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  • 液化天然气接收站低温管道材料设计
    发布日期:2017-1-31


    液化天然气接收站低温管道材料设计

    摘 要:根据国内近期典型LNG接收站的工程建设实例,阐述了LNG接收站低温管道材料设计选型需要重点关注的基本要素,并结合管子、管件、阀门等低温管道元件的配套标准化生产制造要求,推荐参照相对成熟的美国标准体系及有关国际标准的相关规定,同时对管道元件的选材、选型、生产制造、使用维护提出全面合理的技术要求,并在采购、施工、检验、使用等环节严格执行,从源头上保证LNG接收站低温管道的长周期安全运行。

    关键字:LNG 低温 管道 材料 设计 选型


    随着天然气液态存储、远距离运输技术的不断进步,液化天然气(以下简称LNG)成为天然气储存和运输的主要形式,并以其清洁、绿色、高效的特点在能源消费中迅速增长。2006年广东LNG接收站接收第一船LNG开启了国内LNG产业跨越式发展的新纪元,LNG接收站建设项目进入高速发展期。中石化山东LNG接收站项目、广西LNG接收站项目由中石化洛阳工程有限公司设计,以其实际的施工、开工经验为依据,对比分析了管子、管件材料的机械性能和物理化学性能,以及低温阀门的结构设计和低温性能试验要求等,提出综合考虑介质工况、材料性能、可获得性、可施工性、安全性、经济性等因素的LNG接收站低温管道材料选择设计方案。

    1 LNG低温管道材料设计的介质条件

    LNG低温介质是一种在-162℃左右凝结的液体,主要组成为甲烷和少量的乙烷、丙烷,经过严格的脱水,脱除其他有害杂质,是非常洁净的燃料。

    目前,典型的LNG接收站低温输送管道一般要承受从常压到9.95MPa的操作压力,操作温度从常温到超低温-162℃,管道公称直径从DN15到DN1100,公称压力从PN20到PN260。比较典型的LNG低温输送管道组合工况设计条件有设计压力16MPa及设计温度-170℃、设计压力12.37MPa及设计温度-170℃、设计压力1.75MPa及设计温度-196℃等。由于操作温度从常温到超低温-162℃的剧烈变化,管道遇深冷收缩,要求管道材料必须具有非常好的强度、韧性和密封性,保证能够耐受温度的循环变化,以防止材料在超低温下的低应力脆断。

    2 LNG接收站低温管子及管件材料设计

    对于LNG接收站常用超低温管道材料的选用,国内相关研究人员针对铝合金、奥氏体不锈钢、9%Ni钢材料进行了经济性、安全性的分析、对比。三类低温金属材料中,铝合金和9%Ni钢材料规模化程度不高,无法进行管子、管件、阀门等管道元件的配套批量化生产制造;而奥氏体不锈钢具有成熟的生产技术,优良的耐低温、耐腐蚀性能,管子、管件、阀门等管道元件的配套批量化生产制造非常成熟,工艺焊接性能良好,焊接施工难度低,因此国内外大型LNG接收站通常选用奥氏体不锈钢作为LNG介质输送管道材料。

    考虑到LNG接收站一般临海岸线建设,需要管道材料具有良好的耐海洋大气腐蚀的性能,以及抗晶间腐蚀的能力,一般选用超低碳型奥氏体不锈钢,要求超低碳型奥氏体不锈钢的碳质量分数不应超过0.03%,所有焊缝均应依据ASMEB31.3《ProcessPiping》标准进行焊后热处理。

    由于奥氏体不锈钢一次性投资成本比较高,为了节约工程投资,对于管道公称直径不小于DN200的管子推荐采用按照ASTMA358《Stand-ardSpecificationforElectric-Fusion-WeldedAuste-niticChromium-NickelStainlessSteelPipeforHigh-TemperatureServiceandGeneralApplications》标准制造的高质量直缝焊接钢管,相对于同规格的无缝钢管能够节省至少三分之一的投资成本;而对于管道公称直径小于DN200的管子,由于其总质量占比很小,虽然无缝钢管单价较高,但质量稳定性好、较容易采购,推荐采用按照ASTMA312《StandardSpecificationforSeamless,Welded,andHeavilyColdWorkedAusteniticStainlessSteelPipes》标准制造的无缝钢管。

    结合以上要求及国际上有关LNG接收站成功应用的相关案例,对于LNG接收站超低温管道材料的选用,推荐管子、管件材料采用ASTMA312,ASTMA358标准的TP304/TP304L双牌号奥氏体不锈钢,既同时符合TP304和TP304L限定范围的化学组分,也同时具有TP304和TP304L限定范围的机械性能,并附加按ASMEB31.3标准的要求进行-196℃条件下的夏比V型冲击试验,母材、热影响区和焊缝金属可以接受的最小横向膨胀值为0.38mm。

