LNG 低溫工藝管道安裝質(zhì)量控制要素分析與探討

于 玲 盧俊文 湛立寧 王肖逸 周璐璐

（1．中國二十二冶集團(tuán)有限公司 唐山 063000)

（2．河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)研究院唐山分院 唐山 063000)

隨著清潔能源的使用比例逐年提高，天然氣在工業(yè)生產(chǎn)中已普遍被采用，而液化天然氣（以下簡稱LNG)體積僅為氣態(tài)的1/625，具有儲(chǔ)運(yùn)輸成本低、使用安全可靠的特點(diǎn)，故各種類型LNG 接收站遍布港口和內(nèi)陸[1]。但LNG 是一種深冷液體，儲(chǔ)運(yùn)溫度必須在-162 ℃以下，才能保持其液體形態(tài)，必須采用低溫容器和低溫管道儲(chǔ)運(yùn)。管道材質(zhì)通常選用GB/T 14976—2012《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》中的奧氏體不銹鋼，而奧氏體不銹鋼和低碳鋼相比具有熱膨脹系數(shù)大、導(dǎo)熱系數(shù)低的特點(diǎn)，施焊時(shí)易產(chǎn)生焊接熱裂紋。同時(shí)低溫深冷工藝系統(tǒng)的其他附件安裝時(shí)，由于溫差的存在也提高了安裝難度[2]。本文從LNG 低溫工藝管道安裝涉及的管道布置、管道選材與焊接、閥門選用與安裝、低溫管托結(jié)構(gòu)、保冷層施工等環(huán)節(jié)，分析了安裝質(zhì)量的關(guān)鍵控制要素，總結(jié)出了安裝質(zhì)量控制方法，并應(yīng)用于工程實(shí)踐中，經(jīng)工程驗(yàn)收及運(yùn)行結(jié)果表明，焊接質(zhì)量一次合格率為97%，其他監(jiān)檢項(xiàng)目指標(biāo)均為優(yōu)等，可為同類管道的安裝提供技術(shù)參考。

1 低溫管道布置

由于LNG 管道具有低溫冷縮特性，應(yīng)優(yōu)先考慮將管道布置在帶有管托的管廊或管墩上，且應(yīng)布置在架空管廊的最下層，并遠(yuǎn)離可以向外散發(fā)熱量的管道；當(dāng)場地條件限制無法設(shè)置管廊而必須埋溝敷設(shè)時(shí)，管溝內(nèi)應(yīng)采取防止天然氣積聚、液化天然氣溢流的措施[3]。

LNG 低溫工藝管道布置時(shí)除直段長度、熱補(bǔ)償位置必須滿足柔性設(shè)計(jì)要求外，應(yīng)優(yōu)先考慮利用管道彎頭來實(shí)現(xiàn)自然補(bǔ)償。低溫管道不宜采用法蘭連接，因?yàn)榻饘俜ㄌm面低溫冷縮后將影響密封效果，易引起連接部位泄漏，閥門與管道本體之間通常采用焊接方式連接。施工中預(yù)留的壓力試驗(yàn)排空口，在壓力試驗(yàn)合格后均采用焊接方式封堵并進(jìn)行保冷。若某段管道上的2 個(gè)閥門在運(yùn)行過程中有可能同時(shí)關(guān)閉，導(dǎo)致兩閥之間的管道處于封閉狀態(tài)時(shí)，封存其中的LNG 吸熱氣化后將引起封閉段管道超壓，為此應(yīng)在有可能密閉的管段設(shè)置安全閥。

LNG 低溫管道支吊架與常溫管道不同，如果不采取可靠的保冷措施或保冷效果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，將導(dǎo)致管內(nèi)介質(zhì)的冷量直接傳導(dǎo)給支吊架，發(fā)生“冷橋”現(xiàn)象，引起金屬支吊架的低溫脆斷，管道布置時(shí)通常采用低溫管托，選用與被支撐管道相同的硬質(zhì)保冷材料將管托包裹起來。

