LNG 低温工艺管道安装质量控制要素分析与探讨

于 玲 卢俊文 湛立宁 王肖逸 周璐璐

（1．中国二十二冶集团有限公司 唐山 063000)

（2．河北省特种设备监督检验研究院唐山分院 唐山 063000)

随着清洁能源的使用比例逐年提高，天然气在工业生产中已普遍被采用，而液化天然气（以下简称LNG)体积仅为气态的1/625，具有储运输成本低、使用安全可靠的特点，故各种类型LNG 接收站遍布港口和内陆[1]。但LNG 是一种深冷液体，储运温度必须在-162 ℃以下，才能保持其液体形态，必须采用低温容器和低温管道储运。管道材质通常选用GB/T 14976—2012《流体输送用不锈钢无缝钢管》中的奥氏体不锈钢，而奥氏体不锈钢和低碳钢相比具有热膨胀系数大、导热系数低的特点，施焊时易产生焊接热裂纹。同时低温深冷工艺系统的其他附件安装时，由于温差的存在也提高了安装难度[2]。本文从LNG 低温工艺管道安装涉及的管道布置、管道选材与焊接、阀门选用与安装、低温管托结构、保冷层施工等环节，分析了安装质量的关键控制要素，总结出了安装质量控制方法，并应用于工程实践中，经工程验收及运行结果表明，焊接质量一次合格率为97%，其他监检项目指标均为优等，可为同类管道的安装提供技术参考。

1 低温管道布置

由于LNG 管道具有低温冷缩特性，应优先考虑将管道布置在带有管托的管廊或管墩上，且应布置在架空管廊的最下层，并远离可以向外散发热量的管道；当场地条件限制无法设置管廊而必须埋沟敷设时，管沟内应采取防止天然气积聚、液化天然气溢流的措施[3]。

LNG 低温工艺管道布置时除直段长度、热补偿位置必须满足柔性设计要求外，应优先考虑利用管道弯头来实现自然补偿。低温管道不宜采用法兰连接，因为金属法兰面低温冷缩后将影响密封效果，易引起连接部位泄漏，阀门与管道本体之间通常采用焊接方式连接。施工中预留的压力试验排空口，在压力试验合格后均采用焊接方式封堵并进行保冷。若某段管道上的2 个阀门在运行过程中有可能同时关闭，导致两阀之间的管道处于封闭状态时，封存其中的LNG 吸热气化后将引起封闭段管道超压，为此应在有可能密闭的管段设置安全阀。

LNG 低温管道支吊架与常温管道不同，如果不采取可靠的保冷措施或保冷效果达不到设计要求，将导致管内介质的冷量直接传导给支吊架，发生“冷桥”现象，引起金属支吊架的低温脆断，管道布置时通常采用低温管托，选用与被支撑管道相同的硬质保冷材料将管托包裹起来。

2 低温管道选材

2.1 管材及焊材的选用

●2.1.1 管材选用

LNG 工艺管道在低温-162 ℃时，必须具有满足设计要求的低温韧性、低温强度、低温抗腐蚀性，为了降低施工焊接难度，还应选用可焊性良好的管材来保证焊接质量，同时线膨胀系数还要满足设计要求。GB/T 14976—2012 中的奥氏体不锈钢具有较高的Cr、Ni 含量，可以保证材料的低温力学性能，较低的碳含量可以保证良好的可焊性，常用材料有0Crl8Ni9Ti、1Crl8Ni9Ti、Crl8Nil2Mo2Ti 等，其中双证奥氏体不锈钢(304/304L) 在LNG 接收站中得到了广泛应用。GB/T 51257—2017《液化天然气低温管道设计规范》推荐低温管道组成件宜选用双证奥氏体不锈钢，它在化学成分方面满足304 L 要求，又在力学性能方面满足304要求[4]。304/304 L 不锈钢化学成分见表1。

表1 304/304L 不锈钢化学成分 %

在机械性能方面，应重点控制材料的低温冲击韧性指标，包括材料的低温冲击吸收功和延伸率2 个参数，304/304L 不锈钢力学性能要求值见表2。

表2 304/304L 不锈钢力学性能要求值

●2.1.2 焊材选用

焊材的化学成分、力学性能应尽量与母材相近，奥氏体不锈钢和低碳钢相比，热膨胀系数大、导热系数低，极易出现焊接热裂纹，宜选用低氢、低碳型且Cr、Ni 含量较高的焊接材料，同时还应根据Cr、Ni 元素当量公式计算，然后查阅金属组织图得出铁素体含量，其中δ铁素体含量应小于5%。奥氏体不锈钢常用焊丝有H0Cr21Ni10、H00Cr21Ni10、H0Cr19Ni12Mo2等，焊剂有HJ260、HJ151、HJ172 等，双证奥氏体不锈钢（304/304L）宜选用H0Cr21Ni10 焊丝。

