基于LNG管線深冷絕熱技術(shù)的研究

曹暉

【摘要】：LNG深冷絕熱技術(shù)是LNG項(xiàng)目工程中的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過(guò)LNG深冷絕熱技術(shù)特點(diǎn)的分析和研究，設(shè)計(jì)出LNG深冷絕熱層典型結(jié)構(gòu)優(yōu)化選取保冷層厚度計(jì)算方式，優(yōu)選保冷材料，優(yōu)化施工流程，提出施工技術(shù)要求，LNG管線深冷絕熱工程首要要求要保證保冷工藝效果和管道運(yùn)行的安全性。

【關(guān)鍵詞】：LNG管線 ；深冷絕熱 ；

天然氣是從氣田中開(kāi)采出來(lái)的自然可燃?xì)怏w，其主要成分為甲烷，LNG （液化天然氣）則是氣態(tài)天然氣在常壓下通過(guò)冷卻至一162℃所凝結(jié)成的液體。天然氣液化后，其體積為液化前的1/625，可以大大節(jié)約儲(chǔ)運(yùn)空間和成本，而且具有熱量大、性能高等特點(diǎn)。作為一種優(yōu)質(zhì)、高效、清潔的環(huán)保型能源，LNG產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為當(dāng)今世界各國(guó)關(guān)注的經(jīng)濟(jì)熱點(diǎn)。LNG產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)且粋€(gè)十分復(fù)雜及耗資巨大的系統(tǒng)，它包氣田建設(shè)、天然氣管網(wǎng)建設(shè)、天然氣液化、水陸運(yùn)輸、LNG接收終端建設(shè)與發(fā)電等環(huán)節(jié)。LNG管線深冷絕熱技術(shù)是LNG利用環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵技術(shù)之一 ，L NG深冷保冷實(shí)施質(zhì)量的好壞直接影響著整個(gè)LNG利用產(chǎn)業(yè)的成敗，本文對(duì)LNG管線深冷絕熱結(jié)構(gòu)，保冷層厚度計(jì)算，材料選型，施工技術(shù)，施工流程進(jìn)行研究，確定了LNG管線深冷絕熱的典型結(jié)構(gòu)，優(yōu)化選取保冷層厚度計(jì)算方式 ，經(jīng)過(guò)論證優(yōu)選保冷材料，優(yōu)化施工流程，提出施工技術(shù)要求。

深冷絕熱結(jié)構(gòu)原理

深冷絕熱的最終目的是減少周?chē)h(huán)境的熱量傳入LNG低溫管道內(nèi)部，控制LNG冷量損失，確保絕熱層外表面溫度高于環(huán)境的露點(diǎn)溫度，保證外表面不凝露。同時(shí)，節(jié)約能源，保證LNG管道正常運(yùn)行。熱量傳遞包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種方式，對(duì)于LNG低溫管道的絕熱結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，主要存在的是熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流，因此如何解決傳熱問(wèn)題，是絕熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。由于LNG管道在運(yùn)行過(guò)程中溫度交變范圍非常大，超低溫和常溫交變?nèi)菀自斐蒐NG管道絕熱結(jié)構(gòu)的破壞，因此要對(duì)絕熱保冷材料和鋪層方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

典型結(jié)構(gòu)

江蘇科泰絕熱新材料有限公司始終致力于為廣泛的工業(yè)客戶提供創(chuàng)新和技術(shù)先進(jìn)的CRYOTECH? 卓越深冷保冷系統(tǒng)專業(yè)解決方案，向天然氣、LNG、石油化工的生產(chǎn)儲(chǔ)運(yùn)裝置系統(tǒng)、建筑物絕熱及暖通系統(tǒng)、設(shè)備及管道防火系統(tǒng)、生物工程發(fā)酵裝置系統(tǒng)等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的大量客戶持續(xù)提供著周到的服務(wù)和產(chǎn)品。作為中國(guó)領(lǐng)先的專業(yè)保冷服務(wù)商，我們堅(jiān)定地陪伴著客戶，共同堅(jiān)持努力，協(xié)助客戶同時(shí)實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)上的成功、社會(huì)責(zé)任和環(huán)境保護(hù)責(zé)任。

江蘇科泰絕熱新材料有限公司為客戶提供的專業(yè)深冷保冷系統(tǒng)有以下三種：

1.CRYOTECH? 深冷管道及設(shè)備用全PIR高效保冷系統(tǒng)；

系統(tǒng)圖如下：

2.CRYOTECH? 深冷管道及設(shè)備用PIR+CG阻火復(fù)合保冷系統(tǒng)；

系統(tǒng)圖如下：

3.CRYOTECH? Foamglass泡沫玻璃隔熱保溫系統(tǒng)；

系統(tǒng)圖如下：

LNG管道絕熱保冷結(jié)構(gòu)應(yīng)由防銹層、保冷層、防潮層、保護(hù)層、防腐蝕及識(shí)別層等五層組成（按從里到外排列）。防銹層用冷底子油或能符合工作溫度要求的防銹漆涂刷。保冷層是決定保冷結(jié)構(gòu)保冷性能的關(guān)鍵組成，保冷層對(duì)維護(hù)介質(zhì)溫度穩(wěn)定起主要作用，防潮層是保冷結(jié)構(gòu)用于防水、防潮維護(hù)保冷層保冷效果的關(guān)鍵部分。保護(hù)層包覆在保冷層的外面，起保護(hù)和防止大氣、風(fēng)、雨雪致使保冷層破壞的作用，延長(zhǎng)保冷層的使用壽命，并使保冷結(jié)構(gòu)外形美觀。防腐蝕及識(shí)別層處于保冷絕熱結(jié)構(gòu)的最外層，主要作用是防止外部腐蝕，涂刷粘貼管線標(biāo)識(shí)信息。同時(shí)，深冷絕熱層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用多層結(jié)構(gòu)形式，因?yàn)閱螌咏^熱層結(jié)構(gòu)的局部缺陷容易造成冷量損失而影響整體保冷效果。在每一層結(jié)構(gòu)中采用了拼接形式，目的是防止在低溫條件下因局部結(jié)構(gòu)破壞而造成整體結(jié)構(gòu)的破壞。為了減小拼縫空隙產(chǎn)生熱對(duì)流現(xiàn)象，拼接采用契口（如下圖1）拼接方法。同一層的拼縫應(yīng)錯(cuò)縫，相鄰結(jié)構(gòu)層應(yīng)壓縫。由于LNG管道和絕熱材料之間的線膨脹和收縮率是不同的，在絕熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，局部采用伸縮接頭結(jié)構(gòu)以解決不同材料的收縮問(wèn)題。

