第7章液化天然气输送管

第7章液化天然气输送管第7章液化天然气输送管李兆慈李兆慈中国石油大学(北京)中国石油大学(北京)无论是天然气液化装置，还是LNG接收站或是LNG汽化供气装置，都需要有各种各样的管路系统。长的管路可能是上百公尺甚至几公里例如用于连接天然管路可能是上百公尺甚至几公里，例如用于连接天然气液化装置和LNG装卸码头的连接管路，LNG装卸码头气液化装置和G装卸码头的连接管路，G装卸码头到接收终端的LNG储罐的连接管路，以及从LNG储罐到汽化器的输送管路。大量的天然气输送，采用液体输送比气体输送更为经济，输送量可提高3.5~3.7倍，并能节约投资2~4倍。一般采用单相流动的稳定输送，为了保证这一点，可以采用提高输送压力的方法，或使液体过冷，以及提高管道的保温性能等措施道的保温性能等措施。1LNG管道输送方式1LNG管道输送方式汽化器：加压法泵送法LNG泵泵送法：LNG泵冷态输送法：节约了中间加压站，降低了管道保温要求，终点是低温气体，输送费用比液态输送高1/3比气体输送低60%输送高1/3，比气体输送低60%。2LNG输送管道种类输送管道种类由于LNG远距离输送需要很好的保温性能，所以管道的绝热就成为个很重要的问题以管道的绝热就成为一个很重要的问题。绝热管道分为堆积绝热管道和真空绝热管道。输管道种类LNG输送管道种类：非绝热管道（裸管）动态真空真空绝热动态真空静态真空低温绝热管道静态真空堆积绝热（包覆型结构）1）非绝热管道（裸管）非绝热输液管(裸管)常用于短距离、间断输送，在输液过程中管道外壁很快形成层霜能起定的绝热输液过程中，管道外壁很快形成一层霜，能起一定的绝热作用作用。该种液体输送管结构简单，热容量小，有时也用于短输管简距离、大流速输送。2）堆积绝热管道堆积绝热管道是在管外包覆低热导率的绝热材料，如玻璃纤维、泡沫塑料等。为防止空气和水分的渗透与凝结，常在绝热材料的外表面加隔套或安置保护层。绝热层内、外径之比约为5~10。般的方法是根据管道外径和隔热层厚度将聚氨一般的方法是根据管道外径和隔热层厚度，将聚氨酯发泡塑料制成型材，在现场安装。酯发泡塑料制成型材，在现场安装。以管道隔热材料的外表面作为参考面积，一般要求隔热层的热流密度小于25W／m2(1)保温层分成3层，安装时每层的连接处错开布置。每层聚氨酯发泡塑料的厚度为5060接头处采用搭接的方法聚氨酯发泡塑料的厚度为50-60mm，接头处采用搭接的方法。最里面的一层内径比管道外径稍大，允许管道收缩或膨胀时不受隔热材料的牵制。聚氨酯发泡塑料的收缩系数与成型工艺和密度有关比常用的304L不锈钢大48倍密度有关，比常用的304L不锈钢大4-8倍。不同方向的收缩率是不同的。每一层隔热层在管路上应有一定的自由度，允许移动包括最外面的防护层在交错连接的动，包括最外面的防护层。在交错连接的接缝处，采用有弹力的玻璃纤维或矿物棉，具有很好的补偿作用。外表采用025~050mm厚的铝材或不锈钢做成保护层0.25~0.50mm厚的铝材或不锈钢做成保护层，对隔热材料可以起到保护的作用。(2的结构应用相对较少些。这种型式的结构使用玻璃纤维可能这种型式的结构使用玻璃纤维可能会存在一些缺点。尽管对水蒸气有很好的挡作水蒸气的阻挡作用，但水蒸气还是可以进入隔热系统。特别是在建造期间，空气中的水分就可能进入到系统中另个可能存在就可能进入到系统中。另一个可能存在的问题，是在玻璃纤维中的自由对流换热，将引起较大的温差。(3)的结构也已经得到比较成功的应用用泡沫玻璃(3)的结构也已经得到比较成功的应用，用泡沫玻璃作外面的隔离层，因为泡沫玻璃能改善阻火性能。但泡沫玻璃的脆性在搭接处容易产生碎裂。(4)的结构在LNG的装货管线中已经使用。采用聚氨酯泡沫塑料喷涂的施工工艺，使这种隔热型式适合于在现场制作。适合于在现场制作。有报道这种形式的隔热存在水蒸气的穿透问题。隔热材料和管路之间有一定的间隙(大约是10mm)。目的是低温下管路产生收缩时，使管路在隔热材料内自由滑动。路产收缩时使管路在隔热材料内自由滑动(5)的结构采用增强塑料波纹管作为内部的水蒸(5)的结构采用增强塑料波纹管作为内部的水蒸气阻挡层。泡沫塑料直接喷涂到塑料波纹管的外表面，在管路产生收缩时，波纹管也可以起到滑动的作用作用。3)真空绝热型管道3)真空绝热型管道各类真空型输液管基本上采用套管式的结构，如图7-41各类真空型输液管基本上采用套管式的结构，如图741所示。