大型FSRU超低溫管閥系統(tǒng)單元制作技術(shù)研究

姜云瑞，孟秀文，亢 國(guó)，蔡 巍

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大型FSRU超低溫管閥系統(tǒng)單元制作技術(shù)研究

姜云瑞，孟秀文，亢 國(guó)，蔡 巍

（大連船舶重工集團(tuán)舾裝有限公司，遼寧大連 116013）

為了制定出“大型FSRU超低溫管閥系統(tǒng)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”工藝技術(shù)，本文研究了超低溫不銹鋼管的加工工藝、加工流程、焊接方法及施工工裝；研究了超低溫不銹鋼管閥系統(tǒng)單元的安裝精度、定位精度控制方法；研究完成的大型FSRU超低溫管閥系統(tǒng)單元制作技術(shù)，形成大型FSRU 和LNG船等輸送低溫-196℃介質(zhì)的超低溫不銹鋼管的加工能力及單元制作能力，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)儲(chǔ)備，增強(qiáng)了企業(yè)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)力。

FSRU 超低溫 管閥系統(tǒng) 加工制作 安裝

0 引言

LNG-FSRU (Floating Storage and Regasification Unit)大型海上天然氣浮式存儲(chǔ)和再氣化裝置，既具有運(yùn)輸功能，可作為L(zhǎng)NG 運(yùn)輸船( 貨物圍護(hù)系統(tǒng)與現(xiàn)行的LNG 船相同)；又具有儲(chǔ)存功能, 可作為海上初加工平臺(tái)。超低溫管閥系統(tǒng)是LNG液貨運(yùn)輸過(guò)程中必不可少的組成部分，最高工作溫度為120°C；對(duì)于薄膜型LNG-FSRU船，輸送介質(zhì)的最低溫度為-196°C（液氮），工作壓力1.1 bar，管子規(guī)格在1/4〞~30〞，壁厚范圍為1~16.66 mm，因此對(duì)超低溫管閥系統(tǒng)單元制作技術(shù)的研究就更顯得尤為重要。

1 超低溫不銹鋼管閥系統(tǒng)單元的制作技術(shù)

1. 1 超低溫不銹鋼管加工流程研究

超低溫不銹鋼管加工流程如圖1所示。

圖1 超低溫不銹鋼管加工流程

1.2 超低溫不銹鋼管閥系統(tǒng)單元管路加工精度控制

根據(jù)WPS管子組對(duì)間隙3±1 mm的要求，對(duì)不同規(guī)格、壁厚管子焊接試驗(yàn)采集焊接收縮量，統(tǒng)計(jì)出在一定焊縫間隙及焊接參數(shù)條件下的焊接收縮量（如表1）。最后管子可按照?qǐng)D紙尺寸結(jié)合焊縫間隙和焊接收縮量采取無(wú)余量計(jì)算并切割下料，坡口加工采用帶有隨動(dòng)切割裝置的切斷坡口一體機(jī)通過(guò)先用鈍邊刀具將其管端面加工垂直再加工坡口，將單元合攏管子長(zhǎng)度累計(jì)誤差控制在±7 mm范圍內(nèi)。

表1 低溫不銹鋼管的焊縫間隙及焊接收縮量統(tǒng)計(jì)表

1.3 超低溫不銹鋼管的切割工藝及設(shè)備

用帶鋸床切割管子時(shí)為了防止切屑和冷卻液進(jìn)入管內(nèi)，在管子切割線內(nèi)側(cè)設(shè)置盲板，不得有間隙。切割結(jié)束后必須將管內(nèi)切屑、油污、垃圾清理干凈，因此也不允許使用等離子切割，避免污染管內(nèi)壁。DN300以上的管子是卷制而成，管子原材料圓度超差，造成用普通坡口機(jī)加工后的坡口鈍邊不均勻，而使用我們成功研制的帶隨動(dòng)刀具的坡口機(jī)先用鈍邊刀將管端面加工垂直后再加工坡口，而且隨動(dòng)刀具能跟隨管橢圓進(jìn)行坡口加工（靠模式）確保坡口鈍邊尺寸處處一致，從根本上解決了管子存在圓度超差的情況下仍能保證管子坡口加工鈍邊均勻的技術(shù)難點(diǎn)。

