液化天然氣低溫管道設計問題探討

李明明

摘 要：當前，生態環境污染不斷加重，面對日益嚴峻的環境保護壓力，為了實現經濟的可持續發展，世界各國都在尋求新型替代能源，不斷調整能源消費結構。天然氣作為一種清潔能源，需求量正在不斷加大，液化天然氣站場的建設需要用到大量的低溫管道，準確的選擇材料，合理的進行管道設計，對于液化天然氣管道的安全運行，節約建設成本具有重要的意義。

關鍵詞：液化天然氣;低溫管道設計;問題;對策

1鋼管的低溫脆性

管道中的污水如果未及時清理，在溫度降到0℃以下后會使管道漲裂，阻礙管道內水體的排放，因此需要提前對排污管道進行必要的保溫處理。冬天，由于供暖需求，管道內部會有持續的天然氣流動，此過程所產生的熱量可以確保管道不會因為溫度過低而發生脆性斷裂。但在特殊的情況，比如出現事故或必要的檢修任務，需要停止管道內天然氣的供應，此時溫度會迅速下降，進而產生因溫度過低而使管道出現問題的情況，所以設計人員需要對管道材料進行篩選，同時與廠家協商，確保材料滿足必要的韌性要求，避免低溫造成的管道脆裂問題，減少不必要的經濟損失和維修費用。盡管如此，某些區域仍然存在溫度迅速下降的情況，當管道材料無法滿足溫度驟變要求的前提下，仍然需要采取必要的保溫措施，并及時對管道溫度進行監測，以此確保管道使用性能的正常化。當采取的保溫措施仍然無法避免管道材料出現脆性斷裂的情況時，則需要考慮管道應力比的概念。根據管道低溫沖擊試驗，當管道內部的溫度應力比出現明顯的變化時，可以通過對溫度幅度的調解，使管道免除低溫沖擊的傷害，避免脆性斷裂情況的產生。ASME鍋爐和壓力容器能夠正常使用也都參考了以上的壓力容器變化概念。

2LNG低溫管道設計

2.1LNG低溫管道材料選擇

在天然氣液化，LNG輸送，LNG接收站、槽車站、小型氣化站中，都會用到輸送LNG的管道。由于LNG的液化溫度為-162℃，需要在管道選材時特別注意，既要滿足使用要求，又要考慮材料經濟性和易采購程度。輸送LNG的管道要求在-162℃的低溫下，仍需要具有良好的抗腐蝕性，韌性和焊接性能，同時，線膨脹系數還要求盡量小。目前，常用于液化天然氣領域的材料主要有9%鎳鋼和雙證奧氏體不銹鋼。9%鎳鋼屬于低溫鎳鋼，其最低使用溫度為-196℃，能夠滿足儲存、處理及輸送LNG的要求，此種鋼板在國內主要用于制造LNG全包容儲罐的內罐罐壁。輸送液化天然氣管道常用雙證奧氏體不銹鋼（304/304L），此種材質化學組成滿足304L不銹鋼的要求，而機械性能滿足304不銹鋼的要求，抗腐蝕性能和強度都能達到此類管道的使用要求。

2.2LNG低溫管道布置要點

液化天然氣管道布置時，除了滿足管道布置的一般規定外，因其管內介質的特殊性，增加了一些特殊的要求。

（1）優先選擇將管道布置在管廊或管墩上，當受場地條件限制布置在管溝內時，應采取措施防止可燃氣體積聚，可燃液體溢流。當在管廊架空布置時，宜布置在管廊的下層并遠離熱力管道或有伴熱的管道。

（2）管道布置在滿足柔性分析的同時，要盡量短，并減少彎頭和袋形。在做管道布置時，優先考慮利用管道的自然補償來滿足管道的柔性要求。常用改變管道走向、調整支吊架形式和位置方式來增加管道的自然補償能力。不應采用填料函式補償器，以防止填料受冷收縮松弛而發生泄漏;當布置空間受限制時，可以考慮采用金屬波紋補償器。

