要指出的是，由于LNG接收站項目管道口徑規(guī)格較大，有些壁厚偏薄的大口徑管道在熱處理的過程中會存在因重力而導(dǎo)致管道變形[16]的情況，此點(diǎn)應(yīng)該給予很好的控制。

3 低溫管道的防腐蝕

材料一旦被腐蝕，安全便無從談起，所以在大型LNG 項目中管道材料的防腐蝕設(shè)計是一個容易忽視且重要的技術(shù)要求。不銹鋼在大多項目中都定義為不用防腐，但就LNG 接收站項目未必安全[17]。防腐蝕設(shè)計與項目的具體位置，當(dāng)?shù)貧夂驐l件關(guān)系很大，應(yīng)控制腐蝕性大氣環(huán)境對低溫管道材料的影響[18]。對于海邊的LNG 接收站項目，根據(jù)ISO 12944 的規(guī)定，定義為C5M 級的腐蝕環(huán)境。NACE 標(biāo)準(zhǔn)指出不銹鋼在含氯離子的環(huán)境下，需要考慮縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕[19]；歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 1473 中有明確的要求，在奧氏體不銹鋼表面涂漆分為底漆、中間漆、面漆三層；而且要求涂漆防腐中考慮含鹽腐蝕性氣體的影響。需要指出的是，只有進(jìn)行有效防腐，才能保證表1 中的低溫材料腐蝕余量[20]為零，從另一個角度來說，低溫管道的防腐會對管道的壁厚設(shè)計產(chǎn)生影響。

4 結(jié)束語

對于液化天然氣LNG 接收站項目，低溫不銹鋼管道的安全使用對項目的成功運(yùn)行起著關(guān)鍵作用。文章列舉了低溫不銹鋼管道的一些主要控制點(diǎn)：材料的可焊性、材料的化學(xué)成分、材料的力學(xué)性能、材料的熱處理，以及材料的防腐蝕。通過控制材質(zhì)的可焊性，可以有效地降低焊接施工難度，保證焊接后的質(zhì)量；在材料的化學(xué)成分方面，可以通過檢測材料的核心元素來控制材料質(zhì)量；在材料的機(jī)械性能方面，通過檢測材料的延伸率和低溫沖擊功實(shí)現(xiàn)對材料低溫性能的控制；在材料熱處理控制方面，需要對薄壁的大口徑管道進(jìn)行重點(diǎn)控制；在防腐蝕設(shè)計方面，需要結(jié)合環(huán)境因素和材質(zhì)自身的特點(diǎn)給予充分考慮。這些技術(shù)要求沒有主次之分，都應(yīng)在工程項目的執(zhí)行過程中嚴(yán)格把控。