1.4 超低溫不銹鋼管組對(duì)裝配工藝技術(shù)

由于管材和彎頭到貨時(shí)其圓度存在一定的制造公差，且多數(shù)管材和彎頭為卷制，因此在組對(duì)裝配時(shí)，管口端將產(chǎn)生一定的錯(cuò)邊量。在本項(xiàng)目中我們成功研制出內(nèi)脹式組對(duì)器，就是將兩個(gè)對(duì)接的管子或彎頭，在裝配時(shí)通過(guò)液壓內(nèi)脹的方式對(duì)管口同時(shí)進(jìn)行整圓，避免管口產(chǎn)生錯(cuò)邊現(xiàn)象，保證車間內(nèi)場(chǎng)組對(duì)管與管、管與彎頭裝配精度，從而保證焊縫根部成型質(zhì)量，并大幅度提高裝配效率。

1.5 超低溫不銹鋼管裝配研究

低溫管裝配標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)圖2。

1.6 超低溫不銹鋼管焊接內(nèi)部充氬保護(hù)的方式

1.6.1在車間內(nèi)場(chǎng)施焊時(shí)充氬對(duì)于小口徑（? ≤114.3 mm ）短尺寸管子可采取整管兩端封堵，一端進(jìn)氣，一端出氣，中間待焊接的對(duì)口用膠帶纏繞，見(jiàn)圖3。對(duì)于大口徑，長(zhǎng)距離對(duì)口焊兩端封堵內(nèi)部充氬浪費(fèi)極大，可采取充氬專用工裝，見(jiàn)圖4。

圖2 低溫管對(duì)接焊裝配間隙標(biāo)準(zhǔn)示意圖

圖3 車間制作管件充氬示意圖

圖4 單元安裝組焊長(zhǎng)距離管件充氬示意圖

在車間內(nèi)場(chǎng)進(jìn)行長(zhǎng)距離單元管子組裝焊接時(shí)充氬方式除圖4形式外也可以采用比較方便的水溶紙局部形成充氬室的方法。其水溶紙的特點(diǎn)是在焊接完后，水溶紙不必取出待進(jìn)行水壓試驗(yàn)或鈍化時(shí)水溶紙溶化并沖走。此方法適用于車間內(nèi)場(chǎng)長(zhǎng)距離連接對(duì)口焊和多彎頭對(duì)口焊，其操作方法如下：

1）將水溶紙剪成圓形，其直徑為管內(nèi)徑加60 mm。

2）將水溶紙靠在管端，在上面標(biāo)示出或用手按壓出管道內(nèi)徑，然后沿壓線把紙的邊緣向后均勻折成90°角。將做好的水溶紙塞入管內(nèi)約200~400 mm。（根據(jù)管徑大?。?duì)于水平安裝的管子對(duì)口焊縫內(nèi)的兩水溶紙上方各開(kāi)一個(gè)排氣孔，孔的位置距上方紙邊緣約10~20 mm處。對(duì)于垂直安裝管子其內(nèi)部水溶紙排氣孔在焊縫排氣上側(cè)的水溶紙圓心處。

3）水溶紙必須用其配套的可溶于水的膠帶粘封好。

4）由于在實(shí)船單元之間連接的對(duì)接管路不采取水壓試驗(yàn)，而采取密性試驗(yàn)。所以就不能采用水溶紙形成氣體保護(hù)空間焊后靠水壓試驗(yàn)將其沖洗掉的方式?？梢圆捎眠m應(yīng)長(zhǎng)距離管路對(duì)接充氬專用工裝進(jìn)行內(nèi)部充氬保護(hù)焊接，見(jiàn)圖4。