    TP304/TP304L双牌号奥氏体不锈钢虽然具有良好的耐腐蚀性能,但在含较多氯离子的敏感介质作用下依然会发生点蚀破坏,因此,必须在设计要求中提出相应的防护措施以免管道损伤。例如,考虑到LNG接收站一般临海岸线建设,推荐所有的LNG低温奥氏体不锈钢管道涂刷防腐蚀涂漆,以免其外表面被海洋大气中的含氯离子盐分沾污;同时应保证管道水压试验用水氯离子质量浓度不大于15mg/L且控制试验时间不应过长,试验完毕后立即采取措施将水排尽并对管道进行干燥。

    3 LNG接收站低温阀门的选材选型设计

    3.1 设计基准

    国内外LNG接收站项目低温阀门选型的统计结果显示,主流选型方案是采用球阀,约占90%以上;其次是低压大口径部位少量采用蝶阀;极少量地采用闸阀、截止阀。对于LNG管道低温阀门的设计,国际上通常采用参考文献所示的标准。LNG管道超低温阀门设计的通用要求则按照ASMEB16.34《Valves-Flanged,Threaded,andWeldingEnd》标准,其中对焊端阀门应按照该标准中的特别级要求进行设计。

    在设计LNG管道超低温阀门的端部连接型式时,必须考虑到方便安装、使用、检修维护的要求。用于超低温LNG介质管道公称直径不大于DN40的小型阀门推荐采用法兰阀,公称直径大于DN40的阀门推荐采用带袖管的对焊阀。对焊阀的袖管采用与主管材料一致的短管焊接在铸造阀体上并推荐在阀门制造厂完成,这样能够避免现场焊接产生的高温对阀座特别是软密封阀座密封面的损坏,同时能够保证施工现场与主管焊接的一致性,提高现场焊接的质量。特别需要指出的是,这种连接方式界定方案与石化炼油装置常用的管道连接方案完全不同,有其独到之处。具体案例是,在中石化山东LNG接收站项目工程施工过程中,LNG超低温球阀由于阀腔具有压力泄放功能而要求安装有一定的方向性,个别施工人员不熟悉这一情况,发生过违反设计图纸要求将阀门反装的情况,经检查,问题很容易就得到了解决,因为数量较多的小口径阀门通过拆卸法兰就能够轻松调整流向,而大口径阀门由于带有一定长度的袖管,切割及再焊接时可以远离阀门本体,避免了产生高温损坏阀门密封面材料。

    由于LNG已经过精制净化处理,所以在LNG接收站的低温阀门设计中主要考虑LNG的低温、气化及泄漏三个方面的问题,同时兼顾阀门的试验及维护。

    3.2 低温因素

    在选用LNG超低温阀门主体材料时,主要考虑超低温工况下金相组织稳定性较高、低温韧性较好的材料,材质不合格,会造成壳体及密封面的外漏或内漏,零部件的综合机械性能、强度和刚度满足不了使用要求甚至断裂,从而导致LNG介质泄漏引起爆炸燃烧。

    在工程设计中通常采用304,304L,316,316L等材料,其中316材料的稳定性较好,性价比也较高。实践中,推荐公称直径不大于DN40的法兰阀,阀体采用ASTMA182《ForgedorRolledAlloyandStainlessSteelPipeFlanges,ForgedFittings,andValvesandPartsforHigh-TemperatureService》标准的F316材料整体锻造,必须强调的是,整体锻造要求阀体和两端的法兰要整体一次锻造成型,不得采用焊接法兰;大口径对焊阀阀体推荐采用ASTMA351《StandardSpecificationforCastings,Austenitic,Austenitic-Ferritic(Duplex),forPres-sure-ContainingParts》标准的CF8M铸造材料,要求在铸造时避免其产生折叠、夹渣、气孔、组织疏散、隐裂纹等缺陷和成分不均;超低温阀门阀杆材料则推荐采用ASTMA479/479M《StandardSpeci-ficationforStainlessSteelBarsandShapesforUseinBoilersandOtherPressureVessels》标准的Gr.316或XM19,并要求对阀杆表面进行硬化处理,以提高表面硬度。

    对于公称直径不大于DN40的高压球阀,为了确保阀杆和阀球之间的可靠连接和精确驱动,推荐采用阀杆和阀球一体式结构。特别需要强调的是,为了使奥氏体不锈钢材料进行充分马氏体转变和变形后再进行精加工,这些主体材料均需按照相关规范进行低温深冷处理和冲击试验。

    与普通阀门外形明显不同的是,LNG超低温阀门需要按照有关标准采用延长阀盖结构设计,以确保实现两个目标:一是保证阀盖顶部填料区的温度始终处于适合的正常操作区间,因为如果阀门盘根区域的温度太低,阀门的操作扭矩就会变大,而过大的扭矩不仅会损伤盘根从而降低盘根的使用寿命,也不利于阀门的正常操作;二是保证阀门的操作性,因为延长阀盖加延长阀杆的设计保证了超低温不会传导至操作机构,从而保证阀门在任何时候都能够在最大压差和最深冷度下正常操作。由于阀盖为承压部件,必须采用一体式延长阀盖,不允许采用焊接或螺纹式拼接,即延长阀盖整体铸造或锻造。同时所有超低温阀门均应在延长阀盖上设计滴盘,滴盘与延长阀盖必须采用完全环绕焊接连接,不得采用点焊方式,这样可以有效阻止管道外部凝结水沿阀门保冷层与阀盖之间的缝隙进入保冷层内部并冻结,破坏保冷效果从而影响阀门的正常操作。