（3）LNG在氣化為天然氣的過程中可以釋放大量的冷能，這部分冷能有著廣闊的應用前景，因此在管道設計過程中要采取防止冷能流失的措施。如在管道外包覆可靠的保冷材料，管道支架采用保冷管托，禁止在大口徑管道上焊接支架支撐鄰近小口徑管道，靜電接地耳板等伸出保冷層外的部分做保冷處理等，防止冷量傳出造成冷能的浪費。

（4）管道應盡量減少法蘭連接口，法蘭連接處受冷收縮后，增加了管道泄漏的風險。為此，閥門多采用焊接連接，水壓試驗預留的放空，排凝口在水壓試驗完成后，均應焊接管帽封堵并做保冷處理。

（5）在操作過程中，可能造成封閉的管段。如兩個閥門之間當閥門同時關閉時，由于管道與外界的熱交換，造成LNG吸熱氣化，管內壓力升高有可能造成管道超壓，在此類情況下，就需要增加泄壓措施以保證管道的安全運行，如增加安全閥。

（6）低溫閥門，法蘭的保冷多采用聚氨酯現場發泡技術，管道的保冷則采用泡沫玻璃或聚氨酯預制管殼結構，由于此類保冷材料為硬質的定型制品。這就要求在管道設計過程中，特別注意為管道、閥門、設備等需要包覆保冷層的地方留出足夠的空間，防止在施工現場發生保冷層安裝空間不足而難以調整的情況發生。

2.3保冷材料分析

液化天然氣在轉變為氣態的過程中，可以提供大量的冷能。當前對于此部分冷能的回收利用已經有成熟的技術，并依托一些LNG接收站建成了冷能利用裝置。冷能利用常用于空分制造液氮、液氧，發電，廢棄物低溫破碎處理，海水淡化等，取得了良好的經濟效益。為了防止冷能的流失造成浪費，保證液化天然氣管道安全運行，需要為此類管道選擇可靠的保冷材料。應該優先選擇導熱率小，吸濕率低，耐低溫性能好，材料易得，方便施工的綜合經濟效益較高的保冷材料。

2.4支吊架的設置

液化天然氣管道的支吊架應該有防止產生“冷橋”的措施，如果采用常規管道支吊架，將會使管道內部冷量傳出至管道的支撐結構上，導致鋼結構韌性下降而產生低溫脆性，存在安全隱患。基于此種考慮，液化天然氣管道應選用有可靠隔冷層的支吊架，常用的隔冷層材料為高密度聚異氰脲酸酯或聚氨酯，并根據管道口徑預制成型。低溫管托由內向外的組成為高密度聚氨酯或聚異氰脲酸酯成型管殼，金屬保護層，鋼制管夾，并在每層隔層冷之間增加防潮層。保冷管托的選擇及安裝要求如下。

（1）液化天然氣管道多數需要進行應力分析，管道施工應嚴格按照應力分析報告進行各種類型保冷管托的安裝。

（2）管道多采用自然補償，在管道位移較大部位（如π彎附近）的管托應將底板適度加長，防止管道收縮位移時管托偏離支撐結構甚至滑落。

（3）保冷管托隔冷層厚度應與管道保冷層厚度相同，以保證管道保冷與管托及外保護層嚴密貼合。

4）保冷管托選用的黏結劑、密封劑和耐磨劑應滿足管道設計溫度的要求，并具有較強的粘接力和良好的密封性能，并且不會對保冷材料和金屬壁面產生不利影響。

結束語

液化天然氣（LiquefiedNaturalGas，以下簡稱LNG）的主要成分是甲烷，還有少量的乙烷和丙烷。天然氣作為一種清潔的化石能源，在發達國家的能源消費中，一直占有比較大的比重。我國對天然氣的開采利用與發達國家相比雖然起步較晚，但隨著我國能源及產業結構的調整，天然氣在能源消費中所占的比重正在迅速增長。液化天然氣（LNG）常壓下沸點為-162℃，此類管道在設計過程中從管道材料選擇，低溫閥門選用，管道保冷材料的確定，保冷管托的設計等都具有區別于常規管道設計的鮮明特點。

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