高維剛，張志峰

（中海浙江寧波液化天然氣有限公司，浙江寧波 315800）

1 概述

浙江LNG 接收站一期共有3 臺超聲波流量計(jì)，設(shè)備位號FT08402A/FT08402B/FT08402C，主要用于高壓外輸天然氣管網(wǎng)貿(mào)易計(jì)量[1]，單臺流量計(jì)最大外輸流量4.4×107m3/h，每兩年需下線外送校檢一次，為此特備一臺超聲波流量計(jì)FT08402D 用于校驗(yàn)時(shí)替換，計(jì)量橇主要設(shè)備見表1。其中，橇座1 重49 100 kg，橇座2 重38 700 kg，總重87 800 kg。

表1 計(jì)量橇主要設(shè)備

進(jìn)氣匯管與外輸匯管為ASTM 36″ 900# API 5L，X70，通過3 條ASTM 12″ 900# A106B[2]外輸管道與外輸匯管連通，并聯(lián)連接形式。超聲波流量計(jì)分別通過閥門、整流柵短管安裝在3 條外輸管道上，每條外輸管道可獨(dú)立工作并通過球閥進(jìn)行切換，整體橇裝結(jié)構(gòu)簡稱計(jì)量橇。

超聲波流量計(jì)（USM）為計(jì)量橇上的關(guān)鍵設(shè)備，連接管道、整流柵短管、超聲波流量計(jì)平面法蘭連接形式，采用石墨纏繞墊片密封，由于計(jì)量橇為整體橇裝結(jié)構(gòu)，管線、閥門、流量計(jì)設(shè)計(jì)空間緊湊、管道應(yīng)力較大，單條外輸管道設(shè)備拆裝困難，一般采取在中斷天然氣外輸情況下，對整個(gè)外輸管線吹掃置換合格后，分別拆開相鄰流量計(jì)法蘭消除管道應(yīng)力后，方可進(jìn)行流量計(jì)的替換作業(yè)。圖1 為計(jì)量橇設(shè)備布置圖。

圖1 計(jì)量橇設(shè)備布置圖

2 故障現(xiàn)象

2019 年對超聲波流量計(jì)FT08402B 下線校驗(yàn)拆卸過程中，由于管道存在較大應(yīng)力拆卸困難，考慮到管道應(yīng)力過大，于是關(guān)閉運(yùn)行中的A 條外輸管線，將相鄰的超聲波流量計(jì)FT08402A 法蘭拆開，但管道應(yīng)力仍然較大，采用法蘭分離器進(jìn)行強(qiáng)力拆卸，最終導(dǎo)致超聲波流量計(jì)法蘭密封面和整流柵短管法蘭密封面產(chǎn)生劃傷損壞（圖2、圖3）。

圖2 超聲波流量計(jì)法蘭密封面損壞

圖3 整流柵短管法蘭密封面損壞

3 問題分析

3.1 存在的問題

（1）計(jì)量撬中進(jìn)氣匯管與外輸匯管通過3 條外輸管道并聯(lián)連通，整體橇裝，結(jié)構(gòu)緊湊，3 條管道與匯管安裝之間距離較近，單獨(dú)拆卸某一條外輸管道連接設(shè)備時(shí)受相鄰管道應(yīng)力影響較大。

（2）設(shè)備配管安裝初期，雖然3 條外輸管道并聯(lián)結(jié)構(gòu)管道長度相近，但3 條管道安裝過程中管道長度受匯管影響也有差異，再加上外輸管道應(yīng)力釋放和法蘭螺栓扭矩的不同，3 條管道存在的應(yīng)力也不相同。

3.2 法蘭密封面損壞分析

（1）為提高測量的準(zhǔn)確性，將超聲波流量計(jì)FT08402B 整流柵短管安裝完成后，現(xiàn)場實(shí)測兩法蘭最小距離為890 mm（圖4），超聲波流量計(jì)FT08402B 最大尺寸為885 mm（圖5），兩側(cè)法蘭均安裝兩個(gè)金屬纏繞墊，單個(gè)墊厚度4.5 mm，經(jīng)計(jì)算，超聲波流量計(jì)安裝所需最小間隙=流量計(jì)最大尺寸+兩端金屬纏繞墊厚度=885 mm+4.5 mm×2=894 mm，兩法蘭最小距離小于流量計(jì)安裝所需間距。

