陳小毛

摘要：由于LNG船舶在-163℃儲(chǔ)存輸送天然氣的超低溫性，對(duì)LNG管道保冷絕熱施工提出了想當(dāng)高的要求。為了規(guī)范施工流程，減少絕熱材料的浪費(fèi)，提高施工效率和質(zhì)量，本文創(chuàng)新提出LNG管道保冷絕熱的施工工藝，為同類型的工程項(xiàng)目的保冷施工提供參考。

關(guān)鍵詞：LNG船;低溫運(yùn)輸;保冷絕熱;管道施工

0 引言

天然氣作為一種清潔高效的能源，已日益受到人們的關(guān)注。1959年，世界第一艘LNG船舶“甲烷先鋒號(hào)”改裝建成并成功運(yùn)送液化天然氣，揭開了LNG海上運(yùn)輸?shù)钠?。LNG船舶作為國際公認(rèn)的高技術(shù)、高難度、高附加值的“三高”產(chǎn)品，被譽(yù)為造船業(yè)“皇冠上的明珠”，逐漸被各國視為開展海運(yùn)貿(mào)易不可或缺的新型節(jié)能船舶。LNG船可在-163℃把天然氣“壓”成液態(tài)，體積縮小到六百分之一，更方便運(yùn)輸。研究保冷絕熱施工新工藝，對(duì)于促進(jìn)國內(nèi)LNG建設(shè)具有一定的意義。有效提高LNG船保冷效率和質(zhì)量，減少絕熱材料的浪費(fèi)，從而保障LNG系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

1. ?低溫保冷類型

低溫保冷的絕熱方法通常有堆積絕熱和真空絕熱兩大類。堆積絕熱是一種傳統(tǒng)絕熱方法，即在管道的外表面敷設(shè)一定厚度的多孔型絕熱材料，因孔泡中充滿常壓空氣（或其它氣體）而實(shí)現(xiàn)絕熱。真空絕熱包括高真空絕熱、真空多孔絕熱及真空多層絕熱三類，其原理是將絕熱結(jié)構(gòu)做成密閉的夾層，內(nèi)部空間抽至一定真空度，以減少熱量傳入。

在絕熱效率方面，堆積絕熱不及真空絕熱，但其結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)較低，運(yùn)行維護(hù)方便，因此，目前國內(nèi)外LNG船管道保冷多采用堆積絕熱。

2. ?低溫保冷材料及性能

低溫保冷材料類型。目前LNG船中采用的保冷材料主要有兩種：日本、韓國等主要采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫（PUR），歐美國家多采用PIR。PIR中文名為“聚異氰脲酸脂”。PIR是由異氰酸鹽經(jīng)觸媒作用后與聚醚發(fā)生反應(yīng)制成發(fā)泡材料，其耐熱性、尺寸穩(wěn)定性、難燃性及抗壓強(qiáng)度都優(yōu)于硬質(zhì)聚氨酯泡沫。PIR是一種理想的有機(jī)低溫隔熱材料，具有導(dǎo)熱系數(shù)小、輕質(zhì)防震、適應(yīng)性強(qiáng)。PIR作為一種國際范圍內(nèi)新型的保冷絕熱材料，在LNG領(lǐng)域已經(jīng)得到普遍應(yīng)用。

3. ?LNG保冷層結(jié)構(gòu)

由于LNG系統(tǒng)在運(yùn)行過程中溫度交變范圍非常大，超低溫和常溫交變?nèi)菀自斐杀＠洳牧鲜湛s開裂等結(jié)構(gòu)破壞，保冷層失效。因此，設(shè)計(jì)合理的保冷層結(jié)構(gòu)非常重要。