深冷絕熱層厚度計(jì)算研究

在液化天然氣輸送管路的設(shè)計(jì)中，管道的深冷絕熱計(jì)算是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。一方面，過(guò)厚的絕熱保冷層必然造成投資的增加。另一方面，絕熱保冷層厚度設(shè)計(jì)不合適將會(huì)導(dǎo)致外部熱量傳至低溫液體，引起低溫液體的氣化，從而在輸送管路中形成氣阻，阻礙液化天然氣

的正常輸送。由于深冷的目的和限制條件不同，計(jì)算時(shí)采用的方法也不同。通常采用以下幾種方法：限定外表面溫度（防止表面凝露）；限定金屬壁溫度t；限定散熱熱流損失（控制最大允許冷損失量）；限定內(nèi)部介質(zhì)溫升A t；限定內(nèi)部介質(zhì)的凍結(jié)或凝固溫度。

在實(shí)際工程運(yùn)用中發(fā)現(xiàn)，用限定外表面溫度的方法來(lái)計(jì)算LNG低溫管道保冷層厚度往往不理想，主要存在的問(wèn)題是：采用表面溫度法計(jì)算時(shí)，是以控制表面凝露為前提的。

保冷材料選擇原則

由于LNG管道運(yùn)行溫度為-165℃，LNG管道深冷絕熱材料必須具有如下特性：

1）在超低溫和常溫交變時(shí)尺寸穩(wěn)定性要好

2）具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)即具有良好的絕熱性能

3）吸水吸濕性小、水蒸汽透濕系數(shù)低、低溫線膨脹系數(shù)小、阻燃性能好低

4）在超低溫和常溫下達(dá)到一定的強(qiáng)度要求。

常見(jiàn)保冷材料比較

常見(jiàn)的低溫管道保冷材料有泡沫玻璃（Cryotech?foamglass ）、聚苯乙烯泡沫，、聚氟乙烯泡沫，、酚醛泡沫、深冷型聚異氰脲酸酯（C ryotech?. PIR ），聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料（PUR）。對(duì)聚苯乙烯泡沫塑料，聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料，硬質(zhì)聚氯乙烯泡沫塑料，脲醛泡沫塑料，泡沫玻璃這幾種常見(jiàn)保冷材料的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析，認(rèn)為在設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)工程的特點(diǎn)和要求，從保冷對(duì)象的要求出發(fā)取得經(jīng)濟(jì)合理的選材方案。

PIR作為一種改性聚氨酯泡沫材料，是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種深冷用絕熱材料，其導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)比較低，該材料適用于-200～+120℃交變溫度范圍的氣體液化設(shè)備、液化氣船及低溫液體輸送管道。 PIR （Cryotech?Foamglass泡沫玻璃為不燃材料，具有高效的阻火性能，為項(xiàng)目安全提供了有利保障。

管線深冷絕熱施工流程

LNG管線深冷絕熱施工采用車(chē)間預(yù)保冷預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)安裝的方式，車(chē)間進(jìn)行LNG管線深冷絕熱施工的優(yōu)勢(shì)是施工條件可控，使車(chē)間的環(huán)境溫度，清潔度等條件能夠滿足施工的需要，通過(guò)管道設(shè)計(jì)的優(yōu)化，使LNG管線深冷絕熱工作盡可能地在車(chē)間內(nèi)完成，管段完成預(yù)保冷施工后，通過(guò)運(yùn)輸裝置運(yùn)輸至管道安裝地完成管道的安裝，在運(yùn)輸過(guò)程中要做好管道的保護(hù)工作，防止保冷結(jié)構(gòu)的損傷和破壞。

深冷絕熱施工技術(shù)要求

1保證在低溫條件下 保冷材料的絕熱特性和機(jī)械性能。

2由于保冷材料和LNG低溫管道的收縮程度不同，所以要注意研究控制措施，按施工技術(shù)施工 。

3要保證防潮層的有效性，環(huán)境條件要達(dá)到技術(shù)要求。

4保冷材料鋪于管道表面后，其接縫處填塞接著劑。

5保證施工場(chǎng)所的清潔，安全，保冷材料要有專門(mén)的裝置進(jìn)行存放。

6、結(jié)論

由于LNG管道的低溫特性和極高的安全要求，LNG管道深冷絕熱工程完全不同于傳統(tǒng) 的管線保冷，LNG管線深冷絕熱工程首要要求要保證保冷工藝效果和管道運(yùn)行的安全性，本文從深冷絕熱結(jié)構(gòu)，保冷層厚度計(jì)算方式，選材上要科學(xué)周密，在施工技術(shù)方面要嚴(yán)格規(guī)范，層層把關(guān)，才能從根本上保證LNG管道深冷絕熱工程的質(zhì)量，最大限度地降低管道冷量損失，提高LNG管道運(yùn)行的質(zhì)量和安全性。

參考文獻(xiàn)：

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