不論采用水溶紙局部充氬保護(hù)和整管充氬保護(hù)在施焊前必須使用“氧氣濃度測(cè)量?jī)x”檢測(cè)管子內(nèi)部保護(hù)氣體是否達(dá)到氧氣濃度小于1%以下的標(biāo)準(zhǔn)后方可正式施焊。

在采用水溶紙進(jìn)行局部充氬保護(hù)后正式施焊時(shí)由于充氬針狀嘴是由管外側(cè)插入焊接起始點(diǎn)的對(duì)面密封膠帶中，當(dāng)焊接從起始點(diǎn)兩側(cè)焊接快到針狀嘴附近時(shí)應(yīng)有一名焊工配合迅速拔出針狀嘴，讓原焊工繼續(xù)完成缺口焊接。

第一遍氬弧焊打底結(jié)束后，當(dāng)進(jìn)行第二遍填充焊時(shí)會(huì)對(duì)第一遍打底焊縫重復(fù)加熱發(fā)紅，在沒(méi)有充氬保護(hù)的情況下形成氧化。所以考慮管焊縫受熱、散熱與管口徑和壁厚關(guān)系規(guī)定D＞114.3 mm的管子采用水溶紙局部充氬保護(hù)方式，D≤114.3 mm的管子可采用整管充氬保護(hù)方式，都打底焊完成后當(dāng)進(jìn)行第一層填充焊時(shí)仍需充氬，后續(xù)填充焊不用充氬。

1.7 超低溫不銹鋼管的焊接方式方法

焊接前一定要檢測(cè)管內(nèi)保護(hù)氣體是否達(dá)到施焊標(biāo)準(zhǔn)（氧氣濃度1%以下）。

第一層打底焊完成時(shí)，若發(fā)現(xiàn)焊接缺陷需要打磨消除，打磨后清除進(jìn)入管內(nèi)部切屑和粉末。

電極（鎢極）如果在起弧或焊接過(guò)程中碰到母材，應(yīng)立即停止焊接，用打磨機(jī)向接觸范圍打磨，且打磨范圍應(yīng)大于接觸范圍。在根部焊接時(shí)，為防止磨屑從坡口進(jìn)入管內(nèi)，用膠帶封住開(kāi)口處。

接頭重疊部位在焊接前必須仔細(xì)打磨拋光，而且焊絲端頭也應(yīng)打磨或拋光。接頭連接起弧處應(yīng)在接頭弧坑邊緣10 mm處引弧，收弧應(yīng)在超過(guò)接頭10 mm處停止。

焊縫表面外凸而兩側(cè)出現(xiàn)深溝不利于第二層焊縫的焊接，見(jiàn)圖5，而且容易形成夾渣等缺陷。為此對(duì)這種焊縫應(yīng)用打磨機(jī)將焊縫修正平整光順后再焊接。

圖5 出現(xiàn)焊接缺陷示意圖

當(dāng)?shù)谝粚哟虻缀附Y(jié)束后，因?yàn)樵诤缚p表面生成了薄薄的氧化膜，必須拋光處理。此項(xiàng)作業(yè)絕對(duì)不允許省略，否則在有氧化膜的狀態(tài)下焊接會(huì)產(chǎn)生熔合不良、夾渣等缺陷。

焊根處和熱影響區(qū)氧化。這種缺陷是因背部氣體保護(hù)不足所致。當(dāng)焊接時(shí)管材受熱并使熱影響區(qū)（升溫到400℃以上區(qū)域）生成厚的氧化層，其顏色輕度氧化為淺褐色，中度氧化為深蘭色，重度氧化為黑色。氧化層和其變色部位應(yīng)使用噴砂或磨削及酸洗方法處理。

