固定支架式雙壁管的預制安裝方法

任成德， 吳紅根

(招商局重工(江蘇)有限公司， 江蘇 南通226116)

0 引 言

45 000 m3LNG運輸船是招商局重工(江蘇)有限公司(下文簡稱公司)承建的第1艘運輸LNG的船舶。該船選用瓦錫蘭雙燃料主機及發電機作為船舶動力，以LNG燃氣為主燃料，可充分回收利用液態LNG在運輸途中因熱交換產生的LNG燃氣。由于泄漏的LNG燃氣危險性很高，按照國際海事組織(IMO)有關規范要求，須對本質安全型船舶機艙內的所有供氣管路進行氣密環圍，從主甲板到機器處所的供氣管路必須采用雙壁管[1-2]。

公司缺少LNG燃氣雙壁管制作的相關經驗，最初的想法是委外施工，由專業公司進行雙壁管結構設計、預制、包裹防護、運送到船廠、吊運上船安裝，而公司僅負責總體控制。但是，這種模式生產周期長、建造成本高、施工進度不可控，不能滿足需要。

目前國內已有幾家船廠有能力制作LNG燃氣雙壁管，但是由于各船廠的生產條件、供貨渠道等不同，具體的實施方案也不同，沒有統一的行業標準，在主要的技術難點上仍需要不斷挖掘。

為縮短生產周期、降低項目建造成本，同時也為后續承接類似項目積累施工經驗，有必要開展燃氣雙壁管預制及安裝技術的進一步研究。

1 雙壁管的特點

燃氣雙壁管為一種具有雙層管壁結構的特殊管子，通常由內管、外管、內管支架等3部分組成。內管輸送LNG燃氣；外管通過管支架將雙壁管固定在船體結構上；內管支架支撐于內管與外管之間，使內管與外管之間形成同心的環形空間。該環形空間安裝有獨立的機械式防爆抽風機[3]，其出風口與大氣相通，將可能從內管泄漏的LNG燃氣引至開敞處所，降低燃爆風險[4]。

(1) 內管支架型式。雙壁管內管固定通常有彈性支撐和固定支撐2種型式。彈性支撐結構復雜[5]，安裝位置不僅需考慮船舶振動及滑動方向[6]，而且需根據具體布置進行內管受力分析；固定支撐結構相對簡單，內管支架呈十字型布置，分別與內管、外管管壁焊接[3]，設置在直管段區，工藝性好。內管支架型式如圖1所示。

圖1 內管支架型式

(2) 外管設觀察視窗。為監測內管每道焊縫的焊接質量，在外彎頭、三通及連接套管上設觀察視窗，鉆Φ20孔并焊接3/4英寸(1英寸=0.025 4 m)NPT螺紋管座(用堵頭密封)作為內窺鏡探頭入口。部分觀察視窗也用于對可能存在的LNG燃氣泄漏進行安全監控。

(3) 外管尺寸。為使內管彎頭順利裝入外管彎頭，按現有市場定型產品，外管內徑至少比內管外徑大40～60 mm，例如：如果內管為DN 50，則外管選DN 100為宜。

(4) 材料。內管、外管、內管支架均選用耐蝕性、耐熱性較好的316L奧氏體不銹鋼，可有效避免因溫度變化帶來的內、外管附加應力；內彎頭(長半徑彎頭)為1.5D(D為管子的公稱直徑)、外彎頭(短半徑彎頭)為1.0D，內管、外管均為薄壁無縫鋼管，內管支架為40 mm×6 mm扁鋼。

(5) 壓力等級。內管設計壓力為1.00 MPa，工作壓力約0.55 MPa，全熔透對焊，100%射線探傷(Radiographic Testing, RT)，Ⅰ級管；外管設計壓力1.00 MPa，正常工作時為負壓，Ⅲ級管。

2 雙壁管車間預制

車間預制分部件準備、半成品預制及成品預制。

2.1 技術難點

(1) 保證內管與外管的同心度。

(2) 多組內管支架先焊接在內管外壁上，再整體插入預先開好腰圓孔的外管中。要求內管支架無論徑向還是軸向定位都必須與外管上的腰圓孔完全匹配，并通過焊接形成一整體，需要設計專用工裝。

(3) 內管焊縫無法返修，必須嚴格按次序組裝，內管、外管部件裝配、焊接、打磨、拍片、試壓等多工序多工種交叉進行。

(4) 因雙壁管結構及船上安裝工藝性需要，車間預制完成的雙壁管的內管比外管長約50 mm，且都為裸口(不是法蘭或螺紋接口)，管子壓力試驗風險高。

(5) 質量要求高，須有專業的不銹鋼車間：照明、通風良好，車間除塵設備有效，避免雙壁管被粉塵污染；鋸床、裝配平臺、作業工具、焊接滾輪架、料框料架等都為不銹鋼材質或進行包裹，避免被碳鋼污染；地面干凈整潔，主要施工區域鋪設木板或膠皮，可減輕管件掉落砸傷；遠離碳鋼件生產區，避免空氣污染。