2.2 阀门选用

LNG 工艺管道低温系统宜选用整体式阀门，阀体内件在深冷-162 ℃时应有足够的强度、低温韧性和抗腐蚀性。为了减少泄漏点，必须选用与主管道焊接连接形式的阀门，不可选用法兰连接的阀门，同时为防止焊接热量损坏阀门的密封结构，阀门两端必须带有直管段。在低温工艺系统运行过程中，LNG 液体将导致阀门非保冷部位结冰，为此在阀门的加长颈上设置滴水盘，并与加长颈保持密封状态，防止滴水沿缝隙进入保冷层内，同时也增加了1 个阀门与外界的换热通道，使密封填料温度保持在0 ℃以上，可防止填料低温收缩产生泄漏。

低温工艺管一般采用304 或316 奥氏体不锈钢材质，在深冷状态下将有部分奥氏体转变为马氏体，体积增大后导致阀件变形，降低密封效果，阀门还应在制造厂进行预冷处理[5]。低温阀门常见的结构形式有蝶阀、球阀、不同结构的止回阀等，在尺寸（大于6″）允许情况下优先选用蝶阀，尤其是密封等级较高的三偏心蝶阀。

3 管道及附件安装

3.1 管道焊接要点

焊接奥氏体不锈钢一般采用氩弧焊，焊接坡口宜采用机械方式加工，焊前清除坡口及两侧的氧化物等杂质，按照焊接工艺评定要求组对管件，并严禁焊前预热。为测试氩弧焊机输出电流稳定性及焊接参数的可靠性，施焊前应先在试验板上试焊，调试合格后才能正式焊接。焊接电流零线必须固定于施焊管道上，不得通过其他设备间接串入焊接回路，并严禁在管道上引弧和试验电流。

奥氏体不锈钢的焊接敏感温度为500 ～800 ℃，在此温度下C 原子向晶界移动速度比Cr 原子要快，使晶界C 原子浓度过高，在晶界边缘处与Cr 原子形成碳铬化合物，导致焊缝金属组织的晶界处贫铬，在外力作用下产生晶间裂纹。为防止贫铬现象的发生，焊接时应尽量减少在敏感温度区停留时间，通常采用焊后快速冷却的方式防止焊缝产生晶间裂纹[6]。

焊接时严格控制层间温度＜100 ℃，采用小电流快速焊接的方式减小焊接热输入，尽量避免焊条横向摆动，打底焊选用φ＜2.4 mm 焊丝时，最少焊接2 层，并在焊接第2 层时充氩气保护。每道焊口必须一次性焊接完成，多层焊相邻焊层的焊接接头应错开，以便减小应力集中。焊后在焊口两侧做焊工标记时，严禁使用硬痕标记，同时在单线图中也要记录每个焊工的焊接位置。

焊缝熔敷金属的δ铁素体含量直接影响其焊接热裂纹敏感性，δ铁素体的存在提高了金属强度和耐腐蚀性能，但同时降低了低温韧性，将其含量控制在3%～12%时，焊接热裂纹敏感性明显降低。GB 50517—2010《石油化工金属管道工程施工质量验收规范》规定含钼奥氏体不锈钢的铁素体含量≤5%（体积比），建议实际工程中控制在3%～5%的范围内[7]。铁素体含量与热裂纹敏感性关系曲线[8]如图1 所示。

图1 铁素体含量与热裂纹敏感性关系曲线

3.2 阀门安装要点

LNG 低温工艺管道中阀门的阀体内件和深冷介质接触，阀杆在常温状态下操作，故对低温阀门的安装有一些特殊要求，为尽量降低深冷介质对填料层的影响，阀门安装时要保证加长颈内有气相空间，形成一个减缓热量传递的气腔，应选择阀杆垂直的安装方式。

低温阀门处于关闭状态时，积存于阀腔中的液体会升温气化，若不能及时排除高压气体，有超压引起阀门损坏的危险[9]，为此应设置泄压孔，一般将泄压孔布置在闸板的高压侧一端，向介质上游方向泄压。若泄压方向安装错误将影响阀门的密封性，应将泄压方向标识字样“VENT”同时标注在滴水盘和阀体上，避免标注箭头时与介质流向混淆，低温球阀的泄压方向示意图[10]如图2 所示。

图2 低温球阀泄压方向示意图

对于一个阀座上装有2 个阀门的双阀座结构，2个阀门同时关闭时，在两阀之间的阀体内会积存LNG液体，液体吸热气化后无泄压通道，应在两阀之间开设泄压孔，泄压方向为介质来源端。阀门安装后的保冷一般在现场操作，宜选用发泡保冷材料，但占用空间较大，阀门安装时应留出足够的保冷空间。对于低温蝶阀的安装，应按设计图纸中标注的安装方向布置，保证密封方向和管内介质流向一致，反之将减弱阀门的密封效果。

3.3 低温管托安装要点

LNG 低温管道一般采用卡箍式管托，只将管托与管道接触部位保冷处理，与构筑物接触的支架底部预留在管托保冷层外，管托的保冷材料与主管道相同，保冷厚度及层数也保持一致。在管托保冷的最外层设置防潮层，在防潮层外部加装金属防护层。管道的自由膨胀不应当受管托约束，应根据管道的热胀冷缩量设计管托长度，低温管托由固定架和导向架组成，2 个支架共同作用应可以阻止管系的偏转。低温管托的强度应考虑风荷载、压力试验荷载、开停车工况荷载等影响，在几个载荷共同作用下，管托及保冷材料应有足够的强度支撑，低温管托结构断面图[11]如图3所示。