1.8 管裸端壓力試驗(yàn)所用泵壓裝置

根據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)要求及管路設(shè)計(jì)形式，管路多為對(duì)口焊連接，這樣管子在加工過(guò)程中，會(huì)存在大量的裸端管件，即不帶法蘭的管件。裸端管件進(jìn)行密性試驗(yàn)，試驗(yàn)需將管子兩端進(jìn)行封堵，方能進(jìn)行。多規(guī)格組合式管裸端泵壓裝置的設(shè)計(jì)，本著方便、快捷、實(shí)用、高效的特性。

圖6 多規(guī)格組合式管裸端泵壓裝置設(shè)計(jì)示意圖

1.9 滑動(dòng)型不銹鋼管支架（GTT公司專利產(chǎn)品）的安裝定位

先采用定基點(diǎn)、找水平、畫地線、加墊板、加梯形工裝、加拉筋，保證框架精度，安裝精度控制在±2 mm范圍內(nèi)；再根據(jù)圖紙?jiān)诳蚣苌厦娈嬀€，然后敷設(shè)支架墊板，用不銹鋼焊條進(jìn)行點(diǎn)固焊。支架墊板分為三層，將最上層聚四氟乙烯墊板拆下，再進(jìn)行最下層墊板的焊接，避免焊接損傷聚四氟乙烯墊板。最后再根據(jù)畫線位置確立兩側(cè)立柱并進(jìn)行焊接。

1.10 超低溫不銹鋼管安裝順序及方式

根據(jù)單元上管子的焊接位置以及設(shè)定嵌補(bǔ)管的條件對(duì)設(shè)計(jì)管路中各單根管重新劃分組對(duì)，減少了單元上的對(duì)接口的全位置焊接。將單元管路分為兩部分進(jìn)行安裝，一是整路管子絕緣包覆好后，將卡箍直接安裝到管路上面直接吊運(yùn)安裝定位。二是復(fù)雜帶單元對(duì)接口的管路卡箍定位后一半預(yù)先安裝到滑動(dòng)型不銹鋼管支架上，再采用兩臺(tái)吊車將管路吊到框架上面，另外一半卡箍安裝上去，然后再整體包覆絕緣。

1.11 單元上超低溫不銹鋼管對(duì)接口裝配工藝技術(shù)

研制面矯圓工裝和點(diǎn)矯圓工裝，進(jìn)行管子和附件的圓度矯正，提高焊接質(zhì)量解決單元上的管子對(duì)接口組對(duì)錯(cuò)邊的技術(shù)難題。

2 結(jié)論

研究完成的大型FSRU超低溫管閥系統(tǒng)單元制作技術(shù)，為大船集團(tuán)填補(bǔ)了超低溫不銹鋼管加工和單元制作空白，形成大型FSRU 和LNG船等輸送低溫-196℃介質(zhì)的超低溫不銹鋼管的加工能力及單元制作能力，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)儲(chǔ)備，增強(qiáng)了企業(yè)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)力。

[1] 魯欣菂, 李軍, 姜云瑞, 趙寅妮. LNG船科研專項(xiàng)—超低溫管系加工技術(shù)研究[C]. 2014中國(guó)大連國(guó)際海事論壇論文集. 大連: 大連海事大學(xué)出版社,2015: 80-84.

[2] 中國(guó)船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院等編制. 中國(guó)造船質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S]: GB/T 34000-2016, 2016.

Research on Unit Production Technology of Lager FSRU Ultra-low Temperature Pipe Valve System

Jiang Yunrui, Meng Xiuwen, Kang Guo, Cai Wei

(Dalian Shipbuilding Industry Outfitting Co. Ltd., Dalian 116013, Liaoning, China)

TH16

A

1003-4862（2018）08-0009-04

2018-04-05

姜云瑞（1979-），男，高級(jí)工程師。研究方向：船舶動(dòng)力裝置。E-mail: yunrui_2001@163.com