2.2 總體要求

(1) 焊接：焊接(包括定位焊)時，安裝人員必須持證上崗，嚴格按焊接工藝規程(Welding Procedure Specification, WPS)操作。

(2) 防護：對預制完成、試壓合格的管件應用三防布全面包裹，防止異物進入，保持管內清潔。

2.3 部件準備

(1) 內管支架。用40 mm×6 mm的316L扁鋼下料，其長度為外管內徑與內管外徑差值的1/2，單邊留0.5 mm的裝配間隙，去銳邊，通過銑床加工獲得內管支架。

(2) 內管、外管下料。用不銹鋼切斷/坡口一體機切割下料，獲得內管、外管管段。

(3) 外管開腰圓孔。將下料完成的外管管段交銑床加工腰圓孔38 mm×5 mm，用分度頭裝夾，這樣才能保證外管上腰圓孔徑向呈十字型均勻分布，且軸向間距尺寸在同一直線上。腰圓孔距管端距離由圖紙確定。

(4) half式外三通。將整體式外三通逢中剖分，并將切口修整、打磨，獲得half式外三通，做好配對標記。

2.4 半成品預制

(1) 內管。先將下料完成的內管管段水平置于雙壁管內管預制專用工裝上，再將準備好的多組內管支架放入工裝定位槽，然后從側面點焊定位內管支架。支架距管端距離及支架之間的軸向距離可通過底座上的刻度尺快速確定。內管預制專用工裝如圖2所示。打開滑動支撐上塊，取出內管，交專業焊工焊接。

