低温鹤管制造与泄漏分析

液化天然气(LNG)能源因其具有绿色环保、经济实惠、安全可靠等诸多优势,近些年在我国得到大力发展和应用。至2021年,中国进口LNG达8140万t,超过日本成为全球最大的LNG进口国,预计到2030年,我国天然气消费规模将达到5500亿m3以上,如此巨大的天然气消费需求将依靠国内LNG增产和进口LNG来实现[1]。在LNG转运过程中,一般有船运和陆运2种形式,汽车槽车用低温鹤管(以下简称低温鹤管)已逐渐取代传统软管成为陆用装卸LNG的最关键部件之一,其生产工艺的好坏也将直接影响低温鹤管的装配效率和质量。在低温鹤管众多性能指标中,密封性能是重中之重,根据相关国家标准规范规定,在完成鹤管生产装配后会对其密封性能做相关验证试验,一旦低温鹤管出现泄漏问题,造成的返修工作不仅会影响鹤管的生产周期,还会增加不必要的生产成本,甚至造成一定的安全隐患,所以最大程度保证生产过程中低温鹤管的密封性能质量尤为重要。

低温鹤管主要由入口旋转部装、内臂部装、外臂部装、外伸臂、平衡器、旋转接头及附件组成(见图1)。旋转接头是实现低温鹤管运动旋转的关键核心部件;入口旋转部装直接与撬装管道相连接,是运输介质的入口通道;外伸臂则直接与汽车槽车的储罐相连,构成运输介质的出口通道;内臂部装与撬装框架连接,是低温鹤管左右旋转运动的关键部件;平衡器主要起到平衡外臂及外伸臂转动力矩的作用,主要有配重式、弹簧缸、气缸式等多种样式,其中以配重式和弹簧缸式较为常见[2]。

低温旋转接头是主要用于连接低温鹤管的不同组件做相对旋转并能承受一定载荷的部件,是关系到低温鹤管是否能够稳定运动的关键核心部件。旋转接头结构图如图2所示。低温旋转接头主要由动密封法兰、静密封法兰、密封垫、内圈、外圈、滚珠等组成[3]。当低温旋转接头两端组件做旋转运动时,内外圈间的滚珠随之滚动,起到减小摩擦阻力的作用。

内臂部装主要由轴头零件、轴头连接柱、内臂支撑杆、弯头、法兰及直管道组成(见图3)。内臂部装法兰1与入口旋转部装的低温旋转接头相连,轴头零件与撬装框架连接,是低温鹤管能够实现大幅度左右运转的关键零件[4]。

外臂部装主要由法兰、弯头、阀门、输送管道和平衡器固定架组成(见图4)。外臂部装可在水平面和垂直面的范围内转动,主要用于调整鹤管同槽车对接工作位置。

外伸臂又称垂管,主要由法兰、末端法兰、输送管道、拉断阀、弯头和把手组成(见图5)。其中,末端法兰与储罐相连,实现输送介质的转运。当发生紧急情况,需要将低温鹤管与储罐紧急脱离时,拉断阀可起到紧急脱离作用,保证设备安全。

低温鹤管一般生产工艺流程如图6所示。在低温鹤管总体装配过程中,除平衡器最后安装外,一般遵循由内向外、先主后次的安装顺序,即从入口旋转部装开始,逐步向外伸臂安装,先装配主管道,后装配支管道及附件[5]。在装配弹簧缸式平衡器过程中,应先按图样所示角度安装好弹簧缸安装板,将弹簧缸一端固定在安装板后,缓慢向上旋转外臂部装至适当角度后,使弹簧缸外部定位柱顺利安装入卡槽中,最终再调整外臂角度使弹簧缸安装牢固。

由于LNG的主要成分是甲烷,虽然它无色、无味、无毒且无腐蚀性,被公认是地球上最干净的化石能源之一,但是一旦LNG发生泄漏,其危害性不容小觑,主要有如下几点[6]。

