LNG超低温管道的设计

张寅秋 蔡贞玉

摘 要：LNG超低温管道是LNG接收站内工艺介质流动和传输的主要方式，低温管道的设计情况关系着整个接收站的设计质量。LNG超低温的特点对管道的工艺设计计算和管道布置设计提出了较高要求。本文从低温管道材质选择、管道水力学计算及绝热设计三方面总结了LNG管道的工艺设计计算方法;从管道布置和应力分析两方面总结了LNG管道布置设计方法。

关键词：LNG管道;低温材料选择;水力学计算;管道绝热;管道布置;应力分析

中图分类号：TB21 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）06-0058-02

在LNG储运系统中，从船舶装卸载、储存直至槽车装卸载，各个环节的输送过程都是由低温管道完成。因此，在LNG储运系统工艺设计时必须充分考虑LNG的低温特性，才能保证整个系统能够安全、合理、长久地运行。

1 超低温管道的定义

国内按工作温度将管道进行分类[1]，一般将介质工作温度低于-40℃的管道称为低温管道。而对于介质工作温度低于-100℃的管道，可称为超低温管道。以LNG接收站内压力最高的一段——高压泵至汽化器段的管道设计为例，该段介质工作温度约为-169℃，属于超低温管道。

2 工艺设计计算

2.1 材质选用

不锈钢管道和9%镍钢管道具有较佳的低温性能，在工程领域获得了广泛应用[2-5]。比较二者的性能、经济性和应用成熟度：

（1）从二者的材料性能来看，9% Ni钢的强度较高、线膨胀系数较低，使用该材料可以大大节省钢材，且管道在低温条件下收缩变形较小。而不锈钢材料的韧性好、耐腐蚀性好、塑性和焊接性能较优。

（2）从二者的经济性来看，在当前生产技术水平下，9%镍钢的成本略高，经济性方面不如不锈钢。

（3）从二者在LNG低温管道的应用成熟度来看，9%镍钢目前多用于LNG储罐内罐，而管道材料的选择以不锈钢为主。

目前，国内LNG接收站内LNG低温管道所用材料多为奥氏体不锈钢，尤以双牌号不锈钢（如304/304L和316/316L）较为普遍。

2.2 水力学计算

2.2.1 管径计算

（1）合理流速。由于低温管道材料成本高，一般在设计时尽量采用较高的流速来降低一次投资。对LNG工厂管道系统设计，LNG最高流速为8m/s[6]。但是流速越高，压降越大，会增加相应泵的功率消耗和操作费用，而且也易造成安全隐患。结合国外设计方的经验，设定合理流速为3-6m/s。

（2）合理压降。对于流量大于150m3/h的输送液体的泵的排出管道，较为经济的百米压降范围是45～50kPa/100m[7]。

（3）计算方法。首先按照合理流速计算管径d，计算公式如下：

d=18.81W0.5u-0.5ρ-0.5                         （1）

然后按照每百米压降控制值来计算管径，计算公式如下：

d=18.61W0.38μ0.033ρ-0.207△Pf100-0.207              （2）

2.2.2 管道压力降计算

根据所选管径计算管网压力降，计算公式如下：

△P=（100λρ/d+∑ζ）u2/2                    （3）

2.3 绝热设计

2.3.1 绝热材料的选择

在工程设计中，应根据具体工程实际情况，择优选用合适的绝热材料，低温LNG管道绝热材料必须具有以下特性：

（1）良好的绝热性能，即导热系数低;

（2）良好的防火性能;

（3）为防止绝热体的性能失效，应具有较小的吸水吸湿性和较低的水蒸气透湿系数;

（4）达到一定的强度要求，使其能承受自重和各種外力作用而不脱落或损坏;

（5）在超低温和常温交变时尺寸稳定性好，即热膨胀系数小;

（6）由于输送液化天然气的管路的管材为奥氏体不锈钢，对Cl-的含量较为敏感，绝热材料的氯化物含量应不大于25×10-6;

（7）良好的化学稳定性;

（8）此外，综合经济效益、现场切割或裁剪加工性能以及再利用程度也需考虑。

国内早期的LNG接收站项目多采用聚异氰脲酸酯泡沫塑料（PIR）作为LNG低温管道保冷材料，如浙江LNG和广东大鹏LNG等。PIR是以聚醚多元醇、聚合异氰酸酯为主要原材料，经触媒作用后发生反应生成的具有闭孔结构的硬质绝热材料。20世纪90年代起，国内开始在部分工程项目中使用PIR泡沫塑料绝热保冷，2007年，我国已掌握了性能指标达到CINI 2.7要求的PIR生产技术[8]。

2.3.2 绝热结构设计

LNG保冷一般采用结构简单、成本低廉且运行维护方便的堆积绝热法，一般由绝热层、防潮层和保护层等构成。

典型的PIR保冷结构是以PIR为保冷层，然后用玻璃纤维带缠绕后再敷设防潮层，最后用不锈钢板作为保护层[9-10]。

3 管道的布置与应力分析

3.1 管道布置一般要求

（1）LNG管线应避免袋形（可能引起气流滞留），保证气体流通顺畅。

（2）低温主管的设计应考虑坡度，便于排液。坡度大小由P&ID确定。