液化天然气低温管道设计问题探讨

李明明

摘 要：当前，生态环境污染不断加重，面对日益严峻的环境保护压力，为了实现经济的可持续发展，世界各国都在寻求新型替代能源，不断调整能源消费结构。天然气作为一种清洁能源，需求量正在不断加大，液化天然气站场的建设需要用到大量的低温管道，准确的选择材料，合理的进行管道设计，对于液化天然气管道的安全运行，节约建设成本具有重要的意义。

关键词：液化天然气;低温管道设计;问题;对策

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，当管道內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。

2LNG低温管道设计

2.1LNG低温管道材料选择

在天然气液化，LNG输送，LNG接收站、槽车站、小型气化站中，都会用到输送LNG的管道。由于LNG的液化温度为-162℃，需要在管道选材时特别注意，既要满足使用要求，又要考虑材料经济性和易采购程度。输送LNG的管道要求在-162℃的低温下，仍需要具有良好的抗腐蚀性，韧性和焊接性能，同时，线膨胀系数还要求尽量小。目前，常用于液化天然气领域的材料主要有9%镍钢和双证奥氏体不锈钢。9%镍钢属于低温镍钢，其最低使用温度为-196℃，能够满足储存、处理及输送LNG的要求，此种钢板在国内主要用于制造LNG全包容储罐的内罐罐壁。输送液化天然气管道常用双证奥氏体不锈钢（304/304L），此种材质化学组成满足304L不锈钢的要求，而机械性能满足304不锈钢的要求，抗腐蚀性能和强度都能达到此类管道的使用要求。

2.2LNG低温管道布置要点

液化天然气管道布置时，除了满足管道布置的一般规定外，因其管内介质的特殊性，增加了一些特殊的要求。

（1）优先选择将管道布置在管廊或管墩上，当受场地条件限制布置在管沟内时，应采取措施防止可燃气体积聚，可燃液体溢流。当在管廊架空布置时，宜布置在管廊的下层并远离热力管道或有伴热的管道。

（2）管道布置在满足柔性分析的同时，要尽量短，并减少弯头和袋形。在做管道布置时，优先考虑利用管道的自然补偿来满足管道的柔性要求。常用改变管道走向、调整支吊架形式和位置方式来增加管道的自然补偿能力。不应采用填料函式补偿器，以防止填料受冷收缩松弛而发生泄漏;当布置空间受限制时，可以考虑采用金属波纹补偿器。

（3）LNG在气化为天然气的过程中可以释放大量的冷能，这部分冷能有着广阔的应用前景，因此在管道设计过程中要采取防止冷能流失的措施。如在管道外包覆可靠的保冷材料，管道支架采用保冷管托，禁止在大口径管道上焊接支架支撑邻近小口径管道，静电接地耳板等伸出保冷层外的部分做保冷处理等，防止冷量传出造成冷能的浪费。

（4）管道应尽量减少法兰连接口，法兰连接处受冷收缩后，增加了管道泄漏的风险。为此，阀门多采用焊接连接，水压试验预留的放空，排凝口在水压试验完成后，均应焊接管帽封堵并做保冷处理。

（5）在操作过程中，可能造成封闭的管段。如两个阀门之间当阀门同时关闭时，由于管道与外界的热交换，造成LNG吸热气化，管内压力升高有可能造成管道超压，在此类情况下，就需要增加泄压措施以保证管道的安全运行，如增加安全阀。

（6）低温阀门，法兰的保冷多采用聚氨酯现场发泡技术，管道的保冷则采用泡沫玻璃或聚氨酯预制管壳结构，由于此类保冷材料为硬质的定型制品。这就要求在管道设计过程中，特别注意为管道、阀门、设备等需要包覆保冷层的地方留出足够的空间，防止在施工现场发生保冷层安装空间不足而难以调整的情况发生。

2.3保冷材料分析

液化天然气在转变为气态的过程中，可以提供大量的冷能。当前对于此部分冷能的回收利用已经有成熟的技术，并依托一些LNG接收站建成了冷能利用装置。冷能利用常用于空分制造液氮、液氧，发电，废弃物低温破碎处理，海水淡化等，取得了良好的经济效益。为了防止冷能的流失造成浪费，保证液化天然气管道安全运行，需要为此类管道选择可靠的保冷材料。应该优先选择导热率小，吸湿率低，耐低温性能好，材料易得，方便施工的综合经济效益较高的保冷材料。

2.4支吊架的设置

液化天然气管道的支吊架应该有防止产生“冷桥”的措施，如果采用常规管道支吊架，将会使管道内部冷量传出至管道的支撑结构上，导致钢结构韧性下降而产生低温脆性，存在安全隐患。基于此种考虑，液化天然气管道应选用有可靠隔冷层的支吊架，常用的隔冷层材料为高密度聚异氰脲酸酯或聚氨酯，并根据管道口径预制成型。低温管托由内向外的组成为高密度聚氨酯或聚异氰脲酸酯成型管壳，金属保护层，钢制管夹，并在每层隔层冷之间增加防潮层。保冷管托的选择及安装要求如下。

（1）液化天然气管道多数需要进行应力分析，管道施工应严格按照应力分析报告进行各种类型保冷管托的安装。

（2）管道多采用自然补偿，在管道位移较大部位（如π弯附近）的管托应将底板适度加长，防止管道收缩位移时管托偏离支撑结构甚至滑落。

（3）保冷管托隔冷层厚度应与管道保冷层厚度相同，以保证管道保冷与管托及外保护层严密贴合。

4）保冷管托选用的黏结剂、密封剂和耐磨剂应满足管道设计温度的要求，并具有较强的粘接力和良好的密封性能，并且不会对保冷材料和金属壁面产生不利影响。

结束语

液化天然气（LiquefiedNaturalGas，以下简称LNG）的主要成分是甲烷，还有少量的乙烷和丙烷。天然气作为一种清洁的化石能源，在发达国家的能源消费中，一直占有比较大的比重。我国对天然气的开采利用与发达国家相比虽然起步较晚，但随着我国能源及产业结构的调整，天然气在能源消费中所占的比重正在迅速增长。液化天然气（LNG）常压下沸点为-162℃，此类管道在设计过程中从管道材料选择，低温阀门选用，管道保冷材料的确定，保冷管托的设计等都具有区别于常规管道设计的鲜明特点。

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