    3.3 气化因素

    LNG超低温球阀、闸阀关闭状态时存在封闭的中腔,由于热量的传导不可避免,静止在中腔内的LNG液体将随着温度的升高而气化,随之压力不断升高造成破坏事故,这就要求在设计时考虑使阀门能将中腔高压介质排放出中腔,避免阀体损坏。通常的阀腔超压泄压方式有三种:外部自动泄压式、压力平衡孔、进口端(上游)自动泄压方式。出于阀门泄放的本质安全考虑,通常采用后两种内部泄压方式,结合经济性考虑,推荐超低温高压球阀采用阀内进口端(上游)自动泄压方式,超低温闸阀、中低压球阀采用压力平衡孔方式。

    3.4 泄漏因素

    LNG超低温闸阀、截止阀、止回阀通常采用金属对金属的硬密封结构。国外工程公司推荐球阀采用金属与非金属复合结构型式,其设计理念是基于低温下,硬密封结构阀门开启扭矩较常温开启时大数倍,阀门设计笨重且不经济,而考虑到LNG的洁净、无腐蚀的特性,软密封阀座、硬密封阀球能较好满足阀门开启扭矩适当的要求。如聚三氟氯乙烯(PCTFE)等改性非金属材料常温下具有优异的刚性,在超低温下具有良好的化学稳定性、耐深冷性能、耐冷流性能,是超低温高压工况下理想的密封材料。但软密封阀座由于是非金属材料,容易被管道介质中的硬质颗粒划伤,在使用中应考虑管道的洁净化处理及定期维护更换。

    LNG超低温阀门阀杆与阀体间的密封无法采用密封圈或波纹管密封,只能采用填料函密封结构。柔性石墨是一种成熟的优质密封材料,天然的自润滑性可有效防止填料与阀杆的磨损。超低温阀门填料推荐采用石墨填料加唇式密封(LIP-SEAL)。同时,填料函结构采用活动载荷设计,可以在满足防火安全要求的前提下,保证阀门良好的密封性能。

    超低温阀门的中法兰密封一般采用柔性石墨与316不锈钢带绕制而成的缠绕式垫片,其密封效果最为理想。关于连接阀门中法兰的螺栓和螺母材料,推荐螺栓采用ASTMA320/A320M《StandardSpecificationforAlloy-SteelandStainlessSteelBoltingMaterialsforLow-Temperature》标准的Gr.B8MCL2材料,螺母采用ASTMA194/A194M《StandardSpecificationforCarbonandAlloySteelNutsforBoltsforHighPressureorHighTemperatureService,orBoth》标准的Gr.8M材料,这两种材料专门针对超低温工况配合使用,且与阀门主体材料热胀冷缩等物理性能一致,效果良好。

    3.5 试验及维护因素

    LNG超低温阀门应在常温下按通用阀门标准进行各项性能试验,并在-196℃进行各项超低温性能试验和操作性能试验,低温试验冷却介质一般为液氮,试验介质为氦气。

    对于LNG超低温阀门,考虑到在线维护、检修的要求,由于公称直径大于DN40的阀门采用了对焊阀门,阀门检修时,不能将阀门从管道上拆除,无法送到检修间进行维修,与常规阀门有很大的区别。基于这种原因,阀门在结构设计时,球阀推荐采用顶装式,蝶阀采用侧顶装式结构,有利于在线维护和维修。具体案例是,在中石化山东LNG接收站项目工程LNG管道水压试验过程中,发现少量超低温球阀内漏,阀门制造商派出维修人员到达现场,打开顶装式阀盖,检查后发现是由于软密封阀座损伤而产生的密封不严造成的泄漏,通过更换备品备件,很快解决了内漏问题,保证了项目进度。

    4 结论

    综上所述,典型的LNG接收站低温管道材料设计方案要点如下:

    (1)基于LNG接收站低温管道的管子、管件、阀门等所有管道元件材料的配套标准化生产制造要求,推荐采用相对成熟的美国标准体系及有关国际标准的相关规定;

    (2)管子、管件材料推荐采用304/304L双牌号奥氏体不锈钢,阀体材料采用F316,CF8M;

    (3)阀门主要采用顶装式球阀和侧顶装式蝶阀,球阀密封应采用软密封阀座结构;

    (4)低温LNG管道系统必须保证管系水压试验后的水渍排净、干燥;

    (5)上文所述的一些LNG低温管道的选型选材方案虽然都已经过工程实践的考验,但是在具体的设计工作中必须结合项目的实际需求,对管道元件的生产制造、使用维护提出全面合理的技术要求,并且在采购、施工、检验、使用等环节严格执行,才能充分保证LNG接收站低温管道的长周期安全运行。

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