雙燃料船LNG管路制作與安裝

方云虎，芮曉松，刁海兵

(1.中船鼎衡造船有限公司，江蘇 揚州 225000；2.江蘇科技大學，江蘇 鎮江 212003)

0 引言

雙燃料船舶具有高技術、高難度、高附加值的特點，其LNG(Liquefied Natural Gas)系統從液罐到PR室間的管路必須在-163 ℃低溫下運輸液化氣。LNG的低溫特性易使管路的有關金屬部件產生脆性破裂，因此對其運輸管路的焊接質量，以及管路的清潔度要求比一般船舶的要求更高，相關研究也正在蓬勃發展[2]。本文重點論述提高制冷管路焊接質量的工藝方法。該工藝采用氮氣壓力試驗的方法確認管路強度和質量，使用爆破吹掃法提高管路清潔度，以對比試驗的方法確定管路干燥方式，并以此為依據完成雙燃料船的LNG管路制造、安裝工作。

1 不銹鋼管路的焊接工藝和檢驗標準

1.1 焊接工藝

雙燃料船不銹鋼管系的焊接方式采用手工鎢極氬弧焊(TIG)，使用純度不小于99.99%的工業純氬。鎢極焊焊絲使用直徑為1.6～3.2 mm的氬弧不銹鋼焊絲。

焊接質量關鍵控制點如下：

(1)不銹鋼作業與碳鋼作業區應嚴格隔離，保證工作場地干凈無灰塵和無碳鋼粉塵。

(2)任何用于不銹鋼焊接的工具不能用于碳鋼操作，并且要求嚴標識區分。

(3)焊接前要充分沖入保護氣體；焊接完成后焊槍不能立即提起，至少持續停止5～6 s，以達到滯后氣體對焊縫的保護作用。焊接前對焊接管道內充氬氣1～2 min，一般流量為8～10 L/min。

