LNG 液化調峰項目低溫工藝管道安裝技術

尉世雄 薛世昌

山西省工業設備安裝集團有限公司 山西太原 030032

1 工程概況

LNG 液化調峰項目廠區工藝安裝工程包括原料氣預處理裝置安裝、凈化裝置安裝、液化裝置安裝、空壓制氮站安裝、壓縮單元安裝、冷劑單元安裝、導熱油爐安裝、汽車裝卸站安裝、火炬安裝、循環水系統安裝、污水處理系統安裝、鍋爐房安裝和全廠管廊安裝等。其工藝流程圖見圖1。

本工程的主要介質有天然氣、冷劑、氮氣、乙烯、異戊烷、胺液、丙烷、軟化水、脫鹽水、水、燃料氣、壓縮空氣、氮氣、導熱油、液氮、潤滑油和烴類等。管道材質主要有20、20G 和06Cr19Ni10 等。

該項目的LNG 低溫工藝管道材質主要選用304不銹鋼，最高設計壓力為5.79MPa，最低設計溫度為- 196℃。由于生產運行溫度與安裝溫度差異非常大，LNG 低溫工藝管道運行時會產生很大的冷收縮量和應力。若安裝過程中存在問題，可能會造成管道或連接設備的損壞，甚至引發天然氣泄漏或爆炸等事故。

2 LNG低溫工藝管道安裝技術

2.1 焊接

圖1 LNG液化調峰項目工藝流程圖

低溫不銹鋼工藝管道的焊接對LNG 項目而言至關重要，因管道輸送的LNG 是超低溫介質，管道焊縫的質量安全可靠與否，對整個LNG 項目的安全運行起著重要的作用。因此，LNG 裝置低溫工藝管道的焊接是工程的關鍵和核心環節。本項目設計的LNG 低溫工藝管道材質選用304 不銹鋼，奧氏體不銹鋼在低溫下表現出很好的強度、延性和韌度。但是與其他不銹鋼相比，奧氏體不銹鋼具有較高的熱裂紋敏感性，在焊縫及近縫區都有產生熱裂紋的可能。項目在前期管道預制過程中發現，個別經過探傷檢測返修的焊口在完成返修后產生了熱裂紋。對此情況，項目部高度重視，經過查閱相關項目資料，以及咨詢相關專業人士，了解到奧氏體不銹鋼焊縫中的鐵素體可以減小熱裂紋傾向，是不銹鋼焊接防止熱裂紋的最主要的手段。但是，鐵素體在低溫下會發生脆性轉變，降低奧氏體不銹鋼的低溫韌性，使焊縫在低溫時的韌性惡化，對低溫下運行的管道造成極大的危害。為了滿足低溫韌性的要求，低溫工況的奧氏體不銹鋼對焊縫鐵素體含量要求更低。因此，為了有效保證奧氏體不銹鋼焊縫的低溫韌性和抗熱裂紋敏感性，應嚴格控制好奧氏體不銹鋼焊縫中鐵素體的含量。除滿足常規的焊接要求外，低溫不銹鋼工藝管道的焊接還需要從以下幾個方面進行控制：

（1）由于奧氏體不銹鋼焊縫熔敷金屬鐵素體是客觀存在的，焊接材料中的鐵素體含量對焊縫中的鐵素體影響非常大。因此，進行奧氏體不銹鋼焊接時，應選擇合適的焊接材料。需要通過焊接中心進行工藝評定，符合設計要求后方可實施。

（2）在焊接工藝選擇時，要選擇較小的焊接熱輸入的焊接工藝。考慮到LNG 裝置中低溫工藝管道壁厚相對較薄，根據焊接工藝評定使用鎢極氬弧焊。

（3）控制較低的焊接層間溫度。

（4）控制好焊縫中鐵素體的含量。在具體工程實踐中，當焊縫溫度降至室溫時，可采用鐵素體測量儀對焊縫中的鐵素體含量進行檢測。經查閱目前國內焊接標準及相關的施工標準，除規范SH3501- 2011 和GB50517- 2010 中對含鉬奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量要求小于5%外，沒有對奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量進行明確規定。根據焊接手冊中的研究數據，當奧氏體不銹鋼焊縫中鐵素體的含量控制在3%～12%時，其熱裂紋敏感性顯著降低。同時，鐵素體會降低奧氏體不銹鋼的低溫韌性。因此，查證關于LNG 管路的奧氏體不銹鋼管道的相關資料后，將焊縫鐵素體含量控制在3%～5%。

2.2 試壓

低溫不銹鋼工藝管道試壓涉及到LNG 介質的管道，因介質運行溫度非常低，LNG 管道中殘留的水分會結冰，容易造成閥門和管道的泄露和堵塞。同時，管道系統內殘存的水會大大加長開車前管道系統的干燥時間，從而增加成本。為解決上述問題，采取了下述措施；

（1）由于本項目大部分低溫閥門采用焊接連接的方式，水壓試驗后，現場閥門無法與管道系統一起進行徹底的除水。因此，經與建設單位、廠家、監理等確認，對低溫不銹鋼閥門免除現場壓力試驗，閥門出廠既已完成試壓工作。另外，閥門在出廠、運輸、現場保管及現場安裝過程中，均采取了有效的防雨、防潮措施。