圖4 整流柵短管安裝后兩法蘭距離

圖5 FT08402B 流量計(jì)最大尺寸

（2）3 臺超聲波流量計(jì)、整流柵通過短管法蘭安裝在進(jìn)氣匯管與外輸匯管之間，石墨纏繞墊片密封要產(chǎn)生適度的壓縮量（厚度變?。瑏頋M足密封墊的預(yù)緊和確保法蘭密封性。各段管道安裝距離要大于法蘭螺栓緊固后的總長度，因此在沒有拆卸相鄰管道法蘭，進(jìn)行單一拆卸管道更換設(shè)備必定困難，強(qiáng)力拆卸甚至?xí)斐煞ㄌm密封面損壞。

由于計(jì)量撬為橇裝結(jié)構(gòu)，計(jì)量管道采用并聯(lián)連接方式，再加上超聲波流量計(jì)法蘭采用的石墨纏繞墊片密封形式，造成超聲波流量計(jì)安裝時(shí)兩法蘭距離要大于預(yù)緊后的法蘭距離，導(dǎo)致在不停天然氣外輸情況下，進(jìn)行超聲波流量計(jì)的下線校驗(yàn)作業(yè)無法進(jìn)行，即使在3 條管道外輸全停的情況下，拆卸相鄰管道和移動外輸總管和閥門工作量將成倍增加。

4 解決措施

4.1 管道預(yù)冷

為確保外輸量不受影響的前提下完成流量計(jì)回裝工作，實(shí)現(xiàn)單臺流量計(jì)的拆裝替換作業(yè)，擬采用溫差法解決管道應(yīng)力過大、安裝設(shè)備法蘭間距過小的問題，準(zhǔn)備對外輸管道實(shí)施干冰[3]（干冰是固態(tài)的二氧化碳，在6 250.549 8 kPa 壓力下，將二氧化碳冷凝成無色的液體，再在低壓下迅速凝固而得到-78.5 ℃）預(yù)冷。

4.2 預(yù)冷管道韌脆轉(zhuǎn)變分析

（1）待預(yù)冷管道材料ASTM A106B 屬于美標(biāo)無縫鋼管，類似于國內(nèi)的Q235 材料，C、Mn、Si 組的分抗拉強(qiáng)度等級415 MPa，溫度范圍-28.9～565 ℃。根據(jù)GB 50028—2019《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》第6.3.1 條[4]規(guī)定，地下次高壓B 燃?xì)夤艿酪部刹捎娩撎朡235 焊接鋼管。

（2）Q235 材料測試評估（拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、硬度、金相），溫度（15 ℃，0 ℃，-10 ℃，-20 ℃，-30 ℃，及-30 ℃恢復(fù)到常溫后測試）測試結(jié)果如下：①屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨溫度降低變化不大；②布氏硬度值基本穩(wěn)定；③每個(gè)試樣經(jīng)過低溫48 h 后沖擊值都有明顯下降趨勢。

試樣從-30 ℃恢復(fù)到常溫后的沖擊值則有所上升，不同溫度下試樣沖擊功測試值見表2。

表2 不同溫度下試樣沖擊功測試值

從微觀力學(xué)來解釋，材料的斷裂強(qiáng)度受溫度影響較小，降溫時(shí)屈服強(qiáng)度升高，當(dāng)在某一溫度下屈服強(qiáng)度與斷裂強(qiáng)度相等時(shí)，這個(gè)溫度就是韌脆轉(zhuǎn)變溫度[5]。金屬材料在低溫環(huán)境的裂紋擴(kuò)展特性與材料本身的韌脆特性以及裂紋擴(kuò)展機(jī)制有密切的聯(lián)系，低溫冷處理作為一種有效提高金屬材料疲勞性能的方法，低溫環(huán)境能夠改變材料的微觀結(jié)構(gòu)從而降低裂紋擴(kuò)展速率，已經(jīng)廣泛的引起人們的關(guān)注，并逐步成為低溫疲勞的熱點(diǎn)問題[6]。

4.3 現(xiàn)場測量

經(jīng)過對計(jì)量橇現(xiàn)場實(shí)地測量，每條外輸管道分為3 段，均為ASTM 12″ 900#法蘭連接形式，其中超聲波流量計(jì)整流柵短管長3000 mm，其余連接管道長度分別為3000 mm 和8000 mm，考慮到法蘭尺寸，實(shí)際待預(yù)冷管道長度為2500 mm、2500 mm、7500 mm，預(yù)冷管道總長=12 500 mm，實(shí)施預(yù)冷管道見圖6。

