LNG用低温管材的关键要求

贾琦月

（中国寰球工程有限公司北京分公司，北京 100012）

随着国家对清洁能源需求量的逐渐增加，液化天然气（LNG）接收站项目在沿海省份方兴未艾[1]。液化天然气接收站项目中易燃介质附加超低温的苛刻工况较多，对质量安全要求较高，在项目的执行过程中需要特别注意，其中管道材料的设计是整个设计过程中的重要一环，针对项目特点，管道材料设计有一些关键的特殊技术要求须要引起关注。

1 LNG接收站项目工艺特点

LNG 接收站项目典型工艺流程如图1 所示。

从卸船管线一直到气化器，管线全部处于低温状态（-162℃），这就要求管道材料具有足够的冲击韧性[2]和强度，以满足LNG 输送的要求。根据以上要求，对应的管道材料推荐使用奥氏体不锈钢[3]，管道材料与工艺条件的对应关系如表1 所 示。

管道内流体为LNG，属于易燃介质；附加超低温的苛刻工况，对管道的质量提出了更高的要求。

2 低温管道的关键技术要求

2.1 低温管道的可焊性

LNG 接收站主要工艺管线介质是天然气，特性为易燃介质；考虑到天然气泄漏风险，贯彻尽量减少漏点的安全设计理念——在欧洲标准[4]中有较为明确的规定——LNG 管线适宜多采用对焊连接，减少法兰连接的泄漏隐患。采用对焊连接越多，就意味着焊接量越大，所以要求材质的可焊性要好[5]，这是LNG 用低温管道材料的第一个设计要点。

要求材料的可焊性好，对应要求管子材料中的含碳量宜为超低碳——超低碳不锈钢具有优秀的可焊性，可以有效地降低焊接施工难度，降低焊接控制管理难度，对焊接后的质量容易保证，从而提高了整个系统的安全性。因此，具有超低碳含量的双证奥氏体不锈钢材料在LNG 接收站的设计中应用越来越广泛。双证奥氏体不锈钢材料是指，奥氏体不锈钢同时满足低碳的化学成分要求和较高的机械性能要求，比如304/304L 双证材料，需要同时满足304L 的化学成分要求和304 的机械强度要求。需要指出的是，焊接工艺对奥氏体材料的焊接接头质量也会产生一定的影响[6]，应该加以控制。

图1 大型LNG 接收站项目典型流程示意图Fig.1 Typical flow chart of large LNG terminal project

表1 典型管道材料与工艺条件对应表Table 1 Typical pipeline materials corresponding to process conditions

2.2 低温管道的化学成分

对于LNG 接收站项目，低温用不锈钢管道宜选用双证奥氏体不锈钢材料[7]。对于双证材质，材料的化学成分是一个重要的设计要点。化学成分需要对碳C、锰Mn、 磷P 、硫S 、硅Si 、铬Cr、镍Ni 、氮N 的含量进行严格控制。从上节分析可知含碳量应控制在超低碳——不得大于0.03%[8]。同时，奥氏体不锈钢的主元素铬含量宜控制在18.0% ～ 20.0%[9]；金属镍的含量宜控制在8.0% ～ 11.0%[10]，其余的元素控制详见表2。

表2 材质304/304L 化学成分要求Table 2 Requirements for chemical composition of 304 / 304L material %

化学成分的控制需要依靠检验、检测手段来保证。例如，A、B 公司材质304/304L 碳含量实测值中，A 公司明显可见有两个测试值偏离，说明A 公司的此批炉号对应的双证不锈钢材料，有两个炉号不能满足含碳量不大于0.03%的要求；而B 公司材质304/304L 碳含量实测值，测试值均能满足要求，说明B 公司的此批炉号对应的双证不锈钢材料，在含碳量方面均能满足不大于0.03%的要求。B 公司材质在含碳量方面优于A 公司。