（2）為縮短開車前管道系統干燥的時間，確保管道系統內閥門不進水，通過權衡液體和氣體試壓介質的利弊，業主和設計要求本項目的LNG 介質管道采用氣壓試驗，試驗介質選用干燥的壓縮空氣。由于本項目LNG 管道最高設計壓力為5.79MPa，氣體試驗壓力為6.658MPa。針對壓縮空氣試壓存在的安全風險，本項目除按照設計文件和規范要求控制外，還從以下幾個方面進行了重點控制：

①編制了專項的管道氣壓試驗方案，按照壓力等級劃分打壓包。

②管道系統內的焊接接頭按照設計和規范要求全部檢測合格。

③試壓的臨時管道及正式管道按照試壓專項方案采取了加固措施，并由建設單位、監理單位等各方現場對加固措施進行了共同確認。

④氣壓試驗系統除按照規范要求設置了泄放壓力的安全閥外，還設置了緊急排放閥。當觀察到系統壓力異常，但安全閥未起跳泄壓時，可通過緊急排放閥由現場操作人員手動泄放壓力。另外，為了消除試驗系統管路中氣體的脈沖，減小管道試壓過程中的震動，還在空壓機出口管路設置了儲氣罐，以維持氣壓試驗系統的管網壓力不出現大的波動，確保試壓系統的穩定和安全。

⑤管道系統進行氣壓試驗前，除按照設計文件和規范要求對相關資料、管道系統實物進行確認外，對參與氣壓試驗管道系統50m 范圍內進行了人員清場，并安排專人值守，杜絕無關人員入內。

⑥管道進行氣壓試驗前，需對干燥設備進行檢查，并對試壓用的壓縮空氣進行露點含量測量，露點含量合格后方能接入管道升壓。

⑦本項目管道氣壓試驗時正值山西運城地區的5月，在晴天時，一天之內氣溫溫差很大。為避免由于環境溫度的變化導致管道系統內氣體壓力的不穩定，本項目管道氣壓試驗時還采取了如下措施：每個氣壓試驗管道系統除按照規范要求進行0.2MPa 的預試驗外，還進行了一次不超過1.6MPa 的氣壓預試驗。兩次試驗完成后，均進行了完全的卸壓。并且隨時關注天氣情況，選擇氣溫溫差變化相對較小的陰天進行管道氣壓試驗。

⑧管道氣體試驗卸壓點、緊急排放口、安全閥出口均選擇在空曠的區域，安全警戒范圍為50m，并拉設警戒繩和警示標志，設置專人監護，禁止無關人員進入警戒區域。

2.3 系統保冷

由于LNG 是深冷液體，需要低溫輸送和存儲。LNG 裝置低溫管道在運行過程中，需要保持LNG 低溫，不能引入外界熱量。若外界熱量進入，很容易造成LNG 內天然氣汽化蒸發，進而導致LNG 存儲裝置內壓增大。因此，低溫管道系統保冷施工質量的好壞，將影響裝置能耗的高低和低溫系統的冷量損失大小，甚至直接影響到工藝效果，導致工藝的失敗或影響到裝置的安全。另外，由于LNG 管道對低溫絕熱性能的嚴格要求，以及LNG 管道在預冷、試車、投產等階段，管道溫度劇烈變化對絕熱層收縮變形的破壞性影響，LNG 低溫管道的保冷施工質量要求遠高于一般管道的絕熱施工。要做好LNG 低溫管道的保冷施工，除滿足一般管道絕熱施工的要求外，還應重點控制好以下幾個方面：

（1）保冷材料需提供吸水性、吸濕性、增水性檢測證明。由于所保冷的管道大部分為奧氏體不銹鋼管道，因此保冷材料中的氯離子含量應符合規范要求。同時，還應做好材料的防雨防潮。

（2）每一層保冷材料應按照要求錯縫安裝，保冷塊要求切割平齊和緊密，接縫處應按照要求涂抹接縫密封劑。密封膠、黏結劑的配比、厚度及密封程度應滿足設計和廠家安裝文件要求。

（3）保冷管托安裝應符合設計文件和廠家技術文件要求，嚴格控制管道與管托保冷層之間的縫隙、保冷層與保冷層之間的縫隙，管托保冷層環向和縱向的接縫應用接縫密封劑密封，防潮層縱向搭接部分應用防潮瑪蹄脂密封，環向搭接部分應用防潮瑪蹄脂覆蓋和加強。多層保冷管托的各層接縫應錯開。

（4）按照設計文件和規范要求設置膨脹收縮縫，最外層的膨脹收縮縫需用丁基橡膠膠帶密封。橡膠帶在做防潮層前安裝，接縫處用瑪蹄脂覆蓋。

3 社會效益

項目建成后，除可作為冬季調峰和輸氣管道事故狀態下的應急保障氣源外，還可以為周邊天然氣管道未鋪設地區供應天然氣及發展低碳交通。項目的技術先進、市場前景廣闊、經濟合理，符合我國發展節能減排、低碳經濟的基本國策，對改善城市的事故應急能力和提高供氣的安全可靠性可起到巨大作用，具有良好的社會、環保和經濟效益。實踐國家低碳戰略，推進山西地區的清潔機制，對保障山西省天然氣的安全平穩供應、提高天然氣利用、開發培育天然氣的市場具有積極作用，同時對促進區域經濟發展、優化能源結構、促進社會和諧、治污降霾等具有十分重要的意義。