(4)焊角尺寸與焊材壁厚相同。當壁厚大于3 mm時采用多道焊縫，小于等于3 mm時同樣開坡口多道焊縫。

1.2 焊接完成后的檢驗標準

(1)不銹鋼管路系統焊縫編碼代碼唯一。

(2)拍片規則：要求1級管外徑大于76.1 mm的100%拍片；要求外徑大于101.6 mm的2級管和外徑小于76.1 mm的1級管10%拍片。

(3)拍片記錄具有可追溯性，且記錄文件保存時間為3 a。

(4)無法進行射線探傷的管路采用著色探傷。

管路制作檢驗完成后進行整體酸洗鈍化等工作，然后將兩端封口并在外表面做好涂裝和三防布保護，等待上船安裝。

2 LNG系統管路安裝

2.1 安裝特點

(1)LNG系統管路采用對接焊接，與設備連接處采用兩片凹面法蘭+核級石墨墊片+定距環的連接方式。

(2)LNG系統管路存在溫度差，導致管路膨脹和收縮，所以安裝要求比較高，孔圓中心偏差最大不能誤差0.5 mm。

(3)LNG系統儀表管、負荷控制管采用雙卡芯卡套連接，以保證氣密性。

2.2 強度和密性實驗

管路安裝完成后，用氮氣對LNG系統管路進行壓力和密性試驗。試驗時，應斷開相關儀表和設備。

壓力試驗程序如下：

(1)參與壓力試驗的所有管路串成臨時的管網，初步加壓到1.7 Pa，或者25%的設計壓力。對整個管網進行查漏，并對泄露點進行處理。

(2)以25%的加壓速率每隔10 min對管路進行升壓直到試驗壓力。

(3)到達試驗壓力后維持30 min，在此期間不允許對管路進行檢查。全部過程采用壓力記錄儀進行壓力記錄。

(4)降低試驗壓力到系統工作壓力，對管路及焊縫進行外觀檢查有無開裂和變形。

(5)降低試驗壓力到1 Pa時，用肥皂水對焊縫和連接法蘭處進行密性檢查。

(6)任何泄露的修復都必須重新進行試驗。

2.3 LNG系統的清潔

(1)前期階段應做好管段的清潔和保護工作。

(2)安裝過程中特別是船上焊接部位完成焊接后的局部清潔。

(3)管路安裝完成后對系統加壓并進行爆破清潔法。

2.3.1爆破吹掃的原理

爆破吹掃是將管路一端用比管道強度低得多的爆破片封閉。當系統壓力逐漸升高到達爆破片所能承受的最大壓力時，爆破片突然爆裂，系統中的壓縮氣體瞬間從爆破口以很高的速度噴出。同時，管道內的雜物伴隨管道的震動和高速氣流的沖擊從爆破口噴出。通過反復幾次的操作達到對管路進行清潔的作用。另一端通入壓縮氣體，通入的壓縮氣體通常為干燥的氮氣。吹掃過程的關鍵是要根據系統管路的布置特點選擇合適的注入點和爆破口，建立合理的吹掃方案。爆破吹掃的原理如圖1所示。

圖1 爆破吹掃原理

2.3.2爆破吹掃的基本步驟

(1)安裝隔離盲板，隔離不能吹掃的孔板、流量計、閥門、傳感器、設備等。

(2)需要臨時配管的地方安裝臨時接管，并安裝好相應的壓力表和閥門。閥門最好選擇快開閉形式的閥門。

(3)給氣點用盲板或者現場加工的鋼板隔離封堵。板子厚度根據壓力情況選擇。

(4)安裝爆破片。本項目爆破片選取4 mm耐油橡膠紙板墊片。

(5)在距離爆破口適當的位置設置隔離屏障。

(6)開閥從充氣口充氣。爆破點壓力根據現場操作經驗，一般控制在0.6～0.8 MPa。

(7)可在隔離屏障上設置一塊濕潤的白布。通過觀察白布上的雜物情況來判斷管路吹掃的效果，通常進行2～3次。

2.3.3爆破吹掃的安全注意事項

(1)爆破口前方嚴禁人員走動，周圍應做好一切事物的防護措施。

(2)每次爆破前應檢查所有管路設施等。

(3)任何人不得隨意操作閥門，拆卸松動法蘭等，所有操作必須有統一指揮。

(4)管道的爆破吹掃壓力不能超過管路的最大允許使用壓力。

管道清潔完成后恢復所有的管道連接，盲板的位置應做好標記。所有工作完成后，拆除安裝的試驗儀表，重新連接設備，并對整個系統用1 Pa的壓力重新進行一次密性試驗。同樣用肥皂水檢查所有的連接部位，確保整個管路系統的密性。

3 LNG系統管路的處理

3.1 LNG系統管路的干燥

3.1.1LNG系統管路干燥的必要性

LNG系統管路在制作和運輸過程中與空氣接觸后會含有少量水汽，在LNG注入后，溫度自然降低。當溫度降至0 ℃以下時，水汽會在管壁上直接凝華而迅速結冰，在LNG管路狹窄處就會形成堵塞，這就是所謂的“冰塞”現象。“冰塞”現象發生后，LNG輸送及再汽化效果下降，整個系統的循環量和再汽化蒸發量將減少，LNG向主機供氣量緩慢下降。如果“冰塞”嚴重或未及時消除，將使LNG輸送系統不能工作，造成主機無法在燃氣模式下進行工作。系統停止工作后，一部分冰將融化。壓縮機啟動后，隨著LNG氣體的循環流動，系統中水分重新凝結成冰而形成“冰塞”，周而復始形成惡性循環，使壓縮機啟停頻繁，系統無法正常工作，并嚴重影響壓縮機的使用壽命。因此，LNG系統管路的干燥除水是整個LNG系統正常工作的關鍵的一步。

