雙燃料船LNG管路制作與安裝

方云虎，芮曉松，刁海兵

(1.中船鼎衡造船有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000；2.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

雙燃料船舶具有高技術(shù)、高難度、高附加值的特點(diǎn)，其LNG(Liquefied Natural Gas)系統(tǒng)從液罐到PR室間的管路必須在-163 ℃低溫下運(yùn)輸液化氣。LNG的低溫特性易使管路的有關(guān)金屬部件產(chǎn)生脆性破裂，因此對其運(yùn)輸管路的焊接質(zhì)量，以及管路的清潔度要求比一般船舶的要求更高，相關(guān)研究也正在蓬勃發(fā)展[2]。本文重點(diǎn)論述提高制冷管路焊接質(zhì)量的工藝方法。該工藝采用氮?dú)鈮毫υ囼?yàn)的方法確認(rèn)管路強(qiáng)度和質(zhì)量，使用爆破吹掃法提高管路清潔度，以對比試驗(yàn)的方法確定管路干燥方式，并以此為依據(jù)完成雙燃料船的LNG管路制造、安裝工作。

1 不銹鋼管路的焊接工藝和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 焊接工藝

雙燃料船不銹鋼管系的焊接方式采用手工鎢極氬弧焊(TIG)，使用純度不小于99.99%的工業(yè)純氬。鎢極焊焊絲使用直徑為1.6～3.2 mm的氬弧不銹鋼焊絲。

焊接質(zhì)量關(guān)鍵控制點(diǎn)如下：

(1)不銹鋼作業(yè)與碳鋼作業(yè)區(qū)應(yīng)嚴(yán)格隔離，保證工作場地干凈無灰塵和無碳鋼粉塵。

(2)任何用于不銹鋼焊接的工具不能用于碳鋼操作，并且要求嚴(yán)標(biāo)識(shí)區(qū)分。

(3)焊接前要充分沖入保護(hù)氣體；焊接完成后焊槍不能立即提起，至少持續(xù)停止5～6 s，以達(dá)到滯后氣體對焊縫的保護(hù)作用。焊接前對焊接管道內(nèi)充氬氣1～2 min，一般流量為8～10 L/min。

(4)焊角尺寸與焊材壁厚相同。當(dāng)壁厚大于3 mm時(shí)采用多道焊縫，小于等于3 mm時(shí)同樣開坡口多道焊縫。

1.2 焊接完成后的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

(1)不銹鋼管路系統(tǒng)焊縫編碼代碼唯一。

(2)拍片規(guī)則：要求1級(jí)管外徑大于76.1 mm的100%拍片；要求外徑大于101.6 mm的2級(jí)管和外徑小于76.1 mm的1級(jí)管10%拍片。

(3)拍片記錄具有可追溯性，且記錄文件保存時(shí)間為3 a。

(4)無法進(jìn)行射線探傷的管路采用著色探傷。

管路制作檢驗(yàn)完成后進(jìn)行整體酸洗鈍化等工作，然后將兩端封口并在外表面做好涂裝和三防布保護(hù)，等待上船安裝。

2 LNG系統(tǒng)管路安裝

2.1 安裝特點(diǎn)

(1)LNG系統(tǒng)管路采用對接焊接，與設(shè)備連接處采用兩片凹面法蘭+核級(jí)石墨墊片+定距環(huán)的連接方式。

(2)LNG系統(tǒng)管路存在溫度差，導(dǎo)致管路膨脹和收縮，所以安裝要求比較高，孔圓中心偏差最大不能誤差0.5 mm。

(3)LNG系統(tǒng)儀表管、負(fù)荷控制管采用雙卡芯卡套連接，以保證氣密性。

2.2 強(qiáng)度和密性實(shí)驗(yàn)

管路安裝完成后，用氮?dú)鈱NG系統(tǒng)管路進(jìn)行壓力和密性試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)斷開相關(guān)儀表和設(shè)備。

壓力試驗(yàn)程序如下：

(1)參與壓力試驗(yàn)的所有管路串成臨時(shí)的管網(wǎng)，初步加壓到1.7 Pa，或者25%的設(shè)計(jì)壓力。對整個(gè)管網(wǎng)進(jìn)行查漏，并對泄露點(diǎn)進(jìn)行處理。

