LNG装置中低温管道设计

摘要：LNG液化天然气作为一种清洁、高效、安全的能源，以其热值高、污染少、储运方便等特点成为全球能源市场的新焦点。尤其是LNG作为车用燃料，成为了未来发展的趋势。本文结合LNG储运工艺的特点介绍了其部分装置中低温管道设计的相关内容和要求。

关键词：LNG；低温；管道设计；保冷

中图分类号：C35文献标识码： A

一、LNG低温管道设计特点

LNG是天然气净化后并在超低温状态下多级冷却液化的产物。LNG管道系统在超低温下运行，要充分考虑材质选择、阀门的选择及安装、管道应力消除、保冷支架及保冷层结构等问题。

1、低温管道材料

－162℃的超低温条件需求用于LNG管道的材料具有杰出的低温韧性、抗腐蚀功能、焊接功能，管道在常温下安装，在低温下运用时，材料的线膨胀系数应尽量小。目前国内LNG低温管道多选用奥氏体不锈钢材料。同时，9%镍钢以其优良的综合性能和超低温功能在国外LNG项目中使用越来越广泛，并且其线膨胀系数明显低于不锈钢，也有望变成LNG管道的主流材料。另外特别要注意的是，通常情况奥氏体不锈钢管道壁厚较薄，故强度、刚度较差。需要综合考虑管道壁厚的计算和管道支架的设置，避免噪声震动引起的严重后果。

2、阀门的结构及安装

低温阀门与普通耐压阀门相比，结构和功能上有很多不同。低温球阀、截止阀宜采用长阀盖结构，可防止填料盖被冻住，损坏填料。低温阀门通常阀杆垂直向上安装或中心垂直线30度向上安装，避免低温介质与填料盖长时间接触。阀门闭合时，为防止内部液体受热蒸发产生的压力破坏阀门，需要在阀门的高压侧设置一泄压阀，或在填料盖上设置安全阀。另外，阀门安装时要注意流向的正确。

3、低温柔性

低温管道体系制止运用波纹管膨胀节，低温管道上所有必需的柔性都通过改变管道走向自然抵偿和增加π型补偿器来完成。因此，应对LNG管道进行应力分析，合理选择π型补偿器的方位和所需补偿量。另外，大管径低温LNG管道还应考虑低温弯曲变形情况。

4、保冷结构

为避免LNG管道外表凝露、减少吸热以及达到低温工作时的防冻需求，需要对管道进行隔热规划整体的保冷设计。导热系数是衡量保冷性能的重要标志，保冷结构应具有良好的绝热性。当前国内外公司认可的保冷材料有以下几种:聚氨酯泡沫(PIR/PUR)、泡沫玻璃(FG)以及丁腈橡胶和二烯烃泡沫(LT+LTD)。其间，前两种材料的组合用于硬质保冷体系，后两种材料的组合用于柔性保冷体系。针对低温管道支架保冷结构，除了满足保冷性外还应考虑机械强度和保护性的要求，通常保冷结构包括保冷层、防潮层和保护层。当保冷层厚度≥80mm时应分层敷设。LNG低温管道支架多采用卡箍式结构，这样不仅降低施工难度，也便于日后维护。

二、低温管道的设计参数

按照规范，LNG管道的低温气相管道的设计压力应是最大工作压力的1.2倍。这部分管道的压力主要来源是储罐气相压力和LNG潜液泵的扬程，这两者之和就是管道的最大工作压力。对于一般的LNG加气站，这个压力约为1.6 MPa。因此LNG管道和低温气相管道的设计压力应为1.92 MPa。LNG在常压下的沸点约为-162℃。但由于系统试运行时要先灌注液氮冷管并排出空气，因此加气站工艺系统内的设备和管道的设计温度一般定为液氮在常压的沸点－196℃。因为管道中残留的水在低温介质的作用下会凝结成冰，可能会堵塞阀门造成安全隐患。因此低温管道宜使用气压试验代替水压试验，试验压力为设计压力的1.15倍，即2.208 MPa。

