低溫管道設計在液化天然氣氣站中的應用

高盼 余道丞

【摘?要】天然氣是一種優質高效的清潔能源。加快發展天然氣產業，提高天然氣在一次能源消費中的比重，是貫徹落實創新、協調、綠色、開放、共享五大發展理念的必由之路。液化天然氣氣化站是將液化天然氣轉化為氣態天然氣的場所。其工藝流程是通過卸車平臺上的卸車增壓器對槽車儲罐加壓，利用壓差將LNG卸至低溫儲罐，LNG氣化時，由儲罐增壓器加壓，自流進入氣化爐。站內天然氣管道是連接各裝置的重要組成部分，直接關系到各裝置的能效、安裝、維護、檢修和人民生命財產安全。

【關鍵詞】低溫管道設計;液化天然氣氣站;應用;分析

1管道設計參數選取

1.1設計溫度的選取。

LNG在常壓下的沸點約為-162℃，系統試運行時要先灌注液氮冷管排除空氣，因此氣化站工藝系統內管道的設計溫度一般定為液氮在常壓下的沸點-196℃。

1.2設計壓力的選取。

站內調壓橇前天然氣管道設計壓力為1.2MPa，調壓橇后管道設計壓力為1.0MPa。

2鋼管的低溫脆性。

如果不及時清理管道內的污水，當溫度降到0℃以下時，會造成管道膨脹開裂，阻礙管道內水體的排放，因此必須提前對污水管道進行必要的保溫處理。在冬季，由于供熱需求，管道內會有連續的天然氣流動，這一過程產生的熱量可以保證管道不會因低溫而發生脆性斷裂。但是，在特殊情況下，如發生事故或執行必要的維護任務時，需要停止管道中的天然氣供應，此時溫度會迅速下降，導致管道因溫度過低而出現問題，因此，設計人員需要對管道材料進行篩選，并與制造廠協商，以確保材料滿足必要的韌性要求，避免因低溫引起管道脆斷，減少不必要的經濟損失和維護費用。盡管如此，仍有部分地區氣溫出現快速下降，當管道材質不能滿足溫度突變的要求時，仍需采取必要的保溫措施，并及時監測管道溫度，以保證管道性能的正常化。當保溫措施不能避免管道材料的脆性斷裂時，應考慮管道應力比的概念。根據管道低溫沖擊試驗，當管道內溫度應力比發生明顯變化時，可調整溫度范圍，避免低溫沖擊破壞和脆性斷裂。ASME鍋爐及壓力容器可正常使用，也可參照上述壓力容器變更概念。

綜上所述，對于特殊區域需要停車、運輸和排空的管道，在運行的同時應滿足以下條件：（1）保證管道內和設備間產生的組合應力保持在最小值，在溫度急劇下降的情況下，此時脆性斷裂的風險將顯著降低。（2）檢修后，需要在輸氣前提前對管道進行溫度調整，使管道溫度達到必要的溫差要求。保溫延緩了管道的脆性斷裂，給維護留下了更多的時間，如果這樣仍然不能在規定的時間內完成維護，下一步仍然需要完成。

3管道材料。

為了實現設計的應用價值，必須提高材料的應用效率，通過科學的選材，才能不斷提高設計水平。從實際分析，當溫度達到超低溫（-162℃）的相關溫度時，在選擇管道時應充分考慮材料的低溫韌性和耐腐蝕性，并考慮材料的膨脹系數，為了了解碳鋼和低合金鋼在低溫環境下韌性的變化，如果超低溫使其失去韌性，就不能用于氣化站的輸送系統。經過大量的數據對比和材料篩選，9%的鎳鋼、鋁合金和奧氏體不銹鋼在低溫下都能保持良好的韌性，但其性能有顯著差異。隨著生產工藝的成熟和快速發展，奧氏體不銹鋼具有更高的耐蝕性，廣泛應用于各種低溫環境。雖然9%鎳鋼的整體性能優于其他材料，但我國生產工藝流程受阻，導致整體成本過高。分析上述材料數據并不困難。當管道介質溫度低于-20℃時，可考慮采用不銹鋼無縫管，材質為06Cr19Ni10。當管道內部溫度高于-20°C時，應根據公稱直徑選擇管道。

4管道保溫設計

4.1保溫材料的選擇。

不同的工程對保溫材料有具體的要求，根據不同的現場對保溫材料進行篩選，選擇保溫材料的過程中要滿足以下條件：本身具有較強的保溫性能，導熱系數低;耐火性較高，吸水性和滲透性較低，在某些情況下使用時可能需要承受外部強大的壓力，因此材料本身應具有足夠的耐壓性，不易損壞;較低的熱膨脹系數也保證了材料在超低溫和室溫下的穩定性;液化天然氣管道的選擇是為了安全，奧氏體不銹鋼，保溫本身需要低氯化物;保溫需要足夠穩定，以用于更多的化學性質;絕緣材料易于加工、切割，應考慮其可重復使用的能力。我國大多數接收站選擇異氰脲酸酯泡沫作為保溫材料，這與其穩定性有關。通過兩種材料在特定催化劑作用下的反應，獲得了閉孔結構的硬質保溫材料，為我國的內部工程建設提供了很大的幫助。2007年前后，我國對PAI的生產工藝已基本了解，生產指標和最終獲得的原料也達到了Cini 2.7的要求。

4.2絕緣設計。

根據不同部位的保溫要求和使用特點，進行LNG冷保存時優先選用成本較低的材料。分析了Pir的保溫結構，該結構是在Pir上涂上玻璃纖維帶和必要的保護層，然后用不銹鋼板進行保護。

5LNG管道的布局設計

應保持必要的氣體循環，在LNG管道設計中不應采用袋式設計模式。為了完成污水的排放，必須使局長保持一定的角度，這個角度要視環境和使用要求而定。液化天然氣管道敷設在整條管道的較低位置，避免管道泄漏造成不必要的損失?？h與縣之間的位置和距離要提前設定，這樣敷設既能避免相互干擾，又能保證管件的完整性。在管道設備的使用過程中，采用柔性布置可以避免管道受挫，減少堆芯載荷和扭矩問題。柔性設計的條件是：有足夠的強度支承支架和導向支架作為支撐，各結構相互配合，最終按方案完成設備進出口管道的柔性安裝。為了增加管道的使用長度，避免接頭處發生脆性斷裂，應充分利用t形、Z形等靈活的布置技術，使管道在特定位置得到補償，減少因多匝而降低管道柔度系數的問題。

6管絕熱冷卻的設計與分析。

LNG低溫管道保冷后可分為三種：真空管道、三聚聚酯泡沫（Pir）和泡沫玻璃（CG）。Pir本身具有低密度和導熱性，可以在超低溫環境下使用，也可以根據要求進行特定的韌性變化，但其耐火性較低，同時吸水性能有限;泡沫玻璃材料具有防水、耐高溫的優點，不燃，收縮率低，但由于制造工藝的限制，這種材料的整體成本較高。根據不同管路的要求，在布置真空管路時，應提前做好管路的布置。同時采用多纏繞的方式使管道具有更好的冷卻效果，維護安裝更方便，相應的缺點是成本較高，取材難度較大。根據目前經濟支出的需要，管道敷設應盡量選用PIR材料，以使成本最低。

7結論

在分析低溫管道設計過程中，應根據天然氣站的實際運行情況，采用更有效的設計方案，實現設計的高效應用。希望本文的進一步研究能為相關設計人員提供有效的參考，從而不斷提高低溫管道的設計水平。

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（作者單位：1.中國石化青島液化天然氣有限責任公司;2.山東實華天然氣有限公司）