LNG管道保冷結(jié)構(gòu)一般由防銹層、絕熱層、防潮層和保護(hù)層等構(gòu)成。對(duì)碳鋼材質(zhì)的管道，需要清除其表面的鐵銹、油脂及污垢后，刷防銹底漆。絕熱層由保冷材料構(gòu)成，是保冷結(jié)構(gòu)的主體。防潮層的作用是防止大氣中的水蒸氣滲透到絕熱層中，否則會(huì)急劇增大保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)，使保冷層失效。保護(hù)層一般采用鍍鋅鐵皮或不銹鋼，主要保護(hù)保冷材料受外力損傷及大氣環(huán)境的影響，同時(shí)還起到美觀作用。管道保冷絕熱結(jié)構(gòu)圖及管道保冷絕熱原理示意圖如圖1所示。

4. ?保冷層的絕熱厚度

根據(jù)《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB60164-1997），保冷層的厚度有以下三種計(jì)算方法。（1）保冷層經(jīng)濟(jì)厚度計(jì)算方法。（2）防止表面凝露的保冷厚度計(jì)算方法。（3）控制最大允許冷損失量的保冷厚度計(jì)算方法。推薦控制熱損失量的計(jì)算方法是確定保冷層厚度的最佳計(jì)算方法。計(jì)算公式如下：

D1是保冷層外徑，m;D0是管道外徑，m;λ是保冷材料在平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）;Ta是環(huán)境溫度，℃，取運(yùn)行期間的平均氣溫;T0是管道外表面溫度，℃，取介質(zhì)的最低操作溫度-163℃;αs是絕熱層外表面向周圍環(huán)境的放熱系數(shù)，W/ ?（m2·℃）;Q是以每平方米保冷層外表面積為單位的最大允許冷損失量，W/ m2。在LNG保冷管路中，一般要求保冷層的熱流密度小于25 W/ m2。

保冷絕熱的各種管徑和絕熱厚度如表1所示。

5. ?保冷絕熱施工主要內(nèi)容

1、將PIR半管殼包覆在管道外面。使用兩種成分的混合粘合劑，從縱向和圓周向進(jìn)行PIR管殼的粘合。

2、防潮層施工。安裝層壓鋁箔，用鋁制自粘膠帶密封鋁箔的接縫部分，確保PIR管殼外側(cè)形成一層完整緊密的水汽阻隔層。

3、間隔裝置施工。安裝間隔箔，使用細(xì)絲增強(qiáng)膠帶固定間隔箔。

4、不銹鋼保護(hù)層安裝。用密封膠帶密封不銹鋼保護(hù)層搭接縫，用4.2×9.5不銹鋼自攻螺釘固定不銹鋼保護(hù)層。

5、最終檢查。

6. 保冷絕熱施工方法

6.1 注意事項(xiàng)

1、項(xiàng)目管理、質(zhì)量控制及船廠、氣體運(yùn)輸船的安全保障工作，應(yīng)該由擁有三年以上相同的或類似項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的資質(zhì)企業(yè)來執(zhí)行。

2、在預(yù)制和安裝過程中最大限度地減少材料浪費(fèi)。

3、盡量避免絕熱部件和外表面金屬板之間的任何熱橋或冷橋。

4、應(yīng)加強(qiáng)施工管理與檢驗(yàn)。

6.2 施工前準(zhǔn)備工作

檢查和清潔管道外表面。清除管道表面的污垢、灰塵、油、油脂、霜、水分和焊渣。管道表面涂層和防腐蝕保護(hù)層應(yīng)完全干燥。

6.3 PIR管殼的選擇

預(yù)制成半管殼形的PIR表面覆有廠家提供的鋁箔。絕熱應(yīng)當(dāng)按照有關(guān)部件（如管子和管件）的管外徑和所要求的絕熱層厚度來執(zhí)行，具體見表1;PIR半管殼的長度應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況相應(yīng)調(diào)整。

6.4 粘合劑PL240/200S的使用說明

粘合劑PL240/200S的重量混合比例為5：1，5份Kestopur PL 240樹脂配合1份200/S固化劑。添加固化劑后最長有效工作時(shí)間是30分鐘（在20℃時(shí)）。

