低温管道设计在液化天然气气站中的应用

高盼 余道丞

【摘 要】天然气是一种优质高效的清洁能源。加快发展天然气产业，提高天然气在一次能源消费中的比重，是贯彻落实创新、协调、绿色、开放、共享五大发展理念的必由之路。液化天然气气化站是将液化天然气转化为气态天然气的场所。其工艺流程是通过卸车平台上的卸车增压器对槽车储罐加压，利用压差将LNG卸至低温储罐，LNG气化时，由储罐增压器加压，自流进入气化炉。站内天然气管道是连接各装置的重要组成部分，直接关系到各装置的能效、安装、维护、检修和人民生命财产安全。

【关键词】低温管道设计;液化天然气气站;应用;分析

1管道设计参数选取

1.1设计温度的选取。

LNG在常压下的沸点约为-162℃，系统试运行时要先灌注液氮冷管排除空气，因此气化站工艺系统内管道的设计温度一般定为液氮在常压下的沸点-196℃。

1.2设计压力的选取。

站内调压橇前天然气管道设计压力为1.2MPa，调压橇后管道设计压力为1.0MPa。

2钢管的低温脆性。

如果不及时清理管道内的污水，当温度降到0℃以下时，会造成管道膨胀开裂，阻碍管道内水体的排放，因此必须提前对污水管道进行必要的保温处理。在冬季，由于供热需求，管道内会有连续的天然气流动，这一过程产生的热量可以保证管道不会因低温而发生脆性断裂。但是，在特殊情况下，如发生事故或执行必要的维护任务时，需要停止管道中的天然气供应，此时温度会迅速下降，导致管道因温度过低而出现问题，因此，设计人员需要对管道材料进行筛选，并与制造厂协商，以确保材料满足必要的韧性要求，避免因低温引起管道脆断，减少不必要的经济损失和维护费用。尽管如此，仍有部分地区气温出现快速下降，当管道材质不能满足温度突变的要求时，仍需采取必要的保温措施，并及时监测管道温度，以保证管道性能的正常化。当保温措施不能避免管道材料的脆性断裂时，应考虑管道应力比的概念。根据管道低温冲击试验，当管道内温度应力比发生明显变化时，可调整温度范围，避免低温冲击破坏和脆性断裂。ASME锅炉及压力容器可正常使用，也可参照上述压力容器变更概念。

综上所述，对于特殊區域需要停车、运输和排空的管道，在运行的同时应满足以下条件：（1）保证管道内和设备间产生的组合应力保持在最小值，在温度急剧下降的情况下，此时脆性断裂的风险将显著降低。（2）检修后，需要在输气前提前对管道进行温度调整，使管道温度达到必要的温差要求。保温延缓了管道的脆性断裂，给维护留下了更多的时间，如果这样仍然不能在规定的时间内完成维护，下一步仍然需要完成。

3管道材料。

为了实现设计的应用价值，必须提高材料的应用效率，通过科学的选材，才能不断提高设计水平。从实际分析，当温度达到超低温（-162℃）的相关温度时，在选择管道时应充分考虑材料的低温韧性和耐腐蚀性，并考虑材料的膨胀系数，为了了解碳钢和低合金钢在低温环境下韧性的变化，如果超低温使其失去韧性，就不能用于气化站的输送系统。经过大量的数据对比和材料筛选，9%的镍钢、铝合金和奥氏体不锈钢在低温下都能保持良好的韧性，但其性能有显著差异。随着生产工艺的成熟和快速发展，奥氏体不锈钢具有更高的耐蚀性，广泛应用于各种低温环境。虽然9%镍钢的整体性能优于其他材料，但我国生产工艺流程受阻，导致整体成本过高。分析上述材料数据并不困难。当管道介质温度低于-20℃时，可考虑采用不锈钢无缝管，材质为06Cr19Ni10。当管道内部温度高于-20°C时，应根据公称直径选择管道。

4管道保温设计

4.1保温材料的选择。

不同的工程对保温材料有具体的要求，根据不同的现场对保温材料进行筛选，选择保温材料的过程中要满足以下条件：本身具有较强的保温性能，导热系数低;耐火性较高，吸水性和渗透性较低，在某些情况下使用时可能需要承受外部强大的压力，因此材料本身应具有足够的耐压性，不易损坏;较低的热膨胀系数也保证了材料在超低温和室温下的稳定性;液化天然气管道的选择是为了安全，奥氏体不锈钢，保温本身需要低氯化物;保温需要足够稳定，以用于更多的化学性质;绝缘材料易于加工、切割，应考虑其可重复使用的能力。我国大多数接收站选择异氰脲酸酯泡沫作为保温材料，这与其稳定性有关。通过两种材料在特定催化剂作用下的反应，获得了闭孔结构的硬质保温材料，为我国的内部工程建设提供了很大的帮助。2007年前后，我国对PAI的生产工艺已基本了解，生产指标和最终获得的原料也达到了Cini 2.7的要求。

4.2绝缘设计。

根据不同部位的保温要求和使用特点，进行LNG冷保存时优先选用成本较低的材料。分析了Pir的保温结构，该结构是在Pir上涂上玻璃纤维带和必要的保护层，然后用不锈钢板进行保护。

5LNG管道的布局设计

应保持必要的气体循环，在LNG管道设计中不应采用袋式设计模式。为了完成污水的排放，必须使局长保持一定的角度，这个角度要视环境和使用要求而定。液化天然气管道敷设在整条管道的较低位置，避免管道泄漏造成不必要的损失。县与县之间的位置和距离要提前设定，这样敷设既能避免相互干扰，又能保证管件的完整性。在管道设备的使用过程中，采用柔性布置可以避免管道受挫，减少堆芯载荷和扭矩问题。柔性设计的条件是：有足够的强度支承支架和导向支架作为支撑，各结构相互配合，最终按方案完成设备进出口管道的柔性安装。为了增加管道的使用长度，避免接头处发生脆性断裂，应充分利用t形、Z形等灵活的布置技术，使管道在特定位置得到补偿，减少因多匝而降低管道柔度系数的问题。

6管绝热冷却的设计与分析。

LNG低温管道保冷后可分为三种：真空管道、三聚聚酯泡沫（Pir）和泡沫玻璃（CG）。Pir本身具有低密度和导热性，可以在超低温环境下使用，也可以根据要求进行特定的韧性变化，但其耐火性较低，同时吸水性能有限;泡沫玻璃材料具有防水、耐高温的优点，不燃，收缩率低，但由于制造工艺的限制，这种材料的整体成本较高。根据不同管路的要求，在布置真空管路时，应提前做好管路的布置。同时采用多缠绕的方式使管道具有更好的冷却效果，维护安装更方便，相应的缺点是成本较高，取材难度较大。根据目前经济支出的需要，管道敷设应尽量选用PIR材料，以使成本最低。

7结论

在分析低温管道设计过程中，应根据天然气站的实际运行情况，采用更有效的设计方案，实现设计的高效应用。希望本文的进一步研究能为相关设计人员提供有效的参考，从而不断提高低温管道的设计水平。

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（作者单位：1.中国石化青岛液化天然气有限责任公司;2.山东实华天然气有限公司）