淺談管道連接設備拆裝方法

高維剛，張志峰

（中海浙江寧波液化天然氣有限公司，浙江寧波 315800）

1 概述

浙江LNG 接收站一期共有3 臺超聲波流量計，設備位號FT08402A/FT08402B/FT08402C，主要用于高壓外輸天然氣管網貿易計量[1]，單臺流量計最大外輸流量4.4×107m3/h，每兩年需下線外送校檢一次，為此特備一臺超聲波流量計FT08402D 用于校驗時替換，計量橇主要設備見表1。其中，橇座1 重49 100 kg，橇座2 重38 700 kg，總重87 800 kg。

表1 計量橇主要設備

進氣匯管與外輸匯管為ASTM 36″ 900# API 5L，X70，通過3 條ASTM 12″ 900# A106B[2]外輸管道與外輸匯管連通，并聯連接形式。超聲波流量計分別通過閥門、整流柵短管安裝在3 條外輸管道上，每條外輸管道可獨立工作并通過球閥進行切換，整體橇裝結構簡稱計量橇。

超聲波流量計（USM）為計量橇上的關鍵設備，連接管道、整流柵短管、超聲波流量計平面法蘭連接形式，采用石墨纏繞墊片密封，由于計量橇為整體橇裝結構，管線、閥門、流量計設計空間緊湊、管道應力較大，單條外輸管道設備拆裝困難，一般采取在中斷天然氣外輸情況下，對整個外輸管線吹掃置換合格后，分別拆開相鄰流量計法蘭消除管道應力后，方可進行流量計的替換作業。圖1 為計量橇設備布置圖。

圖1 計量橇設備布置圖

2 故障現象

2019 年對超聲波流量計FT08402B 下線校驗拆卸過程中，由于管道存在較大應力拆卸困難，考慮到管道應力過大，于是關閉運行中的A 條外輸管線，將相鄰的超聲波流量計FT08402A 法蘭拆開，但管道應力仍然較大，采用法蘭分離器進行強力拆卸，最終導致超聲波流量計法蘭密封面和整流柵短管法蘭密封面產生劃傷損壞（圖2、圖3）。

圖2 超聲波流量計法蘭密封面損壞

圖3 整流柵短管法蘭密封面損壞

3 問題分析

3.1 存在的問題

（1）計量撬中進氣匯管與外輸匯管通過3 條外輸管道并聯連通，整體橇裝，結構緊湊，3 條管道與匯管安裝之間距離較近，單獨拆卸某一條外輸管道連接設備時受相鄰管道應力影響較大。

（2）設備配管安裝初期，雖然3 條外輸管道并聯結構管道長度相近，但3 條管道安裝過程中管道長度受匯管影響也有差異，再加上外輸管道應力釋放和法蘭螺栓扭矩的不同，3 條管道存在的應力也不相同。

3.2 法蘭密封面損壞分析

（1）為提高測量的準確性，將超聲波流量計FT08402B 整流柵短管安裝完成后，現場實測兩法蘭最小距離為890 mm（圖4），超聲波流量計FT08402B 最大尺寸為885 mm（圖5），兩側法蘭均安裝兩個金屬纏繞墊，單個墊厚度4.5 mm，經計算，超聲波流量計安裝所需最小間隙=流量計最大尺寸+兩端金屬纏繞墊厚度=885 mm+4.5 mm×2=894 mm，兩法蘭最小距離小于流量計安裝所需間距。

圖4 整流柵短管安裝后兩法蘭距離

圖5 FT08402B 流量計最大尺寸

（2）3 臺超聲波流量計、整流柵通過短管法蘭安裝在進氣匯管與外輸匯管之間，石墨纏繞墊片密封要產生適度的壓縮量（厚度變小），來滿足密封墊的預緊和確保法蘭密封性。各段管道安裝距離要大于法蘭螺栓緊固后的總長度，因此在沒有拆卸相鄰管道法蘭，進行單一拆卸管道更換設備必定困難，強力拆卸甚至會造成法蘭密封面損壞。

由于計量撬為橇裝結構，計量管道采用并聯連接方式，再加上超聲波流量計法蘭采用的石墨纏繞墊片密封形式，造成超聲波流量計安裝時兩法蘭距離要大于預緊后的法蘭距離，導致在不停天然氣外輸情況下，進行超聲波流量計的下線校驗作業無法進行，即使在3 條管道外輸全停的情況下，拆卸相鄰管道和移動外輸總管和閥門工作量將成倍增加。

4 解決措施

4.1 管道預冷

為確保外輸量不受影響的前提下完成流量計回裝工作，實現單臺流量計的拆裝替換作業，擬采用溫差法解決管道應力過大、安裝設備法蘭間距過小的問題，準備對外輸管道實施干冰[3]（干冰是固態的二氧化碳，在6 250.549 8 kPa 壓力下，將二氧化碳冷凝成無色的液體，再在低壓下迅速凝固而得到-78.5 ℃）預冷。

4.2 預冷管道韌脆轉變分析

（1）待預冷管道材料ASTM A106B 屬于美標無縫鋼管，類似于國內的Q235 材料，C、Mn、Si 組的分抗拉強度等級415 MPa，溫度范圍-28.9～565 ℃。根據GB 50028—2019《城鎮燃氣設計規范》第6.3.1 條[4]規定，地下次高壓B 燃氣管道也可采用鋼號Q235 焊接鋼管。

