LNG加气站放散管材质选择与应用研究
时间：2021-02-08 16:04:49 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要 随着近年来我国天然气汽车产业的迅猛发展，越来越多的LNG加气站投入运营使用，放散管出现变形甚至损坏的问题时有发生，给LNG加气站的生产运营带来一定安全隐患。文章从设计角度出发，针对LNG加气站放散管材质选择问题进行分析研究，解决LNG加气站实际运营过程中放散管变形、损坏的问题。
关键词 LNG；放散管；材质选择
中图分类号：TU996 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）15-0144-02
近年来我国天然气能源开发与利用的进程不断加速，天然气汽车产业也发展迅猛，天然气加气站和天然气汽车总量均有大幅增长。LNG（液化天然气简称）加气站从工艺流程、设备制造等各方面都在不断发展完善，使用领域从最初的城市公交逐步向长途客车、重型卡车等不同领域延伸。截至2014年1月，国内各类加气站总数已经突破4800座，其中建成的LNG加气站为1844座，预计2014年底投产LNG加气站将达2500座左右。随着越来越多的LNG加气站投入运营使用，放散管出现变形甚至损坏的现象时有发生，给LNG加气站的安全生产运营带来一定的隐患。
1 LNG加气站放散系统的组成
LNG加气站工艺管道系统内运行的介质为液化天然气，具有低温、易燃易爆的特性。放散系统作为LNG加气站天然气管道系统的最后一道安全防线，当工艺系统出现问题，如压力超高时，安全放散系统能及时将系统压力降至设计允许范围内，从而确保整个加气站的安全运营，因此站内必须设置天然气安全放散系统。LNG加气站安全放散系统分为CNG放散和LNG放散系统两部分，需要设置放散的工艺设备包括LNG储罐、潜液泵、柱塞泵及其管路系统，以及加气机、BOG回收系统。放散系统的组成包括各工艺设备上的安全放散阀、配套控制阀门、放散管道、加热器（常用的有空温式或水浴式两种，通常选用空温式）、阻火器、排污装置及集中放散管。其中LNG放散系统设计温度为-196℃，工作温度为-164℃；CNG放散系统设计、工作温度均按站址所在地环境温度考虑。LNG放散系统中起点介质为低温天然气，存在气态、液态或气液混合态，由于低温天然气温度大于-112℃时比重才小于空气，为了保证放散的低温天然气能迅速上浮至高空，需要通过空温式加热器加热，使其完全成为气态后（按规范《汽车加油加气站设计与施工规范》GB50156-2012要求，放散温度大于-107℃）再进入LNG集中放散管进行放散。低温部分放散管路通常选用不锈钢无缝钢管，其技术性能符合现行国家标准《流体输送用不锈钢无缝钢管》GB/T14976-2012的规定，材质为06Cr19Ni10。但在一些南方地区的LNG加气站，空温式加热器后的放散管路选用了无缝钢管，其技术性能符合《输送流体用无缝钢管》GB/T8163-2008的要求，材质为20#。
2 LNG加气站放散管的实际问题及原因分析
一些LNG加气站竣工验收合格，投入运营一段时间后，建设单位就反馈放散系统空温式加热器后的放散管出现明显变形起拱，甚至出现放散管道断裂的情况。经现场调查，放散管出现变形、损坏的管段恰恰都是选用20#无缝钢管的部位，选用06Cr19Ni10不锈钢管的管段均能正常运行。
按照设计意图，正常运营过程中，LNG设备及管道系统由于吸收外界热量，天然气介质温度升高，部分LNG气化，或由于卸车或加气过程中LNG液体发生扰动而气化，天然气系统压力慢慢升高，为使系统压力降到正常范围，需要主动放散部分天然气（液态、气态都有可能）。根据实际运营经验，这部分天然气放散量很小，设计能力通常为150～200标准立方米/小时的空温式加热器能够满足此时放散量的加热要求，经过空温式加热器的放散气体温度应大于-20℃。根据《压力管道规范 工业管道 第2部分：材料》GB/T20801.2-2006规定，材质为20#的无缝钢管适用温度范围为-20～425℃，故正常情况下是能够满足要求的。