2 低溫管道選材

2.1 管材及焊材的選用

●2.1.1 管材選用

LNG 工藝管道在低溫-162 ℃時(shí)，必須具有滿足設(shè)計(jì)要求的低溫韌性、低溫強(qiáng)度、低溫抗腐蝕性，為了降低施工焊接難度，還應(yīng)選用可焊性良好的管材來保證焊接質(zhì)量，同時(shí)線膨脹系數(shù)還要滿足設(shè)計(jì)要求。GB/T 14976—2012 中的奧氏體不銹鋼具有較高的Cr、Ni 含量，可以保證材料的低溫力學(xué)性能，較低的碳含量可以保證良好的可焊性，常用材料有0Crl8Ni9Ti、1Crl8Ni9Ti、Crl8Nil2Mo2Ti 等，其中雙證奧氏體不銹鋼(304/304L) 在LNG 接收站中得到了廣泛應(yīng)用。GB/T 51257—2017《液化天然氣低溫管道設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦低溫管道組成件宜選用雙證奧氏體不銹鋼，它在化學(xué)成分方面滿足304 L 要求，又在力學(xué)性能方面滿足304要求[4]。304/304 L 不銹鋼化學(xué)成分見表1。

表1 304/304L 不銹鋼化學(xué)成分 %

在機(jī)械性能方面，應(yīng)重點(diǎn)控制材料的低溫沖擊韌性指標(biāo)，包括材料的低溫沖擊吸收功和延伸率2 個(gè)參數(shù)，304/304L 不銹鋼力學(xué)性能要求值見表2。

表2 304/304L 不銹鋼力學(xué)性能要求值

●2.1.2 焊材選用

焊材的化學(xué)成分、力學(xué)性能應(yīng)盡量與母材相近，奧氏體不銹鋼和低碳鋼相比，熱膨脹系數(shù)大、導(dǎo)熱系數(shù)低，極易出現(xiàn)焊接熱裂紋，宜選用低氫、低碳型且Cr、Ni 含量較高的焊接材料，同時(shí)還應(yīng)根據(jù)Cr、Ni 元素當(dāng)量公式計(jì)算，然后查閱金屬組織圖得出鐵素體含量，其中δ鐵素體含量應(yīng)小于5%。奧氏體不銹鋼常用焊絲有H0Cr21Ni10、H00Cr21Ni10、H0Cr19Ni12Mo2等，焊劑有HJ260、HJ151、HJ172 等，雙證奧氏體不銹鋼（304/304L）宜選用H0Cr21Ni10 焊絲。

2.2 閥門選用

LNG 工藝管道低溫系統(tǒng)宜選用整體式閥門，閥體內(nèi)件在深冷-162 ℃時(shí)應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、低溫韌性和抗腐蝕性。為了減少泄漏點(diǎn)，必須選用與主管道焊接連接形式的閥門，不可選用法蘭連接的閥門，同時(shí)為防止焊接熱量損壞閥門的密封結(jié)構(gòu)，閥門兩端必須帶有直管段。在低溫工藝系統(tǒng)運(yùn)行過程中，LNG 液體將導(dǎo)致閥門非保冷部位結(jié)冰，為此在閥門的加長頸上設(shè)置滴水盤，并與加長頸保持密封狀態(tài)，防止滴水沿縫隙進(jìn)入保冷層內(nèi)，同時(shí)也增加了1 個(gè)閥門與外界的換熱通道，使密封填料溫度保持在0 ℃以上，可防止填料低溫收縮產(chǎn)生泄漏。

低溫工藝管一般采用304 或316 奧氏體不銹鋼材質(zhì)，在深冷狀態(tài)下將有部分奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，體積增大后導(dǎo)致閥件變形，降低密封效果，閥門還應(yīng)在制造廠進(jìn)行預(yù)冷處理[5]。低溫閥門常見的結(jié)構(gòu)形式有蝶閥、球閥、不同結(jié)構(gòu)的止回閥等，在尺寸（大于6″）允許情況下優(yōu)先選用蝶閥，尤其是密封等級(jí)較高的三偏心蝶閥。

3 管道及附件安裝

3.1 管道焊接要點(diǎn)