（2）Q235 材料測試評估（拉伸試驗、沖擊試驗、硬度、金相），溫度（15 ℃，0 ℃，-10 ℃，-20 ℃，-30 ℃，及-30 ℃恢復到常溫后測試）測試結果如下：①屈服強度和抗拉強度隨溫度降低變化不大；②布氏硬度值基本穩定；③每個試樣經過低溫48 h 后沖擊值都有明顯下降趨勢。

試樣從-30 ℃恢復到常溫后的沖擊值則有所上升，不同溫度下試樣沖擊功測試值見表2。

表2 不同溫度下試樣沖擊功測試值

從微觀力學來解釋，材料的斷裂強度受溫度影響較小，降溫時屈服強度升高，當在某一溫度下屈服強度與斷裂強度相等時，這個溫度就是韌脆轉變溫度[5]。金屬材料在低溫環境的裂紋擴展特性與材料本身的韌脆特性以及裂紋擴展機制有密切的聯系，低溫冷處理作為一種有效提高金屬材料疲勞性能的方法，低溫環境能夠改變材料的微觀結構從而降低裂紋擴展速率，已經廣泛的引起人們的關注，并逐步成為低溫疲勞的熱點問題[6]。

4.3 現場測量

經過對計量橇現場實地測量，每條外輸管道分為3 段，均為ASTM 12″ 900#法蘭連接形式，其中超聲波流量計整流柵短管長3000 mm，其余連接管道長度分別為3000 mm 和8000 mm，考慮到法蘭尺寸，實際待預冷管道長度為2500 mm、2500 mm、7500 mm，預冷管道總長=12 500 mm，實施預冷管道見圖6。

圖6 預冷管道分布情況

4.4 管道收縮量計算

預冷管線材料ASTM A106B，查表A106B 材料線膨脹系數[7]＆=11.5×10-6，環境溫度t1=30 ℃，預冷溫度t2=-10 ℃，預冷管線總長度L 減去法蘭長度=12 500 mm，需要管線收縮量δ=4 mm，溫差Δt=t1-t2=40 ℃。計算公式為δ=＆×L×Δt ℃，則δ=11.5×10-6×12 500 mm×40 ℃=5.75 mm。

預冷溫度-10 ℃時管道收縮量為5.75 mm 大于需收縮量4 mm，滿足兩法蘭間距894 mm 所需安裝流量計尺寸要求和安裝條件。

5 具體實施情況

5.1 預制套管

3 段預冷管道為ASTM 12″ 900# 管表號80，管道外徑383 mm，長度分別為2500 mm、2500 mm、7500 mm，采用厚度1.2 mm 鍍鋅鐵皮根據待預冷管道外徑預制套管，套管與管道間留有一定的環形空間腔室，套管上預留多個Φ30 mm干冰加注孔，外部纏繞保溫材料，具體尺寸見圖7，預冷套管安裝見圖8。

圖7 干冰冷縮套管尺寸

圖8 預冷套管安裝

5.2 預冷時間估算

預冷管道所需冷卻時間按式（1）計算[8]。

式中 t——冷卻時間，min

α——冷卻劑及被冷卻件的材料綜合系數，本文取1.2

δ——預冷管道最大厚度（ASTM 12″ 900#管表號80 取壁厚18 mm），mm

計算得出t=21.6 min，此值為估算值（與干冰填充量、速度有關），最終應與實測法蘭距離滿足安裝需求為準。

5.3 裝配工藝

（1）將整流柵短管安裝好，同時在3 段預冷管道上安裝預制套管和保冷材料（圖9）。

圖9 現場管道預冷

（2）在不安裝墊片情況下將超聲波流量安裝至短管法蘭之間，并裝入連接法蘭下半部1/2 螺栓，檢測兩法蘭之間距離并記錄。

（3）檢測兩法蘭之間距離，如果不能滿足單側法蘭墊片安裝條件，再次填充干冰直至滿足墊片安裝條件。

（4）單側法蘭墊片安裝后應立即上緊螺栓，這樣有利于另一側法蘭墊片安裝。

5.4 裝配要點

（1）預冷過程中要時刻檢測預冷管道溫度，避免造成預冷溫度過低現象，能滿足一側墊片安裝，應盡快安裝。

（2）預冷過程中干冰分3 次填充和量的控制，并控制預冷時間避免預冷速率[11]過快。

（3）預冷過程中時刻檢測兩法蘭之間距離變化，滿足墊片安裝條件快速插入墊片。

（4）法蘭緊固按ASTM 標準[12]分3 次進行，力矩分別為50%、70%、100%。

采用上述方案，安裝設備前對管道實施預冷達到安裝條件，順利完成了超聲波流量計的替換作業，不僅保證外輸量不受影響，同時保證了流量計及管道法蘭面的完好性。

6 結束語

在某些特定條件下利用冷媒對管道進行預冷，通過計算和控制管道冷縮量安裝管道設備，提供了一種全新的拆裝方法，該方法具有結構簡單、操作方便、安全可靠、省時省力，同時確保安裝質量。