大型FSRU超低溫管閥系統單元制作技術研究

姜云瑞，孟秀文，亢 國，蔡 巍

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大型FSRU超低溫管閥系統單元制作技術研究

姜云瑞，孟秀文，亢 國，蔡 巍

（大連船舶重工集團舾裝有限公司，遼寧大連 116013）

為了制定出“大型FSRU超低溫管閥系統研發與產業化”工藝技術，本文研究了超低溫不銹鋼管的加工工藝、加工流程、焊接方法及施工工裝；研究了超低溫不銹鋼管閥系統單元的安裝精度、定位精度控制方法；研究完成的大型FSRU超低溫管閥系統單元制作技術，形成大型FSRU 和LNG船等輸送低溫-196℃介質的超低溫不銹鋼管的加工能力及單元制作能力，實現了技術儲備，增強了企業創新驅動力。

FSRU 超低溫 管閥系統 加工制作 安裝

0 引言

LNG-FSRU (Floating Storage and Regasification Unit)大型海上天然氣浮式存儲和再氣化裝置，既具有運輸功能，可作為LNG 運輸船( 貨物圍護系統與現行的LNG 船相同)；又具有儲存功能, 可作為海上初加工平臺。超低溫管閥系統是LNG液貨運輸過程中必不可少的組成部分，最高工作溫度為120°C；對于薄膜型LNG-FSRU船，輸送介質的最低溫度為-196°C（液氮），工作壓力1.1 bar，管子規格在1/4〞~30〞，壁厚范圍為1~16.66 mm，因此對超低溫管閥系統單元制作技術的研究就更顯得尤為重要。

1 超低溫不銹鋼管閥系統單元的制作技術

1. 1 超低溫不銹鋼管加工流程研究

超低溫不銹鋼管加工流程如圖1所示。

圖1 超低溫不銹鋼管加工流程

1.2 超低溫不銹鋼管閥系統單元管路加工精度控制

根據WPS管子組對間隙3±1 mm的要求，對不同規格、壁厚管子焊接試驗采集焊接收縮量，統計出在一定焊縫間隙及焊接參數條件下的焊接收縮量（如表1）。最后管子可按照圖紙尺寸結合焊縫間隙和焊接收縮量采取無余量計算并切割下料，坡口加工采用帶有隨動切割裝置的切斷坡口一體機通過先用鈍邊刀具將其管端面加工垂直再加工坡口，將單元合攏管子長度累計誤差控制在±7 mm范圍內。

表1 低溫不銹鋼管的焊縫間隙及焊接收縮量統計表

1.3 超低溫不銹鋼管的切割工藝及設備

用帶鋸床切割管子時為了防止切屑和冷卻液進入管內，在管子切割線內側設置盲板，不得有間隙。切割結束后必須將管內切屑、油污、垃圾清理干凈，因此也不允許使用等離子切割，避免污染管內壁。DN300以上的管子是卷制而成，管子原材料圓度超差，造成用普通坡口機加工后的坡口鈍邊不均勻，而使用我們成功研制的帶隨動刀具的坡口機先用鈍邊刀將管端面加工垂直后再加工坡口，而且隨動刀具能跟隨管橢圓進行坡口加工（靠模式）確保坡口鈍邊尺寸處處一致，從根本上解決了管子存在圓度超差的情況下仍能保證管子坡口加工鈍邊均勻的技術難點。

1.4 超低溫不銹鋼管組對裝配工藝技術

由于管材和彎頭到貨時其圓度存在一定的制造公差，且多數管材和彎頭為卷制，因此在組對裝配時，管口端將產生一定的錯邊量。在本項目中我們成功研制出內脹式組對器，就是將兩個對接的管子或彎頭，在裝配時通過液壓內脹的方式對管口同時進行整圓，避免管口產生錯邊現象，保證車間內場組對管與管、管與彎頭裝配精度，從而保證焊縫根部成型質量，并大幅度提高裝配效率。