焊接奧氏體不銹鋼一般采用氬弧焊，焊接坡口宜采用機(jī)械方式加工，焊前清除坡口及兩側(cè)的氧化物等雜質(zhì)，按照焊接工藝評定要求組對管件，并嚴(yán)禁焊前預(yù)熱。為測試氬弧焊機(jī)輸出電流穩(wěn)定性及焊接參數(shù)的可靠性，施焊前應(yīng)先在試驗(yàn)板上試焊，調(diào)試合格后才能正式焊接。焊接電流零線必須固定于施焊管道上，不得通過其他設(shè)備間接串入焊接回路，并嚴(yán)禁在管道上引弧和試驗(yàn)電流。

奧氏體不銹鋼的焊接敏感溫度為500 ～800 ℃，在此溫度下C 原子向晶界移動(dòng)速度比Cr 原子要快，使晶界C 原子濃度過高，在晶界邊緣處與Cr 原子形成碳鉻化合物，導(dǎo)致焊縫金屬組織的晶界處貧鉻，在外力作用下產(chǎn)生晶間裂紋。為防止貧鉻現(xiàn)象的發(fā)生，焊接時(shí)應(yīng)盡量減少在敏感溫度區(qū)停留時(shí)間，通常采用焊后快速冷卻的方式防止焊縫產(chǎn)生晶間裂紋[6]。

焊接時(shí)嚴(yán)格控制層間溫度＜100 ℃，采用小電流快速焊接的方式減小焊接熱輸入，盡量避免焊條橫向擺動(dòng)，打底焊選用φ＜2.4 mm 焊絲時(shí)，最少焊接2 層，并在焊接第2 層時(shí)充氬氣保護(hù)。每道焊口必須一次性焊接完成，多層焊相鄰焊層的焊接接頭應(yīng)錯(cuò)開，以便減小應(yīng)力集中。焊后在焊口兩側(cè)做焊工標(biāo)記時(shí)，嚴(yán)禁使用硬痕標(biāo)記，同時(shí)在單線圖中也要記錄每個(gè)焊工的焊接位置。

焊縫熔敷金屬的δ鐵素體含量直接影響其焊接熱裂紋敏感性，δ鐵素體的存在提高了金屬強(qiáng)度和耐腐蝕性能，但同時(shí)降低了低溫韌性，將其含量控制在3%～12%時(shí)，焊接熱裂紋敏感性明顯降低。GB 50517—2010《石油化工金屬管道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定含鉬奧氏體不銹鋼的鐵素體含量≤5%（體積比），建議實(shí)際工程中控制在3%～5%的范圍內(nèi)[7]。鐵素體含量與熱裂紋敏感性關(guān)系曲線[8]如圖1 所示。

圖1 鐵素體含量與熱裂紋敏感性關(guān)系曲線

3.2 閥門安裝要點(diǎn)

LNG 低溫工藝管道中閥門的閥體內(nèi)件和深冷介質(zhì)接觸，閥桿在常溫狀態(tài)下操作，故對低溫閥門的安裝有一些特殊要求，為盡量降低深冷介質(zhì)對填料層的影響，閥門安裝時(shí)要保證加長頸內(nèi)有氣相空間，形成一個(gè)減緩熱量傳遞的氣腔，應(yīng)選擇閥桿垂直的安裝方式。

低溫閥門處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，積存于閥腔中的液體會(huì)升溫氣化，若不能及時(shí)排除高壓氣體，有超壓引起閥門損壞的危險(xiǎn)[9]，為此應(yīng)設(shè)置泄壓孔，一般將泄壓孔布置在閘板的高壓側(cè)一端，向介質(zhì)上游方向泄壓。若泄壓方向安裝錯(cuò)誤將影響閥門的密封性，應(yīng)將泄壓方向標(biāo)識(shí)字樣“VENT”同時(shí)標(biāo)注在滴水盤和閥體上，避免標(biāo)注箭頭時(shí)與介質(zhì)流向混淆，低溫球閥的泄壓方向示意圖[10]如圖2 所示。