為了最大限度地減少浪費(fèi)，粘合劑應(yīng)適量取用、充分混合，并在固化和變硬之前完全用完。粘合劑完全固化需要24小時(shí)（在20℃時(shí)）。

6.5 絕熱層預(yù)制成形PIR半管殼的安裝

在PIR半管殼縱向和圓周向接縫的一側(cè)，用5×5mm的齒形刮刀均勻涂抹一層粘合劑。將PIR管殼緊緊地敷設(shè)到管子上，用臨時(shí)綁扎帶固定，允許粘合劑部分固化。在PIR保冷管殼的敷設(shè)中，為了減少拼縫空隙產(chǎn)生熱對(duì)流現(xiàn)象，縱向拼縫應(yīng)錯(cuò)縫，其間距應(yīng)不小于50mm。

6.6 防潮層鋁箔的安裝

PIR管殼外側(cè)覆有層壓鋁箔，使用鋁制自粘膠帶粘合鋁箔縱向和圓周向接縫處。檢查鋁箔完整性，任何破損和沖壓孔都要用鋁制膠帶進(jìn)行密封修補(bǔ)。確保PIR管殼外側(cè)形成一層完整緊密的水汽阻隔層。

6.7 間隔箔的安裝和固定

絕熱層粘合劑干固后即可安裝間隔箔。間隔箔作為間隔物/襯墊，用于防止鋁箔被螺釘損壞。間隔箔安裝時(shí)緊貼絕熱層，用細(xì)絲增強(qiáng)膠帶固定。直管上每間距250～500mm用膠帶固定一圈。

對(duì)于管件（彎頭、異徑和三通）間隔箔應(yīng)切割成不小于60mm寬的小塊。用在絕熱管件上小塊的數(shù)量取決于管件的尺寸。每個(gè)管件至少要3塊。小塊用細(xì)絲增強(qiáng)膠帶等距固定在絕熱管件上。

6.8 不銹鋼保護(hù)層的預(yù)制

不銹鋼類型是1.4301，不銹鋼保護(hù)層厚度0.5mm。

絕熱管道不銹鋼保護(hù)層應(yīng)按照所需對(duì)象的周長來預(yù)制。保冷絕熱周長=3.14×（管外徑+絕熱層厚度×2+間隔厚度×2）+搭接長度。例如：管子外徑是114mm，絕熱厚度是80mm，中間層間隔墊板大約9mm，搭接長度50mm，不銹鋼板的總周長為：3.14×（114+80×2+9×2）+50 mm= 967mm。

在不銹鋼保護(hù)層上每間隔100～150mm，鉆直徑3mm的孔。按照周長長度準(zhǔn)確切割不銹鋼板，再將切割下的不銹鋼板卷成圓形，縱向和圓周向邊緣一側(cè)要滾邊。注意，管道上絕熱層和不銹鋼保護(hù)層應(yīng)與相鄰的絕熱管支撐在水平上保持一致。

6.9 不銹鋼保護(hù)層的安裝和固定

不銹鋼保護(hù)層，安裝時(shí)緊貼間隔箔板。不銹鋼保護(hù)層縱向和圓周向接縫的搭接長度為50mm，然后用密封膠帶來密封所有的搭接縫，最后用4.2×9.5不銹鋼自攻螺釘固定。

不銹鋼保護(hù)層搭接縫應(yīng)遵循“高搭低”的原則，以防止雨水等液滴滲入保冷結(jié)構(gòu)。對(duì)于有坡度要求的水平管道，還應(yīng)視管道的坡向。水平管道的縱向接縫應(yīng)布置水平中心線下方一定角度內(nèi)以便于排水，例如按照管道圓周方向135°或215°進(jìn)行搭接。

外保護(hù)層在接管、支架等處，其開口應(yīng)盡量開得合適，達(dá)到緊密配合。外保護(hù)層不得有松脫、翻邊、豁口、翹縫和明顯的凹坑，圓周向接縫應(yīng)與管軸線垂直，縱向接縫應(yīng)與管道軸線保持平行。