圖2 內管預制專用工裝

(2) 內窺鏡探頭入口。將3/4英寸NPT螺紋管座分別焊接在外彎頭中心、half式外三通中心，作為內窺鏡探頭入口。

2.5 幾種典型成品管預制

(1) 帶彎頭管。帶彎頭管預制流程如圖3所示。

圖3 帶彎頭管預制流程

具體說明如下：

① 內彎頭與預制完成的1根內管組對、焊接；

② 將外彎頭裝到內彎頭上，盡可能將外彎頭緊靠內管支架，留出內彎頭與另1根內管的焊接空間；

③ 內彎頭與另1根內管組對、焊接；

④ 內彎頭兩端焊縫打磨、100%RT；

⑤ RT合格后進行內管試壓1.50 MPa(裸口試壓工裝)；

⑥ 與外彎頭及2根開好腰圓孔的外管組對、塞焊孔找正、焊接；

⑦ 外管焊縫打磨；

⑧ 外管試壓1.50 MPa(特殊工裝，避免內管變形)；

⑨ 做好管件保護，用軟性材料包裹，避免碰撞變形；

(2) 帶三通管。帶三通管預制流程如圖4所示。

圖4 帶三通管預制流程

具體說明如下：

① 內三通與3根預制完成的內管組對、焊接；

② 內彎頭兩端焊縫打磨、100%RT；

③ RT合格后進行內管試壓1.50 MPa(裸口試壓工裝)；

④ 與2個half式外三通、3根開好腰圓孔的外管組對、塞焊孔找正、將內三通夾在2個half式外三通中間定位后焊接；

(3) 帶主機接口法蘭管(末端)。帶主機接口法蘭管預制流程如圖5所示。

圖5 帶主機接口法蘭管預制流程

具體說明如下：

① 內彎頭與預制完成的1根內管組對、焊接；

② 將外彎頭裝到內彎頭上，盡可能將外彎頭緊靠內管支架，留出內彎頭與另1根內管的焊接空間；

③ 內彎頭與另1根內管組對、焊接，內管長度要與對應外管長度匹配；

④ 內彎頭兩端焊縫打磨、100%RT；

⑤ RT合格后進行內管第一次試壓1.50 MPa(裸口試壓工裝)；

⑥ 將外管裝到內管上，盡可能將外管緊靠外彎頭，留出內管與主機接口法蘭的焊接空間；

⑦ 內管與主機接口法蘭組對、焊接；

⑧ 焊縫打磨、100%RT；

⑨ RT合格后進行內管第二次試壓1.50 MPa(裸口試壓工裝)；

(4) 連接通大氣管(始端)。連接通大氣管預制流程如圖6所示。

圖6 連接通大氣管預制流程

具體說明如下：

① 將開好腰圓孔的外管與單壁管組對、焊接、打磨；

② 與預制完成的內管、法蘭1、封板及法蘭2組對、焊接；

③ 法蘭1焊縫打磨、100%RT；

④ RT合格后進行內管試壓1.50 MPa(裸口試壓工裝)；

(5) 長/短直管。長/短直管預制流程如圖7所示。

圖7 長/短直管預制流程

具體說明如下：

將預制完成的內管裝入對應開好腰圓孔的外管中，找正塞焊孔位置，塞焊、打磨；

3 雙壁管船上安裝

將已經在車間預制完成的雙壁管成品管吊運上船，并根據管路布置圖安裝到位，可將來自主甲板的LNG燃氣輸送到主機、發電機的接口法蘭處。

3.1 技術難點

與常規管子安裝不同，雙壁管的安裝有以下特點：

(1) 同一段管子不能1次安裝完成，裝配、焊接、涂鈍化膏、試壓等多工序多工種交叉作業，安裝人員必須認真負責、技能全面，否則會嚴重影響安裝質量及工期；

(2) 由于內管與氣閥裝置(Gas Valve Unit， GVU)無裕量對焊連接，試壓封堵困難；

(3) 由于外管比內管短約50 mm，外管試壓時需要制作專用工裝。

3.2 管路布置

雙壁管與其他系統管路布置相比具有優先權，應布置在機艙處所比較開敞的位置，特別是管段連接處(包括分段合龍口位置)，應有足夠的作業空間，方便內管對焊、RT及外管套管焊接。

3.3 安裝順序

管段連接如圖8所示。

圖8 管段連接示例

具體說明如下：

(1) 預制外管連接套管：下料，中間位置鉆孔Φ20，并與3/4英寸NPT螺紋管座焊接牢固。套管內徑比雙壁管外管外徑大2～3 mm，長度約200 mm。

(2) 先將所有需要安裝的雙壁管成品管按管路布置圖擱置到管支架上。由于管壁較薄，管支架宜與內管支架對應，對相差較多的管支架做適當調整。

(3) 在兩內管管口對中操作前，必須將連接套管裝到任一外管上，否則連接套管無法安裝，或只能將套管改為half式。

(4) 排管，使兩兩內管管口對中，點焊定位，擰緊管支架并焊接。

(5) 焊縫打磨，人工涂鈍化膏，100%RT。

(6) RT合格后進行內管試壓1.50 MPa。由于內管與GVU內管無裕量對接，需要借助管路彈性并松脫鄰近管支架及插入盲板進行有效封堵。

(7) 外管連接套管找正，使其螺紋管座對準內管焊縫位置后焊接兩端焊縫。

(8) 焊縫打磨，人工涂鈍化膏。

(9) 進行外管試壓1.50 MPa。由于外管與GVU外管為套管連接，內管比外管長約50 mm，不僅需要借助管路彈性并松脫鄰近管支架，而且需要制作特殊工裝，才能進行有效封堵。外管試壓封堵工裝如圖9所示。

圖9 外管試壓封堵工裝

3.4 注意事項

(1) 焊接(包括定位焊)時，安裝人員必須持證上崗，嚴格按WPS操作；

(2) 使外管連接套管上的螺紋管座(內窺鏡探頭入口)面向操作者；

(3) 外管試壓時，必須使內管、外管壓力平衡，避免損傷內管；

(4) 試壓介質為氮氣，應特別注意氣體介質試壓的安全問題；

(5) 無論內管、外管，除設備外的管路連接完成后及試壓前，必須用高壓氮氣進行吹掃，出口用100目白色濾布檢查，以無可見異物為合格；

(6) 對各焊縫進行編號，做好RT及向船舶所有人和船檢機構的報檢記錄；

(7) 排管時應使車間預制的成品管盡可能長一些，以減少在船上的連接點。

4 結 語

雙壁管預制安裝工藝復雜，質量要求高，預制安裝方法必須清晰、明確、具體。45 000 m3LNG運輸船的雙壁管嚴格按照標準流程進行預制、安裝，一次性通過調試驗收，并得到船舶所有人和船檢機構的一致好評。其中，雙壁管預制工裝已獲得國家實用新型專利。

使用和推動LNG燃料動力船(包括以LNG為燃料的非LNG運輸船)發展，對調整能源結構、改善環境質量、節能減排及國民經濟的可持續發展都具有十分重要的意義。固定支架式LNG燃氣雙壁管作為雙燃料主機供氣管路型式之一，隨著LNG燃料動力船的蓬勃發展，必將得到更廣泛的應用，有關雙壁管的制作、安裝技術和方法，也將受到各船企及有關人員的歡迎。