圖2 低溫球閥泄壓方向示意圖

對于一個(gè)閥座上裝有2 個(gè)閥門的雙閥座結(jié)構(gòu)，2個(gè)閥門同時(shí)關(guān)閉時(shí)，在兩閥之間的閥體內(nèi)會(huì)積存LNG液體，液體吸熱氣化后無泄壓通道，應(yīng)在兩閥之間開設(shè)泄壓孔，泄壓方向?yàn)榻橘|(zhì)來源端。閥門安裝后的保冷一般在現(xiàn)場操作，宜選用發(fā)泡保冷材料，但占用空間較大，閥門安裝時(shí)應(yīng)留出足夠的保冷空間。對于低溫蝶閥的安裝，應(yīng)按設(shè)計(jì)圖紙中標(biāo)注的安裝方向布置，保證密封方向和管內(nèi)介質(zhì)流向一致，反之將減弱閥門的密封效果。

3.3 低溫管托安裝要點(diǎn)

LNG 低溫管道一般采用卡箍式管托，只將管托與管道接觸部位保冷處理，與構(gòu)筑物接觸的支架底部預(yù)留在管托保冷層外，管托的保冷材料與主管道相同，保冷厚度及層數(shù)也保持一致。在管托保冷的最外層設(shè)置防潮層，在防潮層外部加裝金屬防護(hù)層。管道的自由膨脹不應(yīng)當(dāng)受管托約束，應(yīng)根據(jù)管道的熱脹冷縮量設(shè)計(jì)管托長度，低溫管托由固定架和導(dǎo)向架組成，2 個(gè)支架共同作用應(yīng)可以阻止管系的偏轉(zhuǎn)。低溫管托的強(qiáng)度應(yīng)考慮風(fēng)荷載、壓力試驗(yàn)荷載、開停車工況荷載等影響，在幾個(gè)載荷共同作用下，管托及保冷材料應(yīng)有足夠的強(qiáng)度支撐，低溫管托結(jié)構(gòu)斷面圖[11]如圖3所示。

圖3 低溫管托結(jié)構(gòu)斷面圖

LNG 低溫工藝管道常采用自然補(bǔ)償方式，在π 型彎等位移較大部位的管托應(yīng)將底板適度加長，以防止管道熱脹冷縮時(shí)管托偏離支撐結(jié)構(gòu)。管托保冷材料選用的黏結(jié)劑、密封劑和耐磨劑在低溫狀態(tài)下應(yīng)保持性能完好，并具有較強(qiáng)的粘接力和良好的密封性能。

4 管道保冷施工

LNG 低溫工藝管道使用溫度為-162 ℃，管道保冷效果直接影響系統(tǒng)的安全運(yùn)行，常用保冷材料有聚異氰脲酸酯(PIR)、泡沫玻璃(FG)硬質(zhì)材料，以及丁腈橡膠（LT）、二烯烴橡膠LTD 等柔性材料。保冷材料允許使用溫度應(yīng)滿足保冷部位的設(shè)計(jì)溫度要求，且應(yīng)標(biāo)注熱膨脹系數(shù)和氯離子含量。

低溫管道的保冷應(yīng)在壓力試驗(yàn)合格后進(jìn)行，保冷結(jié)構(gòu)施工時(shí)先根據(jù)現(xiàn)場測量的管道尺寸在車間下料，施工前在第1 層保冷塊內(nèi)表面涂刷耐磨層。硬質(zhì)保冷材料一般鋪裝3 層，第1 層和第2 層采用PIR，第3層采用FG，第3 層外表面涂刷防潮層，然后加裝金屬保護(hù)層。鋪裝時(shí)每層相鄰保冷塊之間應(yīng)預(yù)留環(huán)向伸縮縫，縱縫應(yīng)錯(cuò)開100 mm 以上，各層之間的拼縫也應(yīng)錯(cuò)開。閥門的保冷采用保冷箱結(jié)構(gòu)，將發(fā)泡劑注入保冷箱中。硬質(zhì)保冷結(jié)構(gòu)示意圖[12]如圖4 所示。