1.5 超低溫不銹鋼管裝配研究

低溫管裝配標準，見圖2。

1.6 超低溫不銹鋼管焊接內部充氬保護的方式

1.6.1在車間內場施焊時充氬對于小口徑（? ≤114.3 mm ）短尺寸管子可采取整管兩端封堵，一端進氣，一端出氣，中間待焊接的對口用膠帶纏繞，見圖3。對于大口徑，長距離對口焊兩端封堵內部充氬浪費極大，可采取充氬專用工裝，見圖4。

圖2 低溫管對接焊裝配間隙標準示意圖

圖3 車間制作管件充氬示意圖

圖4 單元安裝組焊長距離管件充氬示意圖

在車間內場進行長距離單元管子組裝焊接時充氬方式除圖4形式外也可以采用比較方便的水溶紙局部形成充氬室的方法。其水溶紙的特點是在焊接完后，水溶紙不必取出待進行水壓試驗或鈍化時水溶紙溶化并沖走。此方法適用于車間內場長距離連接對口焊和多彎頭對口焊，其操作方法如下：

1）將水溶紙剪成圓形，其直徑為管內徑加60 mm。

2）將水溶紙靠在管端，在上面標示出或用手按壓出管道內徑，然后沿壓線把紙的邊緣向后均勻折成90°角。將做好的水溶紙塞入管內約200~400 mm。（根據管徑大小）對于水平安裝的管子對口焊縫內的兩水溶紙上方各開一個排氣孔，孔的位置距上方紙邊緣約10~20 mm處。對于垂直安裝管子其內部水溶紙排氣孔在焊縫排氣上側的水溶紙圓心處。

3）水溶紙必須用其配套的可溶于水的膠帶粘封好。

4）由于在實船單元之間連接的對接管路不采取水壓試驗，而采取密性試驗。所以就不能采用水溶紙形成氣體保護空間焊后靠水壓試驗將其沖洗掉的方式。可以采用適應長距離管路對接充氬專用工裝進行內部充氬保護焊接，見圖4。

不論采用水溶紙局部充氬保護和整管充氬保護在施焊前必須使用“氧氣濃度測量儀”檢測管子內部保護氣體是否達到氧氣濃度小于1%以下的標準后方可正式施焊。

在采用水溶紙進行局部充氬保護后正式施焊時由于充氬針狀嘴是由管外側插入焊接起始點的對面密封膠帶中，當焊接從起始點兩側焊接快到針狀嘴附近時應有一名焊工配合迅速拔出針狀嘴，讓原焊工繼續完成缺口焊接。

第一遍氬弧焊打底結束后，當進行第二遍填充焊時會對第一遍打底焊縫重復加熱發紅，在沒有充氬保護的情況下形成氧化。所以考慮管焊縫受熱、散熱與管口徑和壁厚關系規定D＞114.3 mm的管子采用水溶紙局部充氬保護方式，D≤114.3 mm的管子可采用整管充氬保護方式，都打底焊完成后當進行第一層填充焊時仍需充氬，后續填充焊不用充氬。

1.7 超低溫不銹鋼管的焊接方式方法

焊接前一定要檢測管內保護氣體是否達到施焊標準（氧氣濃度1%以下）。

第一層打底焊完成時，若發現焊接缺陷需要打磨消除，打磨后清除進入管內部切屑和粉末。

電極（鎢極）如果在起弧或焊接過程中碰到母材，應立即停止焊接，用打磨機向接觸范圍打磨，且打磨范圍應大于接觸范圍。在根部焊接時，為防止磨屑從坡口進入管內，用膠帶封住開口處。