(2)以25%的加壓速率每隔10 min對管路進(jìn)行升壓直到試驗(yàn)壓力。

(3)到達(dá)試驗(yàn)壓力后維持30 min，在此期間不允許對管路進(jìn)行檢查。全部過程采用壓力記錄儀進(jìn)行壓力記錄。

(4)降低試驗(yàn)壓力到系統(tǒng)工作壓力，對管路及焊縫進(jìn)行外觀檢查有無開裂和變形。

(5)降低試驗(yàn)壓力到1 Pa時(shí)，用肥皂水對焊縫和連接法蘭處進(jìn)行密性檢查。

(6)任何泄露的修復(fù)都必須重新進(jìn)行試驗(yàn)。

2.3 LNG系統(tǒng)的清潔

(1)前期階段應(yīng)做好管段的清潔和保護(hù)工作。

(2)安裝過程中特別是船上焊接部位完成焊接后的局部清潔。

(3)管路安裝完成后對系統(tǒng)加壓并進(jìn)行爆破清潔法。

2.3.1爆破吹掃的原理

爆破吹掃是將管路一端用比管道強(qiáng)度低得多的爆破片封閉。當(dāng)系統(tǒng)壓力逐漸升高到達(dá)爆破片所能承受的最大壓力時(shí)，爆破片突然爆裂，系統(tǒng)中的壓縮氣體瞬間從爆破口以很高的速度噴出。同時(shí)，管道內(nèi)的雜物伴隨管道的震動(dòng)和高速氣流的沖擊從爆破口噴出。通過反復(fù)幾次的操作達(dá)到對管路進(jìn)行清潔的作用。另一端通入壓縮氣體，通入的壓縮氣體通常為干燥的氮?dú)?。吹掃過程的關(guān)鍵是要根據(jù)系統(tǒng)管路的布置特點(diǎn)選擇合適的注入點(diǎn)和爆破口，建立合理的吹掃方案。爆破吹掃的原理如圖1所示。

圖1 爆破吹掃原理

2.3.2爆破吹掃的基本步驟

(1)安裝隔離盲板，隔離不能吹掃的孔板、流量計(jì)、閥門、傳感器、設(shè)備等。

(2)需要臨時(shí)配管的地方安裝臨時(shí)接管，并安裝好相應(yīng)的壓力表和閥門。閥門最好選擇快開閉形式的閥門。

(3)給氣點(diǎn)用盲板或者現(xiàn)場加工的鋼板隔離封堵。板子厚度根據(jù)壓力情況選擇。

(4)安裝爆破片。本項(xiàng)目爆破片選取4 mm耐油橡膠紙板墊片。

(5)在距離爆破口適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置隔離屏障。

(6)開閥從充氣口充氣。爆破點(diǎn)壓力根據(jù)現(xiàn)場操作經(jīng)驗(yàn)，一般控制在0.6～0.8 MPa。

(7)可在隔離屏障上設(shè)置一塊濕潤的白布。通過觀察白布上的雜物情況來判斷管路吹掃的效果，通常進(jìn)行2～3次。

2.3.3爆破吹掃的安全注意事項(xiàng)

(1)爆破口前方嚴(yán)禁人員走動(dòng)，周圍應(yīng)做好一切事物的防護(hù)措施。

(2)每次爆破前應(yīng)檢查所有管路設(shè)施等。

(3)任何人不得隨意操作閥門，拆卸松動(dòng)法蘭等，所有操作必須有統(tǒng)一指揮。

(4)管道的爆破吹掃壓力不能超過管路的最大允許使用壓力。

管道清潔完成后恢復(fù)所有的管道連接，盲板的位置應(yīng)做好標(biāo)記。所有工作完成后，拆除安裝的試驗(yàn)儀表，重新連接設(shè)備，并對整個(gè)系統(tǒng)用1 Pa的壓力重新進(jìn)行一次密性試驗(yàn)。同樣用肥皂水檢查所有的連接部位，確保整個(gè)管路系統(tǒng)的密性。

3 LNG系統(tǒng)管路的處理

3.1 LNG系統(tǒng)管路的干燥

3.1.1LNG系統(tǒng)管路干燥的必要性

LNG系統(tǒng)管路在制作和運(yùn)輸過程中與空氣接觸后會(huì)含有少量水汽，在LNG注入后，溫度自然降低。當(dāng)溫度降至0 ℃以下時(shí)，水汽會(huì)在管壁上直接凝華而迅速結(jié)冰，在LNG管路狹窄處就會(huì)形成堵塞，這就是所謂的“冰塞”現(xiàn)象。“冰塞”現(xiàn)象發(fā)生后，LNG輸送及再汽化效果下降，整個(gè)系統(tǒng)的循環(huán)量和再汽化蒸發(fā)量將減少，LNG向主機(jī)供氣量緩慢下降。如果“冰塞”嚴(yán)重或未及時(shí)消除，將使LNG輸送系統(tǒng)不能工作，造成主機(jī)無法在燃?xì)饽Ｊ较逻M(jìn)行工作。系統(tǒng)停止工作后，一部分冰將融化。壓縮機(jī)啟動(dòng)后，隨著LNG氣體的循環(huán)流動(dòng)，系統(tǒng)中水分重新凝結(jié)成冰而形成“冰塞”，周而復(fù)始形成惡性循環(huán)，使壓縮機(jī)啟停頻繁，系統(tǒng)無法正常工作，并嚴(yán)重影響壓縮機(jī)的使用壽命。因此，LNG系統(tǒng)管路的干燥除水是整個(gè)LNG系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵的一步。

3.1.2LNG系統(tǒng)管路干燥的常用方法

(1)真空干燥法

用真空泵從系統(tǒng)內(nèi)抽氣，直到在環(huán)境溫度下的飽和蒸氣壓，使系統(tǒng)管路內(nèi)的水蒸發(fā)，并抽出管路，達(dá)到干燥目的。在對系統(tǒng)管路抽真空的同時(shí)，對壓縮機(jī)、管路等部件加熱升溫。為防止抽濕時(shí)系統(tǒng)真空度升高過快及真空度過高造成水分易于結(jié)冰，不宜采用過大的真空泵。最好用6～8 L/s之間的大真空泵進(jìn)行抽空，抽空的時(shí)間約為4 h。

(2)氟氮?dú)鉀_吹法(也稱氟氮?dú)饷撍?