同理可以检验Mn、Cr、Ni 等其他元素。

与此同时，经测试发现，A 公司的双证钢材质Cr 含量和Ni 含量都高于B 公司参数，Mn 含量低于B 公司参数，A 公司参数更好地满足了LNG 低温管材的要求。

2.3 低温管道的力学性能

低温用不锈钢管道的机械性能是奥氏体不锈钢材料的第三个设计要点。材料的机械强度不能降低，否则将影响设计壁厚[11]，这也是GB 51257[7]中推荐使用双证材料的原因。作为控制点的力学性能，除了包括抗拉强度和屈服强度外，还应考虑低温下的冲击韧性，具体力学性能指标的控制值参见表3。

力学性能的控制同样需要依靠检验、检测手段来保证。例如，图2、3 分别测试了材料抗拉强度和屈服强度，从数值看，均能满足要求。需要指出的是，对于材料的的冲击韧性，需要通过材料的延伸率和材料的低温冲击功两个测试指标进行控制，而且低温冲击功测试需要涵盖母材、焊接热影响区和焊缝[12]，如图4、5 所示。有时根据项目需要，须要同时考察侧向膨胀量[13]。从质量控制角度来说，低温冲击功和侧向膨胀量均可以作为测试要点，两者之间有时具有近似的线性关系[14]。

2.4 低温管道的热处理

图2 304/304L 抗拉强度Fig.2 304/304L tensile strength

图3 304/304L 屈服强度Fig.3 304 / 304L yield strength

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

图5 304/304L 母材、热影响区、焊缝低温冲击功平均值Fig.5 Average value of low temperature impact energy of 304 / 304L base metal， heat affected zone and seam

不锈钢管道之所以要进行热处理，不仅仅是为了得到所需要的机械性能，而且还为了得到其良好的耐腐蚀性能。热处理是不锈钢管道生产中的一个极为重要工序和生产环节，对奥氏体不锈钢的组织和性能有着重要的影响[15]，因此也是低温不锈钢的一个重要的特殊技术要求。一般要求304/304L 不锈钢管道固溶热处理温度为不低于1 040℃，用水淬或以足够快的速度冷却，以形成均匀的奥氏体组织。同时要求金相中铁素体数FN 小于3。需要指出的是，由于LNG接收站项目管道口径规格较大，有些壁厚偏薄的大口径管道在热处理的过程中会存在因重力而导致管道变形[16]的情况，此点应该给予很好的控制。

3 低温管道的防腐蚀

材料一旦被腐蚀，安全便无从谈起，所以在大型LNG 项目中管道材料的防腐蚀设计是一个容易忽视且重要的技术要求。不锈钢在大多项目中都定义为不用防腐，但就LNG 接收站项目未必安全[17]。防腐蚀设计与项目的具体位置，当地气候条件关系很大，应控制腐蚀性大气环境对低温管道材料的影响[18]。对于海边的LNG 接收站项目，根据ISO 12944 的规定，定义为C5M 级的腐蚀环境。NACE 标准指出不锈钢在含氯离子的环境下，需要考虑缝隙腐蚀和应力腐蚀[19]；欧洲标准EN 1473 中有明确的要求，在奥氏体不锈钢表面涂漆分为底漆、中间漆、面漆三层；而且要求涂漆防腐中考虑含盐腐蚀性气体的影响。需要指出的是，只有进行有效防腐，才能保证表1 中的低温材料腐蚀余量[20]为零，从另一个角度来说，低温管道的防腐会对管道的壁厚设计产生影响。

4 结束语

对于液化天然气LNG 接收站项目，低温不锈钢管道的安全使用对项目的成功运行起着关键作用。文章列举了低温不锈钢管道的一些主要控制点：材料的可焊性、材料的化学成分、材料的力学性能、材料的热处理，以及材料的防腐蚀。通过控制材质的可焊性，可以有效地降低焊接施工难度，保证焊接后的质量；在材料的化学成分方面，可以通过检测材料的核心元素来控制材料质量；在材料的机械性能方面，通过检测材料的延伸率和低温冲击功实现对材料低温性能的控制；在材料热处理控制方面，需要对薄壁的大口径管道进行重点控制；在防腐蚀设计方面，需要结合环境因素和材质自身的特点给予充分考虑。这些技术要求没有主次之分，都应在工程项目的执行过程中严格把控。