但在一些特殊情况下，如前期采用液氮（在常压下，液氮温度为-196℃）对系统进行预冷置换时，建设单位往往通过开启放散系统手动控制阀将液氮经放散系统集中排空，造成放散系统出现大量氮的气液混合物，远超空温式加热器的设计能力，从而导致低温气液混合物来不及加热气化，直接进入加热器出口端材质为20#的放散管道，极限最低温度-196℃，超出其-20℃的温度下限，这一过程往往需要几个小时，致使放散管道出现明显的变形、甚至脆性断裂。经了解目前出现问题的几个LNG加气站都属于这种情况。
当然还存在一种可能性：当LNG储罐出现问题，非正常状态下需要大量放散LNG时，势必也会出现这种温度超限的情况，虽然目前实际运营过程中还没有发生，但设计时应充分考虑极端不利情况，才能采取有效措施加以预防。
通过分析可以得出问题的原因正是由于空温式加热器后的LNG放散管道内出现低温气体，甚至是低温液体，低温气、液体的温度远远低于20#无缝钢管的温度适用下限，故发生管道变形、损坏现象是必然的。
3 LNG加气站放散管问题解决措施
因此LNG加气站设计时考虑放散介质的低温特性，工艺系统设计参数的确定应按最不利工况考虑，尤其是冬天时系统出现非正常放散情况。《汽车加油加气站设计与施工规范》GB50156-2012明确提出，放散天然气温度不宜低于-107℃。而最不利工况条件下，设计可以采取的应对措施包括：低温材质选择、加热器设计负荷提高、采取温差变形补偿措施等。
针对LNG介质的低温特性，最直接的措施就是：空温式加热器出口的放散管道也应采用不锈钢无缝钢管（材质为06Cr19Ni10，适用温度范围-196～425℃），并根据计算管道系统最大温差变形量，采取相应变形补偿措施。这一方法的缺点是：增加部分工程投资；极端情况下集中放散管出口气体温度可能会达到-112℃以下，气体比重比空气重，不利于天然气的迅速放散。
一般LNG加气站的放散系统管径通常为DN40或DN50（长度按30米计），末端集中放散立管管径通常为DN80（长度按20米计），管道长度较短，选用不锈钢管材其造价并没有提高多少。不同材质管材价格对比见下表。
管径20#无缝钢管06Cr19Ni10不锈钢无缝钢管
单价
（元/米）总价
（元）单价
（元/米）总价
（元）
DN40185401163480
DN50247201193570
DN80428402134260
从上表可以看出，不考虑安装费和不同材质阀门价格差异，空温式加热器出口端放散管采用不锈钢无缝钢管比采用20#无缝钢管造价最高多6000多元，相对于LNG加气站几百万的总投资来说，增加的投资微乎其微，但可以有效解决放散管的变形、损坏问题，提高LNG加气站运行的安全可靠性。同时放散管统一采用不锈钢管也提高了LNG工艺装置区的整体外观效果。
也可以考虑采用增大放散系统空温式加热器设计负荷能力或增加水浴式加热器的方法，但这两种方法缺点是：一方面增加了工艺区占地面积，这对于原本用地就很紧张的加气站来说非常不利，另一方面也增加了前期投资，除了加热器设备本身的投资增加外，占地面积增大对属于商业用地动辄上百万地价的加气站来说，征地费用也要加大；如采用水浴式加热器，需要外加热源，增加了后期运营费用。
综合上述几种解决方案的优缺点，相比较而言，设计时直接采用不锈钢无缝钢管+温差变形补偿的作法更为简单、经济合理，可以有效解决后期运营过程中放散管变形、损坏问题。
4 结束语
现在全国各个城市都在积极响应国家利用清洁能源-天然气的号召，加快LNG加气站的规划布局和建设，加气站的后期运营安全问题也日益得到重视。针对前期LNG加气站工程遇到的问题及时妥善解决并加以总结推广，在设计阶段优化方案，可以有效解决后期运营出现的问题，这对LNG加气站行业的健康发展有着非常重大的意义。
作者简介
李冉（1973-），男，安徽人，工程师，主要从事燃气工程设计工作。