系統(tǒng)管路抽空后，給管路充入一定壓力的制冷劑或干燥的氮?dú)?，然后啟?dòng)壓縮機(jī)5～10 min，再將系統(tǒng)內(nèi)已吸收了部分水分的氟或氮?dú)夥懦?，如此反?fù)2～3次便可排除水分。

LNG系統(tǒng)管路相對較短，管路總?cè)莘e小，適合采用真空干燥法。

3.2 LNG系統(tǒng)抽真空

真空泵的作用是從真空室中抽除氣體分子，降低真空室內(nèi)的氣體壓力，使之達(dá)到要求的真空度。為達(dá)到最佳配置，選擇真空泵時(shí)，應(yīng)先確定工作環(huán)境溫度、需要達(dá)到的要求真空度(即飽合蒸氣壓)和真空度的時(shí)間。

3.2.1真空泵的選型計(jì)算

泵吸口流量[3]按式(1)計(jì)算：

S=V/tln (P1/P2)

(1)

式中：S為泵的吸口流量，L/s；V為管路總體積，V=2 000 L；t為排氣時(shí)間，t=1 800 s；P1為初始系統(tǒng)真空度，P1=100 kPa；P2為要求真空度，P2=0.87 kPa。

經(jīng)過計(jì)算：S=7.68 L/s，所以選取泵理論排量范圍為6～8 L/s。

由于在系統(tǒng)管路抽真空過程中，會(huì)降低管路溫度并影響環(huán)境溫度，實(shí)際施工過程中利用暖風(fēng)機(jī)向壓縮機(jī)房送暖風(fēng)，并在壓縮機(jī)房增加20盞太陽燈，以提高環(huán)境溫度。

根據(jù)以上計(jì)算的泵口流量，真空泵選用的主要技術(shù)參數(shù)要求如下：

(1)抽氣速率6～8 L/s。

(2)配真空電磁閥。

(3)配真空表2只(帶壓力表閥)。

(4)配氣鎮(zhèn)閥。

(5)電制220 V。

真空泵與LNG系統(tǒng)管路連接管采用KF接頭軟管。KF具有便捷快接特點(diǎn)，方便施工中的頻繁拆卸，同時(shí)軟管可以吸收真空泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)候帶來的振動(dòng)。

3.2.2抽真空的實(shí)際操作流程

(1)檢查整個(gè)系統(tǒng)的完整性，有無臨時(shí)開口需要封閉。所有管路的閥門打開，確保整個(gè)管路系統(tǒng)都能抽吸真空。

(2)關(guān)閉泄放閥門，連接真空泵與油氣分離器的泄放口。

(3)在系統(tǒng)管路的進(jìn)口處設(shè)置2個(gè)真空記錄點(diǎn)安裝無紙記錄儀和真空傳感器。

(4)試運(yùn)行真空泵，觀察真空泵運(yùn)行是否正常，真空建立情況是否正常。

(5)不停泵，打開泄放閥門對系統(tǒng)抽吸真空。

(6)在抽吸真空的過程中，通過真空記錄儀和相應(yīng)的傳感器觀察系統(tǒng)真空建立情況。

(7)接近要求真空度后，先關(guān)閉閥門再停止運(yùn)行真空泵，以防止先停泵后關(guān)閥造成的真空失效。

(8) 停泵并監(jiān)測壓力(24 h)。

3.2.3安裝臨時(shí)拆卸附件

抽吸真空干燥工作結(jié)束后，需要安裝臨時(shí)拆卸的膨脹閥等附件，為正式加注前的二次真空作業(yè)做好準(zhǔn)備。

3.2.4LNG的加注

(1)在系統(tǒng)注入口前增加1套制冷劑干燥器和潮氣觀察鏡。

(2)當(dāng)系統(tǒng)壓力與瓶內(nèi)壓力平衡時(shí)，可采取電熱毯加熱的方法以提高瓶內(nèi)壓力并持續(xù)對系統(tǒng)進(jìn)行加注。

(3)可以加注完成后，關(guān)閉加注閥，拆卸相關(guān)的連接管路，觀察系統(tǒng)各連接部位的情況。

4 結(jié)語

(1)真空泵與LNG系統(tǒng)可采用KF接頭軟管。KF軟管可避免頻繁拆卸，軟管能吸收真空泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)。

(2)使用干燥的氮?dú)膺M(jìn)行吹掃對抽吸真空除水是有幫助的。

(3)運(yùn)用“浸透”試驗(yàn)方法判斷干燥度是否達(dá)到要求。

另外，通過計(jì)算確定真空泵的選型，以保證LNG加注的安全以及系統(tǒng)運(yùn)行的安全。