双燃料船LNG管路制作与安装

方云虎，芮晓松，刁海兵

(1.中船鼎衡造船有限公司，江苏 扬州 225000；2.江苏科技大学，江苏 镇江 212003)

0 引言

双燃料船舶具有高技术、高难度、高附加值的特点，其LNG(Liquefied Natural Gas)系统从液罐到PR室间的管路必须在-163 ℃低温下运输液化气。LNG的低温特性易使管路的有关金属部件产生脆性破裂，因此对其运输管路的焊接质量，以及管路的清洁度要求比一般船舶的要求更高，相关研究也正在蓬勃发展[2]。本文重点论述提高制冷管路焊接质量的工艺方法。该工艺采用氮气压力试验的方法确认管路强度和质量，使用爆破吹扫法提高管路清洁度，以对比试验的方法确定管路干燥方式，并以此为依据完成双燃料船的LNG管路制造、安装工作。

1 不锈钢管路的焊接工艺和检验标准

1.1 焊接工艺

双燃料船不锈钢管系的焊接方式采用手工钨极氩弧焊(TIG)，使用纯度不小于99.99%的工业纯氩。钨极焊焊丝使用直径为1.6～3.2 mm的氩弧不锈钢焊丝。

焊接质量关键控制点如下：

(1)不锈钢作业与碳钢作业区应严格隔离，保证工作场地干净无灰尘和无碳钢粉尘。

(2)任何用于不锈钢焊接的工具不能用于碳钢操作，并且要求严标识区分。

(3)焊接前要充分冲入保护气体；焊接完成后焊枪不能立即提起，至少持续停止5～6 s，以达到滞后气体对焊缝的保护作用。焊接前对焊接管道内充氩气1～2 min，一般流量为8～10 L/min。

(4)焊角尺寸与焊材壁厚相同。当壁厚大于3 mm时采用多道焊缝，小于等于3 mm时同样开坡口多道焊缝。

1.2 焊接完成后的检验标准

(1)不锈钢管路系统焊缝编码代码唯一。

(2)拍片规则：要求1级管外径大于76.1 mm的100%拍片；要求外径大于101.6 mm的2级管和外径小于76.1 mm的1级管10%拍片。

(3)拍片记录具有可追溯性，且记录文件保存时间为3 a。

(4)无法进行射线探伤的管路采用着色探伤。

管路制作检验完成后进行整体酸洗钝化等工作，然后将两端封口并在外表面做好涂装和三防布保护，等待上船安装。

2 LNG系统管路安装

2.1 安装特点

(1)LNG系统管路采用对接焊接，与设备连接处采用两片凹面法兰+核级石墨垫片+定距环的连接方式。

(2)LNG系统管路存在温度差，导致管路膨胀和收缩，所以安装要求比较高，孔圆中心偏差最大不能误差0.5 mm。

(3)LNG系统仪表管、负荷控制管采用双卡芯卡套连接，以保证气密性。

2.2 强度和密性实验

管路安装完成后，用氮气对LNG系统管路进行压力和密性试验。试验时，应断开相关仪表和设备。

压力试验程序如下：

(1)参与压力试验的所有管路串成临时的管网，初步加压到1.7 Pa，或者25%的设计压力。对整个管网进行查漏，并对泄露点进行处理。

(2)以25%的加压速率每隔10 min对管路进行升压直到试验压力。

(3)到达试验压力后维持30 min，在此期间不允许对管路进行检查。全部过程采用压力记录仪进行压力记录。

(4)降低试验压力到系统工作压力，对管路及焊缝进行外观检查有无开裂和变形。

(5)降低试验压力到1 Pa时，用肥皂水对焊缝和连接法兰处进行密性检查。

(6)任何泄露的修复都必须重新进行试验。

2.3 LNG系统的清洁

(1)前期阶段应做好管段的清洁和保护工作。

(2)安装过程中特别是船上焊接部位完成焊接后的局部清洁。

(3)管路安装完成后对系统加压并进行爆破清洁法。

2.3.1爆破吹扫的原理

爆破吹扫是将管路一端用比管道强度低得多的爆破片封闭。当系统压力逐渐升高到达爆破片所能承受的最大压力时，爆破片突然爆裂，系统中的压缩气体瞬间从爆破口以很高的速度喷出。同时，管道内的杂物伴随管道的震动和高速气流的冲击从爆破口喷出。通过反复几次的操作达到对管路进行清洁的作用。另一端通入压缩气体，通入的压缩气体通常为干燥的氮气。吹扫过程的关键是要根据系统管路的布置特点选择合适的注入点和爆破口，建立合理的吹扫方案。爆破吹扫的原理如图1所示。

图1 爆破吹扫原理

2.3.2爆破吹扫的基本步骤

(1)安装隔离盲板，隔离不能吹扫的孔板、流量计、阀门、传感器、设备等。

(2)需要临时配管的地方安装临时接管，并安装好相应的压力表和阀门。阀门最好选择快开闭形式的阀门。

(3)给气点用盲板或者现场加工的钢板隔离封堵。板子厚度根据压力情况选择。

(4)安装爆破片。本项目爆破片选取4 mm耐油橡胶纸板垫片。

(5)在距离爆破口适当的位置设置隔离屏障。

(6)开阀从充气口充气。爆破点压力根据现场操作经验，一般控制在0.6～0.8 MPa。

(7)可在隔离屏障上设置一块湿润的白布。通过观察白布上的杂物情况来判断管路吹扫的效果，通常进行2～3次。

2.3.3爆破吹扫的安全注意事项

(1)爆破口前方严禁人员走动，周围应做好一切事物的防护措施。

(2)每次爆破前应检查所有管路设施等。

(3)任何人不得随意操作阀门，拆卸松动法兰等，所有操作必须有统一指挥。

(4)管道的爆破吹扫压力不能超过管路的最大允许使用压力。

管道清洁完成后恢复所有的管道连接，盲板的位置应做好标记。所有工作完成后，拆除安装的试验仪表，重新连接设备，并对整个系统用1 Pa的压力重新进行一次密性试验。同样用肥皂水检查所有的连接部位，确保整个管路系统的密性。

