LNG用低溫管材的關鍵要求

賈琦月

（中國寰球工程有限公司北京分公司，北京 100012）

隨著國家對清潔能源需求量的逐漸增加，液化天然氣（LNG）接收站項目在沿海省份方興未艾[1]。液化天然氣接收站項目中易燃介質附加超低溫的苛刻工況較多，對質量安全要求較高，在項目的執行過程中需要特別注意，其中管道材料的設計是整個設計過程中的重要一環，針對項目特點，管道材料設計有一些關鍵的特殊技術要求須要引起關注。

1 LNG接收站項目工藝特點

LNG 接收站項目典型工藝流程如圖1 所示。

從卸船管線一直到氣化器，管線全部處于低溫狀態（-162℃），這就要求管道材料具有足夠的沖擊韌性[2]和強度，以滿足LNG 輸送的要求。根據以上要求，對應的管道材料推薦使用奧氏體不銹鋼[3]，管道材料與工藝條件的對應關系如表1 所 示。

管道內流體為LNG，屬于易燃介質；附加超低溫的苛刻工況，對管道的質量提出了更高的要求。

2 低溫管道的關鍵技術要求

2.1 低溫管道的可焊性

LNG 接收站主要工藝管線介質是天然氣，特性為易燃介質；考慮到天然氣泄漏風險，貫徹盡量減少漏點的安全設計理念——在歐洲標準[4]中有較為明確的規定——LNG 管線適宜多采用對焊連接，減少法蘭連接的泄漏隱患。采用對焊連接越多，就意味著焊接量越大，所以要求材質的可焊性要好[5]，這是LNG 用低溫管道材料的第一個設計要點。

要求材料的可焊性好，對應要求管子材料中的含碳量宜為超低碳——超低碳不銹鋼具有優秀的可焊性，可以有效地降低焊接施工難度，降低焊接控制管理難度，對焊接后的質量容易保證，從而提高了整個系統的安全性。因此，具有超低碳含量的雙證奧氏體不銹鋼材料在LNG 接收站的設計中應用越來越廣泛。雙證奧氏體不銹鋼材料是指，奧氏體不銹鋼同時滿足低碳的化學成分要求和較高的機械性能要求，比如304/304L 雙證材料，需要同時滿足304L 的化學成分要求和304 的機械強度要求。需要指出的是，焊接工藝對奧氏體材料的焊接接頭質量也會產生一定的影響[6]，應該加以控制。

圖1 大型LNG 接收站項目典型流程示意圖Fig.1 Typical flow chart of large LNG terminal project

表1 典型管道材料與工藝條件對應表Table 1 Typical pipeline materials corresponding to process conditions

2.2 低溫管道的化學成分

對于LNG 接收站項目，低溫用不銹鋼管道宜選用雙證奧氏體不銹鋼材料[7]。對于雙證材質，材料的化學成分是一個重要的設計要點。化學成分需要對碳C、錳Mn、 磷P 、硫S 、硅Si 、鉻Cr、鎳Ni 、氮N 的含量進行嚴格控制。從上節分析可知含碳量應控制在超低碳——不得大于0.03%[8]。同時，奧氏體不銹鋼的主元素鉻含量宜控制在18.0% ～ 20.0%[9]；金屬鎳的含量宜控制在8.0% ～ 11.0%[10]，其余的元素控制詳見表2。

表2 材質304/304L 化學成分要求Table 2 Requirements for chemical composition of 304 / 304L material %

化學成分的控制需要依靠檢驗、檢測手段來保證。例如，A、B 公司材質304/304L 碳含量實測值中，A 公司明顯可見有兩個測試值偏離，說明A 公司的此批爐號對應的雙證不銹鋼材料，有兩個爐號不能滿足含碳量不大于0.03%的要求；而B 公司材質304/304L 碳含量實測值，測試值均能滿足要求，說明B 公司的此批爐號對應的雙證不銹鋼材料，在含碳量方面均能滿足不大于0.03%的要求。B 公司材質在含碳量方面優于A 公司。