接頭重疊部位在焊接前必須仔細打磨拋光，而且焊絲端頭也應打磨或拋光。接頭連接起弧處應在接頭弧坑邊緣10 mm處引弧，收弧應在超過接頭10 mm處停止。

焊縫表面外凸而兩側出現深溝不利于第二層焊縫的焊接，見圖5，而且容易形成夾渣等缺陷。為此對這種焊縫應用打磨機將焊縫修正平整光順后再焊接。

圖5 出現焊接缺陷示意圖

當第一層打底焊結束后，因為在焊縫表面生成了薄薄的氧化膜，必須拋光處理。此項作業絕對不允許省略，否則在有氧化膜的狀態下焊接會產生熔合不良、夾渣等缺陷。

焊根處和熱影響區氧化。這種缺陷是因背部氣體保護不足所致。當焊接時管材受熱并使熱影響區（升溫到400℃以上區域）生成厚的氧化層，其顏色輕度氧化為淺褐色，中度氧化為深蘭色，重度氧化為黑色。氧化層和其變色部位應使用噴砂或磨削及酸洗方法處理。

1.8 管裸端壓力試驗所用泵壓裝置

根據詳細設計要求及管路設計形式，管路多為對口焊連接，這樣管子在加工過程中，會存在大量的裸端管件，即不帶法蘭的管件。裸端管件進行密性試驗，試驗需將管子兩端進行封堵，方能進行。多規格組合式管裸端泵壓裝置的設計，本著方便、快捷、實用、高效的特性。

圖6 多規格組合式管裸端泵壓裝置設計示意圖

1.9 滑動型不銹鋼管支架（GTT公司專利產品）的安裝定位

先采用定基點、找水平、畫地線、加墊板、加梯形工裝、加拉筋，保證框架精度，安裝精度控制在±2 mm范圍內；再根據圖紙在框架上面畫線，然后敷設支架墊板，用不銹鋼焊條進行點固焊。支架墊板分為三層，將最上層聚四氟乙烯墊板拆下，再進行最下層墊板的焊接，避免焊接損傷聚四氟乙烯墊板。最后再根據畫線位置確立兩側立柱并進行焊接。

1.10 超低溫不銹鋼管安裝順序及方式

根據單元上管子的焊接位置以及設定嵌補管的條件對設計管路中各單根管重新劃分組對，減少了單元上的對接口的全位置焊接。將單元管路分為兩部分進行安裝，一是整路管子絕緣包覆好后，將卡箍直接安裝到管路上面直接吊運安裝定位。二是復雜帶單元對接口的管路卡箍定位后一半預先安裝到滑動型不銹鋼管支架上，再采用兩臺吊車將管路吊到框架上面，另外一半卡箍安裝上去，然后再整體包覆絕緣。

1.11 單元上超低溫不銹鋼管對接口裝配工藝技術

研制面矯圓工裝和點矯圓工裝，進行管子和附件的圓度矯正，提高焊接質量解決單元上的管子對接口組對錯邊的技術難題。

2 結論

研究完成的大型FSRU超低溫管閥系統單元制作技術，為大船集團填補了超低溫不銹鋼管加工和單元制作空白，形成大型FSRU 和LNG船等輸送低溫-196℃介質的超低溫不銹鋼管的加工能力及單元制作能力，實現了技術儲備，增強了企業創新驅動力。

[1] 魯欣菂, 李軍, 姜云瑞, 趙寅妮. LNG船科研專項—超低溫管系加工技術研究[C]. 2014中國大連國際海事論壇論文集. 大連: 大連海事大學出版社,2015: 80-84.

[2] 中國船舶工業綜合技術經濟研究院等編制. 中國造船質量標準[S]: GB/T 34000-2016, 2016.

Research on Unit Production Technology of Lager FSRU Ultra-low Temperature Pipe Valve System

Jiang Yunrui, Meng Xiuwen, Kang Guo, Cai Wei

(Dalian Shipbuilding Industry Outfitting Co. Ltd., Dalian 116013, Liaoning, China)

TH16

A

1003-4862（2018）08-0009-04

2018-04-05

姜云瑞（1979-），男，高級工程師。研究方向：船舶動力裝置。E-mail: yunrui_2001@163.com