3 LNG系统管路的处理

3.1 LNG系统管路的干燥

3.1.1LNG系统管路干燥的必要性

LNG系统管路在制作和运输过程中与空气接触后会含有少量水汽，在LNG注入后，温度自然降低。当温度降至0 ℃以下时，水汽会在管壁上直接凝华而迅速结冰，在LNG管路狭窄处就会形成堵塞，这就是所谓的“冰塞”现象。“冰塞”现象发生后，LNG输送及再汽化效果下降，整个系统的循环量和再汽化蒸发量将减少，LNG向主机供气量缓慢下降。如果“冰塞”严重或未及时消除，将使LNG输送系统不能工作，造成主机无法在燃气模式下进行工作。系统停止工作后，一部分冰将融化。压缩机启动后，随着LNG气体的循环流动，系统中水分重新凝结成冰而形成“冰塞”，周而复始形成恶性循环，使压缩机启停频繁，系统无法正常工作，并严重影响压缩机的使用寿命。因此，LNG系统管路的干燥除水是整个LNG系统正常工作的关键的一步。

3.1.2LNG系统管路干燥的常用方法

(1)真空干燥法

用真空泵从系统内抽气，直到在环境温度下的饱和蒸气压，使系统管路内的水蒸发，并抽出管路，达到干燥目的。在对系统管路抽真空的同时，对压缩机、管路等部件加热升温。为防止抽湿时系统真空度升高过快及真空度过高造成水分易于结冰，不宜采用过大的真空泵。最好用6～8 L/s之间的大真空泵进行抽空，抽空的时间约为4 h。

(2)氟氮气冲吹法(也称氟氮气脱水法)

系统管路抽空后，给管路充入一定压力的制冷剂或干燥的氮气，然后启动压缩机5～10 min，再将系统内已吸收了部分水分的氟或氮气放出，如此反复2～3次便可排除水分。

LNG系统管路相对较短，管路总容积小，适合采用真空干燥法。

3.2 LNG系统抽真空

真空泵的作用是从真空室中抽除气体分子，降低真空室内的气体压力，使之达到要求的真空度。为达到最佳配置，选择真空泵时，应先确定工作环境温度、需要达到的要求真空度(即饱合蒸气压)和真空度的时间。

3.2.1真空泵的选型计算

泵吸口流量[3]按式(1)计算：

S=V/tln (P1/P2)

(1)

式中：S为泵的吸口流量，L/s；V为管路总体积，V=2 000 L；t为排气时间，t=1 800 s；P1为初始系统真空度，P1=100 kPa；P2为要求真空度，P2=0.87 kPa。

经过计算：S=7.68 L/s，所以选取泵理论排量范围为6～8 L/s。

由于在系统管路抽真空过程中，会降低管路温度并影响环境温度，实际施工过程中利用暖风机向压缩机房送暖风，并在压缩机房增加20盏太阳灯，以提高环境温度。

根据以上计算的泵口流量，真空泵选用的主要技术参数要求如下：

(1)抽气速率6～8 L/s。

(2)配真空电磁阀。

(3)配真空表2只(带压力表阀)。

(4)配气镇阀。

(5)电制220 V。

真空泵与LNG系统管路连接管采用KF接头软管。KF具有便捷快接特点，方便施工中的频繁拆卸，同时软管可以吸收真空泵运转时候带来的振动。

3.2.2抽真空的实际操作流程

(1)检查整个系统的完整性，有无临时开口需要封闭。所有管路的阀门打开，确保整个管路系统都能抽吸真空。

(2)关闭泄放阀门，连接真空泵与油气分离器的泄放口。

(3)在系统管路的进口处设置2个真空记录点安装无纸记录仪和真空传感器。

(4)试运行真空泵，观察真空泵运行是否正常，真空建立情况是否正常。

(5)不停泵，打开泄放阀门对系统抽吸真空。

(6)在抽吸真空的过程中，通过真空记录仪和相应的传感器观察系统真空建立情况。

(7)接近要求真空度后，先关闭阀门再停止运行真空泵，以防止先停泵后关阀造成的真空失效。

(8) 停泵并监测压力(24 h)。

3.2.3安装临时拆卸附件

抽吸真空干燥工作结束后，需要安装临时拆卸的膨胀阀等附件，为正式加注前的二次真空作业做好准备。

3.2.4LNG的加注

(1)在系统注入口前增加1套制冷剂干燥器和潮气观察镜。

(2)当系统压力与瓶内压力平衡时，可采取电热毯加热的方法以提高瓶内压力并持续对系统进行加注。

(3)可以加注完成后，关闭加注阀，拆卸相关的连接管路，观察系统各连接部位的情况。

4 结语

(1)真空泵与LNG系统可采用KF接头软管。KF软管可避免频繁拆卸，软管能吸收真空泵运转时产生的振动。

(2)使用干燥的氮气进行吹扫对抽吸真空除水是有帮助的。

(3)运用“浸透”试验方法判断干燥度是否达到要求。

另外，通过计算确定真空泵的选型，以保证LNG加注的安全以及系统运行的安全。