图3 低温管托结构断面图

LNG 低温工艺管道常采用自然补偿方式，在π 型弯等位移较大部位的管托应将底板适度加长，以防止管道热胀冷缩时管托偏离支撑结构。管托保冷材料选用的黏结剂、密封剂和耐磨剂在低温状态下应保持性能完好，并具有较强的粘接力和良好的密封性能。

4 管道保冷施工

LNG 低温工艺管道使用温度为-162 ℃，管道保冷效果直接影响系统的安全运行，常用保冷材料有聚异氰脲酸酯(PIR)、泡沫玻璃(FG)硬质材料，以及丁腈橡胶（LT）、二烯烃橡胶LTD 等柔性材料。保冷材料允许使用温度应满足保冷部位的设计温度要求，且应标注热膨胀系数和氯离子含量。

低温管道的保冷应在压力试验合格后进行，保冷结构施工时先根据现场测量的管道尺寸在车间下料，施工前在第1 层保冷块内表面涂刷耐磨层。硬质保冷材料一般铺装3 层，第1 层和第2 层采用PIR，第3层采用FG，第3 层外表面涂刷防潮层，然后加装金属保护层。铺装时每层相邻保冷块之间应预留环向伸缩缝，纵缝应错开100 mm 以上，各层之间的拼缝也应错开。阀门的保冷采用保冷箱结构，将发泡剂注入保冷箱中。硬质保冷结构示意图[12]如图4 所示。

图4 硬质保冷结构示意图

柔性保冷材料也是铺装3 层，内层和中层为LTD，外层为LT，然后直接做金属外防护层，不用加防潮层，柔性保冷材料施工时不用设置伸缩缝，同层的相邻保冷块采用挤缝铺装的方式，纵缝可以用专用黏结剂使保冷材料发生化学反应的方式连接。柔性保冷材料的缺点是强度较低，不适合低温管托的保冷。

保冷施工完毕后应进行预冷试验，测试保冷效果是否达到设计要求，预冷介质一般采用液氮，预冷温度为-130 ℃，为防止降温过快对管道金属造成损伤，应控制降温速度小于50 ℃/h，预冷合格后，LNG 低温工艺系统即可交付使用。

5 工程安装实例

唐山某LNG 加气站在安装过程中借鉴了本文推荐的安装质量要素控制方法，该加气站设计压力为4.0 MPa，设计温度为-196 ℃，管道总长为536 m，管道材质为双证奥氏体不锈钢(304/304L)，管道规格为φ159×5.0 mm、φ108×4.5 mm、φ89×4.0 mm三种，焊材选用H0Cr21Ni10 焊丝，采用氩弧焊焊接，焊接过程中控制δ铁素体含量为4.5%，阀门分别选用了三偏心蝶阀、球阀，低温管托选用卡箍式结构，保冷材料选用硬质保冷结构，阀门采用箱体保冷方式，采用低温液氮进行了-135 ℃的预冷试验。

施工前对不锈钢管道材质进行了复验，各化学成分含量和力学性能符合GB/T 14976—2012 要求，对不锈钢材质的阀门进行了光谱分析，合金元素含量与材质单相符[13]。焊接坡口形式如图5 所示。

图5 焊接坡口示意图

对施焊管道进行了焊接工艺评定，焊接电流为70 ～95 A，电弧电压为9 ～12 V，焊接速度为7 ～9 cm/min，定位焊缝长度为8 ～11 mm，控制焊接层间温度小于100 ℃，焊后采用直接浇水冷却的方法迅速降温至60 ℃以下，焊缝经射线探伤检查一次合格率为97%，监检项目表中的各项指标均为优等，通过了特种设备检验机构的安装监检，工程验收合格并安全使用1 个检验周期后，首次定期检验中未发现超标缺陷和安全隐患。

6 结束语

1）LNG 低温工艺管道常采用双证奥氏体不锈钢(304/304L)，具有较高的焊接裂纹敏感性，通过控制焊接质量要素可以防止焊接裂纹的产生，包括控制焊缝熔敷金属的铁素体含量小于5%、焊接采用小电流快速焊方式、焊后快速冷却至60 ℃以下等方法。

2）低温管道阀门应选用奥氏体不锈钢材料，阀门与主管道应采用焊接方式连接，在阀门关闭后有可能形成密闭空间的管段或阀体上应设置泄压装置，低温蝶阀的安装方向应和介质流向一致，长颈低温阀门必须垂直安装于水平管段。

3）管道保冷可采用硬质保冷材料或柔性保冷材料，硬质保冷材料施工的关键是预留收缩缝，柔性保冷材料采用挤缝安装，阀门保冷采用箱体结构，通过-135 ℃的低温预冷试验可以验证保冷效果是否达到设计要求。