3.1.2LNG系統管路干燥的常用方法

(1)真空干燥法

用真空泵從系統內抽氣，直到在環境溫度下的飽和蒸氣壓，使系統管路內的水蒸發，并抽出管路，達到干燥目的。在對系統管路抽真空的同時，對壓縮機、管路等部件加熱升溫。為防止抽濕時系統真空度升高過快及真空度過高造成水分易于結冰，不宜采用過大的真空泵。最好用6～8 L/s之間的大真空泵進行抽空，抽空的時間約為4 h。

(2)氟氮氣沖吹法(也稱氟氮氣脫水法)

系統管路抽空后，給管路充入一定壓力的制冷劑或干燥的氮氣，然后啟動壓縮機5～10 min，再將系統內已吸收了部分水分的氟或氮氣放出，如此反復2～3次便可排除水分。

LNG系統管路相對較短，管路總容積小，適合采用真空干燥法。

3.2 LNG系統抽真空

真空泵的作用是從真空室中抽除氣體分子，降低真空室內的氣體壓力，使之達到要求的真空度。為達到最佳配置，選擇真空泵時，應先確定工作環境溫度、需要達到的要求真空度(即飽合蒸氣壓)和真空度的時間。

3.2.1真空泵的選型計算

泵吸口流量[3]按式(1)計算：

S=V/tln (P1/P2)

(1)

式中：S為泵的吸口流量，L/s；V為管路總體積，V=2 000 L；t為排氣時間，t=1 800 s；P1為初始系統真空度，P1=100 kPa；P2為要求真空度，P2=0.87 kPa。

經過計算：S=7.68 L/s，所以選取泵理論排量范圍為6～8 L/s。

由于在系統管路抽真空過程中，會降低管路溫度并影響環境溫度，實際施工過程中利用暖風機向壓縮機房送暖風，并在壓縮機房增加20盞太陽燈，以提高環境溫度。

根據以上計算的泵口流量，真空泵選用的主要技術參數要求如下：

(1)抽氣速率6～8 L/s。

(2)配真空電磁閥。

(3)配真空表2只(帶壓力表閥)。

(4)配氣鎮閥。

(5)電制220 V。

真空泵與LNG系統管路連接管采用KF接頭軟管。KF具有便捷快接特點，方便施工中的頻繁拆卸，同時軟管可以吸收真空泵運轉時候帶來的振動。

3.2.2抽真空的實際操作流程

(1)檢查整個系統的完整性，有無臨時開口需要封閉。所有管路的閥門打開，確保整個管路系統都能抽吸真空。

(2)關閉泄放閥門，連接真空泵與油氣分離器的泄放口。

(3)在系統管路的進口處設置2個真空記錄點安裝無紙記錄儀和真空傳感器。

(4)試運行真空泵，觀察真空泵運行是否正常，真空建立情況是否正常。

(5)不停泵，打開泄放閥門對系統抽吸真空。

(6)在抽吸真空的過程中，通過真空記錄儀和相應的傳感器觀察系統真空建立情況。

(7)接近要求真空度后，先關閉閥門再停止運行真空泵，以防止先停泵后關閥造成的真空失效。

(8) 停泵并監測壓力(24 h)。

3.2.3安裝臨時拆卸附件

抽吸真空干燥工作結束后，需要安裝臨時拆卸的膨脹閥等附件，為正式加注前的二次真空作業做好準備。

3.2.4LNG的加注

(1)在系統注入口前增加1套制冷劑干燥器和潮氣觀察鏡。

(2)當系統壓力與瓶內壓力平衡時，可采取電熱毯加熱的方法以提高瓶內壓力并持續對系統進行加注。

(3)可以加注完成后，關閉加注閥，拆卸相關的連接管路，觀察系統各連接部位的情況。

4 結語

(1)真空泵與LNG系統可采用KF接頭軟管。KF軟管可避免頻繁拆卸，軟管能吸收真空泵運轉時產生的振動。

(2)使用干燥的氮氣進行吹掃對抽吸真空除水是有幫助的。

(3)運用“浸透”試驗方法判斷干燥度是否達到要求。

另外，通過計算確定真空泵的選型，以保證LNG加注的安全以及系統運行的安全。