低温管道设计在液化天然气气站中的应用

2020-01-10孟庆淘

科学技术创新 2020年11期

孟庆淘

（哈尔滨市燃气工程设计研究院，黑龙江哈尔滨150000）

液化天然气的稳定传输是保证气站安全的关键，因此，在开展相关工作过程，要提高对于管道的设计能力，通过科学的设计传输管道，利于不断提高工作效率。本文以低温管道设计为研究，总结了如何通过高效的设计以进一步提高设计应用能力，从而实现液化天然气的科学应用。

1 钢管的低温脆性

管道中的污水如果未及时清理，在温度降到0℃以下后会使管道涨裂，阻碍管道内水体的排放，因此需要提前对排污管道进行必要的保温处理。冬天，由于供暖需求，管道内部会有持续的天然气流动，此过程所产生的热量可以确保管道不会因为温度过低而发生脆性断裂。但在特殊的情况，比如出现事故或必要的检修任务，需要停止管道内天然气的供应，此时温度会迅速下降，进而产生因温度过低而使管道出现问题的情况，所以设计人员需要对管道材料进行筛选，同时与厂家协商，确保材料满足必要的韧性要求，避免低温造成的管道脆裂问题，减少不必要的经济损失和维修费用。尽管如此，某些区域仍然存在温度迅速下降的情况，当管道材料无法满足温度骤变要求的前提下，仍然需要采取必要的保温措施，并及时对管道温度进行监测，以此确保管道使用性能的正常化。当采取的保温措施仍然无法避免管道材料出现脆性断裂的情况时，则需要考虑管道应力比的概念。根据管道低温冲击试验，当管道内部的温度应力比出现明显的变化时，可以通过对温度幅度的调解，使管道免除低温冲击的伤害，避免脆性断裂情况的产生。ASME 锅炉和压力容器能够正常使用也都参考了以上的压力容器变化概念。

综上所述，对于特殊区域需要进行停输放空的管道，操作的同时需要满足以下条件：①对需要检修的管道区域提前完成天然气的停输工作，确保管道内部和设备之间产生的组合应力降到最低，此时在温度急剧下降的条件下，产生脆性断裂的可能将会明显降低。②检修完毕以后进行输气前，需要提前进行管道温度调节，促使管道温度满足必要的温差变化要求后进行输气。保温措施延迟了管道产生脆性断裂的时间，为检修预留了更多的时间，如果这样仍然无法在规定时间内完成检修，还需要完成上一步的操作。

2 管道材料选取

为了实现设计的应用价值，需要提高材料应用效率，通过科学的选取材料，能够不断提高设计水平，因此，作为设计人员要有效的保证设计材料应用的有效性。从实际分析，当温度达到超低温（-162℃）的相关温度时，选择管道时应充分考虑材料具有的低温韧性以及抗腐蚀性能力，同时参考材料的膨胀系数，了解碳钢、低合金钢等材料在低温环境下产生的韧性变化，如果超低温使其失去韧性，则不可以将其用于气化站的输送体系。经过大量的数据对比和材料筛选后得知，9%的镍钢、铝合金和奥氏体不锈钢都可以在低温下保持良好的韧性性能，但各自性能明显的区别。生产工艺的成熟和快速发展，使奥氏体不锈钢获得更强的耐腐蚀性，被广泛应用于多种低温环境。9%的镍钢虽然整体性能要优于其他材料，但我国内部的制作工艺受阻，从而导致整体的造价过高。综合以上的材料数据不难分析，当管道介质温度在-20 摄氏度以下时，可以按需求考虑使用不锈钢无缝钢管，材料为06Cr19Ni10。当管道内部温度高于-20℃时，则需要根据公称直径进行钢管的选择，可选择的钢管有无缝钢管和焊接钢管。

3 管道绝热设计

3.1 绝热材料的选择

不同的工程对于绝热材料都有特定的需求，要按照场景的不同进行绝热材料的筛选，绝热材料的挑选过程满足以下条件：本身具有较强的绝热性能，导热系数低；较高的防火能力；对水的吸附能力以及渗透系数更低；在特定的场合使用时，可能需要承受外部较强的压力，所以材料本身要具有足够的抗压性能，并且不易被损坏；较低的热膨胀系数也保证了材料在超低温和常温环境中具有稳定的性质；运输液化天然气的管路为保证安全，选择奥氏体不锈钢，此时绝热材料本身的氯化物含量要足够低；绝热材料的化学性质要稳定，才能在更多场合中使用；绝热材料容易加工、裁剪，本身的再利用能力也值得考虑。

我国内部的接收站大多选用异氰脲酸酯泡沫塑料做保温材料，这与其本身的稳定性性质有关。在特定的媒介催化剂作用下，两种物质发生的反应，最终获得了闭孔结构的硬质绝缘材料，为我国内部的工程建筑提供了巨大的帮助。07 年左右，我国已基本了解了PAI 生产技术，并且各项生产指标和最终获得的材料也满足了CINI2.7 要求。

3.2 绝热结构设计

根据不同位置的保温要求和使用特点，进行LNG 保冷时会优先选择造价成本较低的材料，通过堆积绝热法达到防潮、保护以及绝热的目的。分析PIR 保温结构得知，该结构是在PIR 包裹上玻璃纤维带以及必要的防护层，之后用不锈钢析进行保护。

4 管道布置设计

维持必要的气体流通，LNG 管线不可以采取袋形设计模式。为了完成污水的排放，需要将主管保持一定的倾斜角度，角度大小根据环境以及使用要求而定。之所以将LNG 管线铺设在整体管线下层位置，是为了避免该管线出现泄露而产生不必要的损失。各管县之间的位置和距离应提前设定，这样在铺设的同时既可以避免相互之间的干扰，也可以保证管件的完整性。通过柔性化布局设置，可以避免管道出现顿挫感，减少管道设备在使用过程中出现的核载与力矩问题。柔性设计的条件是：拥有足够强度的承重支架和导向支架作为支撑，各结构之间相互配合，最终根据方案完成设备出入口的管道柔性安装。为了提高管道的使用长度，并且避免连接位置出现脆性断裂情况，需要充分使用柔性的布置技巧，比如T 形和Z 形，使管道在特定的位置得到补偿，减少管道因多个转弯而出现的柔性系数降低问题。

5 管道保冷设计

分析LNG 低温管道保冷方式后，可大致分为以下三种：真空管道、三聚酯泡沫（PIR）和泡沫玻璃（CG）。PIR 本身具有较低的密度和导热系数，可以在超低温环境下使用，按照要求也可以进行特定的韧性变化，可是其本身的防火性能较低，同时吸水性能有限；泡沫玻璃材料具备防水、耐高温、不易燃、收缩性低等优点，但受制造工艺限制，该种材料的整体造价会更高。按照不同管道的使用要求，进行真空管道布置时要提前做好线路的分配，同时利用多次缠绕的方式使管道拥有更好的保冷效果，维护和安装更加便捷，相对应的缺点则是造价较高，材料获取难度较大。根据目前的经济支出要求，管道铺设应尽量选择PIR材料，才有可能投入最低的成本。