預(yù)保冷技術(shù)在LNG 低溫管道的應(yīng)用及前景

王海萍 曲 超 冉慶富 崔艷紅 王 乾

（海洋石油工程股份有限公司）

天然氣是目前使用最為廣泛的清潔能源之一，近年來我國大力倡導(dǎo)使用天然氣，并在沿海、沿江地區(qū)大力修建液化天然氣（LNG）接收站等項目。 這促進(jìn)了LNG 相關(guān)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，同時也對LNG 相關(guān)低溫管道和設(shè)備（設(shè)施）的安全性和高效性提出了更高的要求。

LNG 低溫管道、儲罐及其他設(shè)備（設(shè)施）長期在低溫工況下運行， 管內(nèi)介質(zhì)LNG 一般呈低溫液態(tài)，外界熱能一旦侵入，就很容易使之汽化，進(jìn)而使單相液流變?yōu)闅庖簝上嗔鳎瑢?dǎo)致局部管段壓力增大，流量減小，甚至發(fā)生氣塞，嚴(yán)重影響LNG的正常輸送和安全生產(chǎn)。 因此，必須采取有效保冷措施以減少周圍環(huán)境中的熱量傳入設(shè)施內(nèi)部，防止設(shè)施外壁凝露，從而有效保護(hù)低溫設(shè)施中的冷量不散失。

在此， 筆者介紹一種新型LNG 低溫管道預(yù)保冷技術(shù)，從保冷結(jié)構(gòu)、施工工藝、配套低溫支架的設(shè)計及應(yīng)用范圍等方面進(jìn)行介紹，并就技術(shù)安全性、施工便捷性及成本造價等方面將該管道預(yù)保冷技術(shù)與傳統(tǒng)保冷方式進(jìn)行對比，最后對其進(jìn)行前景展望。

1 LNG 低溫管道預(yù)保冷技術(shù)

1.1 整體施工順序及進(jìn)度

傳統(tǒng)保冷施工是在管道完成安裝、 焊接、無損檢測及試驗吹掃等工作后，才開始進(jìn)行的（個別項目也可以在壓力和泄漏試驗前進(jìn)行保冷施工， 但焊接接頭和在試驗期間需要檢查的部位應(yīng)裸露在外），整個施工環(huán)節(jié)進(jìn)度靠后，工作量集中。 同時，施工地點只能是露天現(xiàn)場，施工環(huán)境與當(dāng)時當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件密切相關(guān)， 保冷工作受陰雨天氣影響極大， 施工進(jìn)度不確定因素大幅增加。

LNG 低溫管道預(yù)保冷是在管道材料到貨驗收合格后，即可進(jìn)行保冷施工（若有防腐要求，則完成涂漆后進(jìn)行保冷）， 施工地點可以在施工現(xiàn)場臨時搭建的廠房， 也可以在距離合理的情況下，將管道材料運輸至成品預(yù)保冷車間［1］。預(yù)保冷結(jié)束后即可將管道返回施工現(xiàn)場，進(jìn)行后續(xù)的安裝、焊接、焊接處保冷、無損檢驗及試壓吹掃等工作。 預(yù)保冷技術(shù)可將大部分保冷工作分散前置，施工地點條件可控，可以較好地保證施工進(jìn)度。

1.2 預(yù)保冷結(jié)構(gòu)

一般絕熱結(jié)構(gòu)由內(nèi)至外由防銹層、 絕熱層、防潮層（或稱氣阻層）、保護(hù)層、防腐層和識別層組成，其中防腐層可以兼作識別層。

LNG 低溫管道為不銹鋼材料，所以不需要涂刷防銹層，其預(yù)保冷結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 剪力鍵屬于預(yù)保冷結(jié)構(gòu)的特殊結(jié)構(gòu)，為了保證絕熱層具有較好的穩(wěn)定性不滑移， 剪力鍵材料選擇HD-PIR（高密度聚異氰脲酸酯）或HD-PUF（高密度聚氨酯）； 彈性針刺氈起到隔離管道和發(fā)泡PIR 或PUF 的作用。絕熱層和防潮層由發(fā)泡PIR 或PUF和鋁箔構(gòu)成；保護(hù)層分為兩部分，由紫外線硬化玻璃鋼層和鍍鋁鋼板層構(gòu)成；防腐層和識別層由鍍鋁鋼板兼作； 氣阻層用于管道端部的保冷保護(hù)，起到隔絕水蒸氣保證絕熱效果的作用。