1)LNG发生泄漏后就会立即蒸发,其蒸气与空气的混合物在温度上升过程中形成一个比空气轻的云团,当混合达到一定程度后,一旦遇到火源就很容易引起爆炸。

2)由于LNG是-162℃的深冷液体,一旦发生泄漏,泄漏出来的超低温LNG液体和过冷蒸气会对附近区域的人员产生威胁,接触到皮肤会造成低温冻伤。

3)低温LNG对装置设备也具有破坏性的影响,很可能导致事故的进一步扩大。

4)虽然LNG蒸气是无毒的,但是当天然气在空气中的体积分数大于40%时,吸入过量就会导致缺氧窒息,导致人昏迷,甚至死亡。

5)当LNG泄漏到水中时会发生快速相变的现象,俗称冷爆炸,对周围造成危害。

一般低温鹤管输送介质泄漏的危害性都是较大的,所以无论在前期设计还是在后期生产装配过程中,预防低温鹤管的泄漏尤为重要[7]。在生产过程中可能导致低温鹤管泄漏的原因和预防措施主要有如下几种。

在低温鹤管生产过程中,焊接工作作为主要加工手段,占据着十分重要的位置。焊接件一般由管道、法兰、弯头组成,一旦焊接质量出现问题会直接导致低温鹤管的泄漏。为避免此种情况发生,且根据相关标准要求,在焊接前应当通过焊接工艺评定制定焊接工艺规程来指导焊接工作。在完成焊接工作后,焊缝应进行渗透(PT)、射线(RT)等无损检测,对焊接质量进行有效管控[8]。无损检测合格后,不锈钢管道还应进行酸洗钝化处理,清除管道及焊缝表面的各类油污、锈迹、氧化皮、焊斑等污垢,这样可以有效提高不锈钢抗腐蚀性能,最大程度上避免在长期使用过程中,低温鹤管由于腐蚀而导致泄漏的发生。

旋转接头作为低温鹤管的核心关键部件,其质量好坏不仅关系到整个低温鹤管能否按要求完成功能动作,同时也是能够导致低温鹤管泄漏的常见因素之一。旋转接头导致泄漏主要有如下79个原因[9]。

a.密封件损伤。在旋转接头中,密封组件对旋转接头密封性起着十分重要的作用,密封组件主要分为动密封组件、静密封组件和尘封组件等。为避免影响密封组件密封效果,在装配过程中保证密封组件的清洁和避免划伤尤为重要,是防止旋转接头发生泄漏的重要因素之一。

b.密封面磨损。在确保密封组件装配质量的前提下,保证旋转接头密封面的光洁度也尤为重要。当密封面有损伤,比如划伤或者加工粗糙度不达标时,都会导致输送介质从旋转接头的密封面泄漏,此时就需要返修密封面至要求后才能正常使用。

在低温鹤管后期试验过程中,法兰之间的泄漏情况也时有发生,所以在装配过程中,法兰的装配质量对于低温鹤管的泄漏也起着重要的作用[10]。

法兰是通过法兰周圈的连接螺栓连接在一起的,为提高法兰之间的密封性,在两法兰之间往往会安装金属缠绕垫。有时法兰之间发生泄漏是由于连接螺栓未按相关操作规范安装,或是未按规定的扭力装配,造成两法兰和金属缠绕垫接触面受力不均而导致泄漏,有时这种违规操作还会造成金属缠绕垫的损坏,或是金属缠绕垫本身质量存在问题也有可能导致泄漏,此时就需重拆除连接螺栓,更换合格的金属缠绕垫后,按规范重新安装连接螺栓即可解决泄漏问题。

在低温鹤管产品中,诸如阀门、管接头等标准件的质量也可能导致泄漏的发生,所以在装配工作前,对相关标准件的选择和质量管控也不容忽视,一旦出现问题,应立即更换,最大程度避免泄漏的产生。

通过上述研究可以得出如下结论。

1)与传统软管输送相比,此种低温鹤管结构采用硬连接方式,加上紧急脱离等安全装置,可以有效防止爆管、断裂等情况的发生,安全可靠性高。平衡系统和旋转接头结构使人工操作简便,完全满足如液化天然气(LNG)等低温流体从储罐至撬装等相关产品的转运使用。

2)全面阐述了低温鹤管泄漏带来的危害,分析了在生产装配过程中能够导致低温鹤管泄漏的原因,通过加强焊接质量管控,提升旋转接头密封组件的装配质量,同时提高法兰装配质量等方法可以使低温鹤管由于生产装配导致的泄漏率下降50%以上。