三、低温储运工艺对管道的要求

LNG是深冷液体，在设备储存和管道输送过程中会不断吸收周围环境的热量，产生蒸发天然气。当储罐内压超过一定值时，就只能将多余的蒸发天然气直接放散到大气中，造成了资源的浪费、环境污染以及安全隐患。目前国内采用的LNG储罐材料多为双层真空充填珠光砂，这种类型的储罐可以将设备静态蒸发率稳定在千分之二以下，有效的减少了LNG在储存过程中的损耗。在管道输送LNG时，如果出现大量蒸发天然气，还会因气泡过多产生气阻现象，严重影响LNG的输送。因此要重点关注低温管道的设计。

在设备的平面布置上，应该仔细地调整设备的间距和管口方位，在满足规范相关规定的前提下，使设备间相连的低温管道长度尽可能的短、弯头尽可能的少。一般情况下，LNG储罐与LNG潜液泵的平面距离不宜大于5 m。LNG卸车口在满足规范和行车要求的前提下，要尽量靠近LNG潜液泵布置以便于卸车。在设计LNG储罐基础高度时，需注意LNG的饱和蒸汽压较低，LNG潜液泵工作时很容易发生气蚀。为了泵的正常运行，应适当加高LNG储罐的基础，使LNG储罐的出液口比LNG潜液泵的进液口高至少1.5 m，且LNG潜液泵进液口与储罐出液口宜在一条水平直线上。

在配管时，低温管道应尽量采用双层真空夹套管道(简称真空管)。这种管道与普通的单层管道外包保冷材料相比，虽然价格略贵且需预制，但绝热效果更好，有利于LNG的稳定输送。但真空管穿越管廊时需要考虑足够的管位空间，保证合理的管间距。针对从LNG储罐到码头的超大口径输送管道，如36-42寸，应有详细的气液平衡计算，并进行合理的管道支架设计，现场阀门的操作应严格按照操作规程，避免发生水锤现象。LNG储罐和LNG潜液泵撬相连的管线应尽量使用大角度弯头斜接，且平面上尽量成一条直线，以尽量减小管道的阻力降。当液相和气相管道无法同时满足以上原则时，应优先满足气相管道。低温液相管线严禁出现上袋形，低温气相管线严禁出现下袋形，以防出现气阻和液封现象。LNG储罐与LNG潜液泵撬管线连接示意图如图1。

四、安装、操作、检查和维修的要求

LNG储罐与LNG潜液泵之间的管线上有很多手动和气动阀门，并且一般储罐的基础都抬得较高。为了便于操作和检修，应该根据实际需要在LNG储罐管口较集中的一侧设置操作平台。

加气站中，为了便于检修，LNG潜液泵到LNG加气机的管线宜采用管沟敷设。管沟上设置能够承受槽车碾压的盖板。管沟的深度应能容纳并支撑管道，沟底应有一定的坡度以利于排水。如果管沟的排水是汇总到储罐围堰内，则需要注意核算围堰容纳能力时不应按照围堰的内高，而应取管沟下沿到围堰根部的高度。即一旦储罐发生泄露，围堰内的LNG不能进入到LNG管沟。LNG卸车口与道路之间应设置防撞柱，且旁边应该有放置真空软管的容器。LNG卸车前应将管道内的水蒸气和其它杂质吹扫干净，以免堵塞阀门。为了操作人员吹扫方便，宜在LNG卸车液相管与气相管之间设置连通管，并加切断阀。在吹扫时，先用槽车内的天然气吹扫卸车气相管道，再将连通管上的切断阀打开，分别吹扫两根液相管道，吹扫完成后即可卸车。

五、管道焊接和无损检测的要求

管道的焊接质量对于LNG低温管道的稳定运行至关重要，因此在设计文件中应提出管道焊接和无损检测的要求。按照规范要求，LNG管道和低温气相管道的焊缝外观应成型良好，与母材圆滑过度，宽度宜为每侧盖过坡口2 mm，焊接接头应进行100%无损检测。管道的对接焊缝应采用射线检测，射线检测比例为100%。角焊缝应进行100%渗透检测。

结束语

综上所述，LNG是一种深冷的液态烃燃料，为了保证LNG装置的正常运行，在LNG工艺管道设计中，应注意:低温管道的设计参数，低温储运工艺对管道的要求，低温管道材料的选择，保冷结构的要求，安装、操作、维护的要求以及管道焊接要求等方面。

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