外管常用铜管或不锈钢管内管常用德银管或不锈钢管。每隔定的距离要给内管每隔一定的距离，要给内管加一个支求结构。支承结构常有：角形、正方形或球形等，具体结构如图742至图744构如图7-42至图7-44。真空绝热输液管的连接方式有真空绝热输液管的连接方式有插入活动连接(图7-45)和不可拆连接(图7-46)两种。真空绝热输液管道冷耗少预冷量也小是最真空绝热输液管道冷耗少，预冷量也小，是最广泛使用一种输液管。实验室用和工业用两种真空绝热输液管的结构见图7-47和图7-48。真空型绝热管除高真空绝热型外还有真空粉末型和高真空多层绝热型两类。真空粉末型输液管只要绝热层厚度适当，其漏热量可以比高真空绝热型小，但这类绝热的输液管预冷损耗大不稳定周期长的输液管预冷损耗大，不稳定周期长。例如管径为50mm和254mm的真空粉末绝热管的预例如管径为50mm和254mm的真空粉末绝热管的预冷损耗比高真空绝热管道分别大40％和25%。真为了使用方便，输液管常做成软管，其结构如图7-49和图7-50所示内外管采用波纹软管中间充填软质和图7-50所示。内、外管采用波纹软管、中间充填软质绝热材料或抽至高真空，并每隔一定距离加一支承片，以防内、外管热接触，造成热短路。真空夹套型隔热管道的真空是个关键问题真空夹真空夹套型隔热管道的真空是一个关键问题。真空夹套间的压力需要达到或低于1×10-2Pa真空多层隔热才套间的压力需要达到或低于1×102Pa，真空多层隔热才会体现优良的隔热性能。会体现优良的隔热性能要达到1×10-2Pa的压力，在技术上是没有问题的。但在密封状态下，长时间地维持较低的压力却存在一定的困难，因为影响真空夹套中压力的因素很多，如焊缝的气密性、真空夹套，以及多层材料的清洁程度、放气性能、低温下的受力情况等低温下的受力情况等。3LNG管道冷收缩3LNG管道冷收缩殷钢和奥氏体不锈钢的材料特性性能殷钢奥氏体不锈钢线膨胀系数/K-117×10-6150×10-6线膨胀系数/K1.7×1015.0×10LNG温区内的冷收缩/(mm/m)0.302.80极限应力/Mpa≥240≥205拉伸强度/Mpa≥440≥5201)金属波纹管补偿1)金属波纹管补偿亦称膨胀节，是补偿低温液体输送冷收缩的常用方低缩法。常规的设计是在35m左右的间隔距离，安装一个膨胀节，以补偿不锈钢管路的收缩。需要注意的是：所采用的波纹管的内径应当与管道相同，并有相同的承压能力。此外，波纹管的形状和变形还会引发些隔热结构方面的问题需要和隔热结形，还会引发一些隔热结构方面的问题，需要和隔热结构一起考虑构起考虑。2）管环式/U型弯管补偿管环式补偿与弯管补偿的原理是一样的，广泛地应用于低温工业可靠性很高用于低温工业，可靠性很高。结构、隔热和支撑结构比较复杂，投资也很高。结构、隔热和支撑结构比较复杂，投资也很高。3）采用膨胀率小的管材3）采用膨胀率小的管材殷钢是一种线膨胀系数非常低的材料，在低温下的收缩率也非常小。在一般的低温条件下，所产生的热收缩率非常低条件所产应力对管道没有什么危害。随着合金纯度的提高和焊接技术的发展殷钢受到大家的关注但现场焊接技术技术的发展，殷钢受到大家的关注。但现场焊接技术、质量的控制的有关规范需要进一步的完善，材料的成本过高仍然限制了工程的实际应用。4管道的预冷和保冷4管道的预冷和保冷预冷为了防止因温变化过快热应力过大而使材料或连为了防止因温变化过快、热应力过大而使材料或连接部位产生损坏，应控制预冷时的温度下降速率根据有关操作的经验，冷却速率在50‘C／min左右是比较安全的预冷所需要的低温介质的数量与材料的是比较安全的。预冷所需要的低温介质的数量与材料的质量、比热容及冷却速度有关。对于一特定的管道，则主要取决于冷却速度。如果突然流入常温的管道管道会迅速地如果LNG突然流入常温的管道，管道会迅速地收缩管路的底部与沸腾的LNG直接接触而顶部相收缩。管路的底部与沸腾的LNG直接接触，而顶部相对较热，这种结果便是所谓的香蕉效应。对较热这种结果便是所谓的香蕉效应由于收缩不一致，可能引起管路、支撑和膨胀节的损坏。因此冷却必须慢慢地进行，首先用冷的蒸气在管路中循环，使管路达到一定温度。一般是在-95~-118℃范围内方可输送LNG。保冷保冷间歇型装卸的管路保冷是非常必要的。