圖1 LNG 低溫管道預(yù)保冷結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 施工工藝

預(yù)保冷技術(shù)施工工藝分為如下幾步：

a. 所有管道接收的交接文件檢查符合規(guī)范和設(shè)計文件后，才能將管道放置在預(yù)保冷澆注設(shè)備上。

b. 剪力鍵使用低溫膠粘貼于管道的中間位置，并以金屬綁帶臨時固定至少12 h。

c. 管道在清潔除銹完成后安裝厚度6 mm的彈性針刺氈包裹在管道表面形成隔離層，以膠帶固定并適當(dāng)?shù)貕嚎s至4 mm 左右。

d. 開始第1 層PIR 的自動澆注生產(chǎn)，發(fā)泡的厚度要略高于已安裝的剪力鍵厚度，待泡發(fā)成型后將多余的PIR 剪裁至規(guī)定的單層厚度。 每層PIR 發(fā)泡時，需在管道端部留出300 mm 的區(qū)域，方便后續(xù)管道的焊接連接并避免PIR 保冷材料的破壞。

e. 剪裁成型后的PIR 單層厚度不超過50 mm， 保冷層圓度和直度控制在5 mm 的誤差范圍之內(nèi)。

f. 保冷層檢查完畢后，均應(yīng)自動纏繞粘貼一層復(fù)合鋁膜作為防潮層，并保證有10%的搭接。

g. 根據(jù)保冷厚度計算總厚度， 按照步驟d～f進(jìn)行第2、3 層或第4 層的澆注。

h. PIR 分層澆注生產(chǎn)時應(yīng)保持兩端階梯式砌口（寬度50 mm）。

i. 將已經(jīng)完成PIR 澆注的管段搬移到玻璃鋼外護(hù)設(shè)備上。 采用FS FRM1 等級的聚酯玻璃鋼樹脂系統(tǒng)配合兩層600 g/m2的強(qiáng)化玻璃纖維布和一層25 g/m2的表面玻璃布， 在自動設(shè)備生產(chǎn)線上連續(xù)澆注完成玻璃鋼外護(hù)，總厚度控制在3.0 mm±0.3 mm， 并經(jīng)過紫外線照射裝置進(jìn)行硬化，達(dá)到快速硬化初期強(qiáng)度后，搬運至紫外線后硬化機(jī)臺繼續(xù)完成玻璃鋼外護(hù)的完全固化。

j. 檢查玻璃鋼外護(hù)層的固化情況后， 在保冷層端部涂覆氣阻層至管道上至少20 mm，同時標(biāo)明吊點位置。

k. 對管道端部進(jìn)行保護(hù)包扎，防止污染物進(jìn)入保冷層和管道內(nèi)。

2 低溫管道預(yù)保冷支架設(shè)計

保冷管道的金屬管支架不得穿透保冷層，傳統(tǒng)保冷工程的支、 吊、 托架等處采用高密度PIR或高密度PUF 作為保冷材料，配合鋼制管支架結(jié)構(gòu)、緊固件等，這樣做的主要原因是普通PIR 或PUF 材料密度低、硬度小，無法滿足夾緊和承托管道的要求。 傳統(tǒng)低溫管道支架因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜和使用的保溫材料等原因，導(dǎo)致價格較高。

低溫管道預(yù)保冷支架結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)支架區(qū)別較大，對于非限位的滑動或?qū)蚬苤Ъ埽蜃贤饩€硬化玻璃鋼外護(hù)層具有足夠的強(qiáng)度和剛度，管支架采用碳鋼管卡式結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。 即在紫外線硬化玻璃鋼外護(hù)層外直接安裝管卡，這樣既不存在漏冷的可能性， 而且管支架成本大幅降低。 對于限位型管支架，因為管支架需要承受較大的軸向載荷， 仍需要采用傳統(tǒng)管支架形式，如圖3 所示。 常規(guī)LNG 接收站項目中，非限位管支架的數(shù)量可占到總數(shù)量的70%以上，由于低溫管道預(yù)保冷支架總體成本較低，所以節(jié)省的經(jīng)濟(jì)效益極其可觀。

圖2 管道預(yù)保冷用非限位的滑動或?qū)蚬苤Ъ芎唸D

圖3 管道預(yù)保冷用限位型管支架簡圖

從使用效果來看，低溫管道預(yù)保冷用非限位管支架不影響保冷層的一體化結(jié)構(gòu)，一改傳統(tǒng)低溫管支架結(jié)構(gòu)不利于膨脹收縮位移、拼縫無法完全密封和開車后需要經(jīng)常維修維護(hù)的缺點，連續(xù)的保冷結(jié)構(gòu)在提高保冷效果的同時降低了維護(hù)的成本。

3 應(yīng)用范圍

從技術(shù)角度，低溫管道預(yù)保冷技術(shù)因為設(shè)備構(gòu)造等原因，目前主要適用于長直管線的保冷工作且優(yōu)勢明顯，彎頭、三通或閥門等其余管件采用傳統(tǒng)保冷結(jié)構(gòu)或其他形式。

從項目管理角度，低溫管道預(yù)保冷技術(shù)對于需要控制和縮短工期的項目以及需要考慮投資成本和節(jié)省維護(hù)成本的項目更加適用。

4 前景與展望

LNG 低溫管道預(yù)保冷技術(shù)以優(yōu)良的保冷嚴(yán)密性、工廠化預(yù)制施工的可控性及管支架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計等，得到了越來越多工程設(shè)計人員和業(yè)主方的認(rèn)可，但是仍有需要改進(jìn)的地方，管道預(yù)保冷目前在彎頭、三通等非直管段管線上的應(yīng)用還不太成熟，對于LNG 接收站內(nèi)管道走向復(fù)雜的管線，還需采用多種保冷方式復(fù)合進(jìn)行。