同理可以檢驗Mn、Cr、Ni 等其他元素。

與此同時，經測試發現，A 公司的雙證鋼材質Cr 含量和Ni 含量都高于B 公司參數，Mn 含量低于B 公司參數，A 公司參數更好地滿足了LNG 低溫管材的要求。

2.3 低溫管道的力學性能

低溫用不銹鋼管道的機械性能是奧氏體不銹鋼材料的第三個設計要點。材料的機械強度不能降低，否則將影響設計壁厚[11]，這也是GB 51257[7]中推薦使用雙證材料的原因。作為控制點的力學性能，除了包括抗拉強度和屈服強度外，還應考慮低溫下的沖擊韌性，具體力學性能指標的控制值參見表3。

力學性能的控制同樣需要依靠檢驗、檢測手段來保證。例如，圖2、3 分別測試了材料抗拉強度和屈服強度，從數值看，均能滿足要求。需要指出的是，對于材料的的沖擊韌性，需要通過材料的延伸率和材料的低溫沖擊功兩個測試指標進行控制，而且低溫沖擊功測試需要涵蓋母材、焊接熱影響區和焊縫[12]，如圖4、5 所示。有時根據項目需要，須要同時考察側向膨脹量[13]。從質量控制角度來說，低溫沖擊功和側向膨脹量均可以作為測試要點，兩者之間有時具有近似的線性關系[14]。

2.4 低溫管道的熱處理

圖2 304/304L 抗拉強度Fig.2 304/304L tensile strength

圖3 304/304L 屈服強度Fig.3 304 / 304L yield strength

圖4 304/304L 延伸率Fig.4 304 / 304L elongation rate

圖5 304/304L 母材、熱影響區、焊縫低溫沖擊功平均值Fig.5 Average value of low temperature impact energy of 304 / 304L base metal， heat affected zone and seam

不銹鋼管道之所以要進行熱處理，不僅僅是為了得到所需要的機械性能，而且還為了得到其良好的耐腐蝕性能。熱處理是不銹鋼管道生產中的一個極為重要工序和生產環節，對奧氏體不銹鋼的組織和性能有著重要的影響[15]，因此也是低溫不銹鋼的一個重要的特殊技術要求。一般要求304/304L 不銹鋼管道固溶熱處理溫度為不低于1 040℃，用水淬或以足夠快的速度冷卻，以形成均勻的奧氏體組織。同時要求金相中鐵素體數FN 小于3。需要指出的是，由于LNG接收站項目管道口徑規格較大，有些壁厚偏薄的大口徑管道在熱處理的過程中會存在因重力而導致管道變形[16]的情況，此點應該給予很好的控制。

3 低溫管道的防腐蝕

材料一旦被腐蝕，安全便無從談起，所以在大型LNG 項目中管道材料的防腐蝕設計是一個容易忽視且重要的技術要求。不銹鋼在大多項目中都定義為不用防腐，但就LNG 接收站項目未必安全[17]。防腐蝕設計與項目的具體位置，當地氣候條件關系很大，應控制腐蝕性大氣環境對低溫管道材料的影響[18]。對于海邊的LNG 接收站項目，根據ISO 12944 的規定，定義為C5M 級的腐蝕環境。NACE 標準指出不銹鋼在含氯離子的環境下，需要考慮縫隙腐蝕和應力腐蝕[19]；歐洲標準EN 1473 中有明確的要求，在奧氏體不銹鋼表面涂漆分為底漆、中間漆、面漆三層；而且要求涂漆防腐中考慮含鹽腐蝕性氣體的影響。需要指出的是，只有進行有效防腐，才能保證表1 中的低溫材料腐蝕余量[20]為零，從另一個角度來說，低溫管道的防腐會對管道的壁厚設計產生影響。

4 結束語

對于液化天然氣LNG 接收站項目，低溫不銹鋼管道的安全使用對項目的成功運行起著關鍵作用。文章列舉了低溫不銹鋼管道的一些主要控制點：材料的可焊性、材料的化學成分、材料的力學性能、材料的熱處理，以及材料的防腐蝕。通過控制材質的可焊性，可以有效地降低焊接施工難度，保證焊接后的質量；在材料的化學成分方面，可以通過檢測材料的核心元素來控制材料質量；在材料的機械性能方面，通過檢測材料的延伸率和低溫沖擊功實現對材料低溫性能的控制；在材料熱處理控制方面，需要對薄壁的大口徑管道進行重點控制；在防腐蝕設計方面，需要結合環境因素和材質自身的特點給予充分考慮。這些技術要求沒有主次之分，都應在工程項目的執行過程中嚴格把控。