圖4 硬質(zhì)保冷結(jié)構(gòu)示意圖

柔性保冷材料也是鋪裝3 層，內(nèi)層和中層為LTD，外層為LT，然后直接做金屬外防護(hù)層，不用加防潮層，柔性保冷材料施工時(shí)不用設(shè)置伸縮縫，同層的相鄰保冷塊采用擠縫鋪裝的方式，縱縫可以用專用黏結(jié)劑使保冷材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的方式連接。柔性保冷材料的缺點(diǎn)是強(qiáng)度較低，不適合低溫管托的保冷。

保冷施工完畢后應(yīng)進(jìn)行預(yù)冷試驗(yàn)，測試保冷效果是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，預(yù)冷介質(zhì)一般采用液氮，預(yù)冷溫度為-130 ℃，為防止降溫過快對管道金屬造成損傷，應(yīng)控制降溫速度小于50 ℃/h，預(yù)冷合格后，LNG 低溫工藝系統(tǒng)即可交付使用。

5 工程安裝實(shí)例

唐山某LNG 加氣站在安裝過程中借鑒了本文推薦的安裝質(zhì)量要素控制方法，該加氣站設(shè)計(jì)壓力為4.0 MPa，設(shè)計(jì)溫度為-196 ℃，管道總長為536 m，管道材質(zhì)為雙證奧氏體不銹鋼(304/304L)，管道規(guī)格為φ159×5.0 mm、φ108×4.5 mm、φ89×4.0 mm三種，焊材選用H0Cr21Ni10 焊絲，采用氬弧焊焊接，焊接過程中控制δ鐵素體含量為4.5%，閥門分別選用了三偏心蝶閥、球閥，低溫管托選用卡箍式結(jié)構(gòu)，保冷材料選用硬質(zhì)保冷結(jié)構(gòu)，閥門采用箱體保冷方式，采用低溫液氮進(jìn)行了-135 ℃的預(yù)冷試驗(yàn)。

施工前對不銹鋼管道材質(zhì)進(jìn)行了復(fù)驗(yàn)，各化學(xué)成分含量和力學(xué)性能符合GB/T 14976—2012 要求，對不銹鋼材質(zhì)的閥門進(jìn)行了光譜分析，合金元素含量與材質(zhì)單相符[13]。焊接坡口形式如圖5 所示。

圖5 焊接坡口示意圖

對施焊管道進(jìn)行了焊接工藝評定，焊接電流為70 ～95 A，電弧電壓為9 ～12 V，焊接速度為7 ～9 cm/min，定位焊縫長度為8 ～11 mm，控制焊接層間溫度小于100 ℃，焊后采用直接澆水冷卻的方法迅速降溫至60 ℃以下，焊縫經(jīng)射線探傷檢查一次合格率為97%，監(jiān)檢項(xiàng)目表中的各項(xiàng)指標(biāo)均為優(yōu)等，通過了特種設(shè)備檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的安裝監(jiān)檢，工程驗(yàn)收合格并安全使用1 個(gè)檢驗(yàn)周期后，首次定期檢驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷和安全隱患。

6 結(jié)束語

1）LNG 低溫工藝管道常采用雙證奧氏體不銹鋼(304/304L)，具有較高的焊接裂紋敏感性，通過控制焊接質(zhì)量要素可以防止焊接裂紋的產(chǎn)生，包括控制焊縫熔敷金屬的鐵素體含量小于5%、焊接采用小電流快速焊方式、焊后快速冷卻至60 ℃以下等方法。

2）低溫管道閥門應(yīng)選用奧氏體不銹鋼材料，閥門與主管道應(yīng)采用焊接方式連接，在閥門關(guān)閉后有可能形成密閉空間的管段或閥體上應(yīng)設(shè)置泄壓裝置，低溫蝶閥的安裝方向應(yīng)和介質(zhì)流向一致，長頸低溫閥門必須垂直安裝于水平管段。

3）管道保冷可采用硬質(zhì)保冷材料或柔性保冷材料，硬質(zhì)保冷材料施工的關(guān)鍵是預(yù)留收縮縫，柔性保冷材料采用擠縫安裝，閥門保冷采用箱體結(jié)構(gòu)，通過-135 ℃的低溫預(yù)冷試驗(yàn)可以驗(yàn)證保冷效果是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。