圖6 預(yù)冷管道分布情況

4.4 管道收縮量計(jì)算

預(yù)冷管線材料ASTM A106B，查表A106B 材料線膨脹系數(shù)[7]＆=11.5×10-6，環(huán)境溫度t1=30 ℃，預(yù)冷溫度t2=-10 ℃，預(yù)冷管線總長度L 減去法蘭長度=12 500 mm，需要管線收縮量δ=4 mm，溫差Δt=t1-t2=40 ℃。計(jì)算公式為δ=＆×L×Δt ℃，則δ=11.5×10-6×12 500 mm×40 ℃=5.75 mm。

預(yù)冷溫度-10 ℃時(shí)管道收縮量為5.75 mm 大于需收縮量4 mm，滿足兩法蘭間距894 mm 所需安裝流量計(jì)尺寸要求和安裝條件。

5 具體實(shí)施情況

5.1 預(yù)制套管

3 段預(yù)冷管道為ASTM 12″ 900# 管表號80，管道外徑383 mm，長度分別為2500 mm、2500 mm、7500 mm，采用厚度1.2 mm 鍍鋅鐵皮根據(jù)待預(yù)冷管道外徑預(yù)制套管，套管與管道間留有一定的環(huán)形空間腔室，套管上預(yù)留多個(gè)Φ30 mm干冰加注孔，外部纏繞保溫材料，具體尺寸見圖7，預(yù)冷套管安裝見圖8。

圖7 干冰冷縮套管尺寸

圖8 預(yù)冷套管安裝

5.2 預(yù)冷時(shí)間估算

預(yù)冷管道所需冷卻時(shí)間按式（1）計(jì)算[8]。

式中 t——冷卻時(shí)間，min

α——冷卻劑及被冷卻件的材料綜合系數(shù)，本文取1.2

δ——預(yù)冷管道最大厚度（ASTM 12″ 900#管表號80 取壁厚18 mm），mm

計(jì)算得出t=21.6 min，此值為估算值（與干冰填充量、速度有關(guān)），最終應(yīng)與實(shí)測法蘭距離滿足安裝需求為準(zhǔn)。

5.3 裝配工藝

（1）將整流柵短管安裝好，同時(shí)在3 段預(yù)冷管道上安裝預(yù)制套管和保冷材料（圖9）。

圖9 現(xiàn)場管道預(yù)冷

（2）在不安裝墊片情況下將超聲波流量安裝至短管法蘭之間，并裝入連接法蘭下半部1/2 螺栓，檢測兩法蘭之間距離并記錄。

（3）檢測兩法蘭之間距離，如果不能滿足單側(cè)法蘭墊片安裝條件，再次填充干冰直至滿足墊片安裝條件。

（4）單側(cè)法蘭墊片安裝后應(yīng)立即上緊螺栓，這樣有利于另一側(cè)法蘭墊片安裝。

5.4 裝配要點(diǎn)

（1）預(yù)冷過程中要時(shí)刻檢測預(yù)冷管道溫度，避免造成預(yù)冷溫度過低現(xiàn)象，能滿足一側(cè)墊片安裝，應(yīng)盡快安裝。

（2）預(yù)冷過程中干冰分3 次填充和量的控制，并控制預(yù)冷時(shí)間避免預(yù)冷速率[11]過快。

（3）預(yù)冷過程中時(shí)刻檢測兩法蘭之間距離變化，滿足墊片安裝條件快速插入墊片。

（4）法蘭緊固按ASTM 標(biāo)準(zhǔn)[12]分3 次進(jìn)行，力矩分別為50%、70%、100%。

采用上述方案，安裝設(shè)備前對管道實(shí)施預(yù)冷達(dá)到安裝條件，順利完成了超聲波流量計(jì)的替換作業(yè)，不僅保證外輸量不受影響，同時(shí)保證了流量計(jì)及管道法蘭面的完好性。

6 結(jié)束語

在某些特定條件下利用冷媒對管道進(jìn)行預(yù)冷，通過計(jì)算和控制管道冷縮量安裝管道設(shè)備，提供了一種全新的拆裝方法，該方法具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、安全可靠、省時(shí)省力，同時(shí)確保安裝質(zhì)量。