在不銹鋼保護(hù)層的縱向搭接縫處，用鍍鋅螺釘進(jìn)行定位，每間隔150mm進(jìn)行預(yù)鉆孔。然后用不銹鋼帶墊圈自攻螺釘進(jìn)行固定。螺釘?shù)南牧堪疵棵?至8個(gè)來計(jì)算（注：圓周向滾邊一般是不需要螺釘，直徑較大時(shí)可慮用2個(gè)螺釘）。

所有鍍鋅螺釘僅用于臨時(shí)使用，每個(gè)螺釘使用大約4至5次之后，將被處理掉。

6.10 彎頭的制作和安裝

帶層壓鋁箔的PIR也用作彎頭。通過切割直管殼塊來預(yù)制，用粘合劑把它們固定在一起形成彎頭形狀。彎頭的整個(gè)表面要用鋁膠帶密封，特別是PIR塊的接縫處。采用上所述管道絕熱方式來安裝彎頭。

6.11 終止端的安裝

研究項(xiàng)目的法蘭和閥門不需要包覆絕熱，所有直管終止端應(yīng)該用水汽阻隔層或低溫粘合劑完全覆蓋。所有的絕熱終止端（包括法蘭和閥門的終止端）涂上粘合劑后，用金屬圓擋板保護(hù)。圓擋板的搭接處用密封膠完全密封。

管道保冷絕熱包覆后的實(shí)物圖如圖3所示

7. 施工管理與檢驗(yàn)

保冷層的施工質(zhì)量對(duì)保冷效果的影響非常大，因此在施工過程中應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量管理和檢驗(yàn)，在施工過程中應(yīng)消除隱患（如填充不均、接縫不嚴(yán)、固定松散等缺陷），確保保冷結(jié)構(gòu)效果和壽命。除了上述主要要求外，還應(yīng)注意一些輔助性的控制點(diǎn)。

（1）所有的保冷施工應(yīng)在干燥的天氣環(huán)境下進(jìn)行。

（2）在進(jìn)行保冷安裝之前應(yīng)除去管道外表面的雜質(zhì)，如泥土、油脂和污垢，在需要涂漆處應(yīng)等油漆干了再進(jìn)行保冷施工。

（3）保冷材料在運(yùn)輸、儲(chǔ)存、現(xiàn)場施工的過程中應(yīng)保持干燥。

（4）在雨水可能進(jìn)入保冷層的地方應(yīng)用密封膠密封。

（5）每天施工結(jié)束時(shí)要對(duì)在現(xiàn)場安裝的所有保冷層覆蓋防潮層，如果尚未完成，應(yīng)采取臨時(shí)防潮、防雨措施。

（6）室外保冷結(jié)構(gòu)不應(yīng)在雨雪天施工，否則應(yīng)采取防雨、防雪措施。

（7）保冷施工必須嚴(yán)格按照規(guī)定驗(yàn)收，投用時(shí)應(yīng)進(jìn)行保冷效果的測(cè)試與評(píng)價(jià)。

8. 結(jié)束語

本施工工藝闡述了LNG管道保冷絕熱包覆的施工內(nèi)容、施工方法和注意事項(xiàng)等?？捎糜谑┕すと撕图夹g(shù)人員的學(xué)習(xí)參考，也可用于LNG管道保冷絕熱包覆的施工指導(dǎo)。按此工藝施工，可以減少絕熱材料的浪費(fèi)，減少因不合格而引起的返工，提高施工效率和質(zhì)量。達(dá)到縮短項(xiàng)目建造周期、降低建造成本的目標(biāo)，從而為企業(yè)創(chuàng)造更多效益。

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作者簡介：陳小毛（1984-），男，工程師，學(xué)士，從事船舶與海洋工程設(shè)計(jì)與制造工作。