林其瀚

（廈門船舶重工股份有限公司，福建廈門 361026）

0 引言

在全球節(jié)能減排的背景下，價(jià)格實(shí)惠且儲(chǔ)量豐富的液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG），因其綠色、環(huán)保、高效的優(yōu)勢，越來越受到船東的青睞。甲烷作為 LNG的主要成分，是一種高效清潔的優(yōu)質(zhì)燃料，燃用 LNG可有效降低氮氧化物的排放。近年來，越來越多的船舶開始將LNG作為燃料，作為動(dòng)力系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)船舶 LNG供給系統(tǒng)的研究尤為重要。

LNG的常壓沸點(diǎn)為-162.15 ℃，爆炸極限為5%～15%，LNG氣化后，體積會(huì)膨脹600倍?？紤]到上述特點(diǎn)，LNG供給系統(tǒng)有別于常規(guī)燃料系統(tǒng)，在設(shè)備配置和管系選型等方面有更高的要求。本文基于7 500車雙燃料汽車滾裝船，對(duì)液化天然氣供給系統(tǒng)的基本原理進(jìn)行闡述，并對(duì)雙壁管材料選型、設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)、制作與安裝要求進(jìn)行分析，為船舶LNG供給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定參考。

1 船舶概況

本文研究的7 500車雙燃料汽車滾裝船是目前處于運(yùn)營狀態(tài)的全球最大的雙燃料汽車滾裝船，可裝載大卡車、翻斗拖車和公路拖車等重型工程車輛，契合船型大型化的發(fā)展趨勢。該船的雙燃料主機(jī)可滿足Tier Ⅲ排放要求，綜合技術(shù)水平跨入國際先進(jìn)水平行列。

2 LNG供給系統(tǒng)

2.1 設(shè)備配置

7 500車雙燃料汽車滾裝船配備1臺(tái)30 MPa高壓雙燃料主機(jī)，型號(hào)：MAN B&W S60ME-C10.5 GI，該主機(jī)配備有由電控液壓驅(qū)動(dòng)的燃油閥、燃?xì)忾y和排氣閥。由于該主機(jī)的廢氣可實(shí)現(xiàn)再循環(huán)，故在任何燃油模式下無須經(jīng)廢氣再處理就可直接滿足國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）的Tier Ⅲ排放要求。

除30 MPa高壓雙燃料主機(jī)外，7 500車雙燃料汽車滾裝船還配備有如下設(shè)備：1）3臺(tái)低壓雙燃料中速發(fā)電機(jī)，在燃?xì)饽Ｊ较聺M足Tier Ⅲ排放要求，為使燃油模式同樣滿足要求，事先為選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）轉(zhuǎn)化器預(yù)留安裝空間；2）1臺(tái)低壓雙燃料鍋爐，適用于重油、柴油和天然氣，該鍋爐可燃燒任何甲烷含量的燃?xì)猓部商幚砣魏吻闆r下的多余蒸發(fā)燃?xì)猓?）2個(gè)容積為1 800 m的C型LNG儲(chǔ)罐。

2.2 供給系統(tǒng)

LNG供給系統(tǒng)由LNG加注單元、LNG儲(chǔ)罐、供氣處理單元（Fuel Gas Supply System，F(xiàn)GSS）、燃?xì)飧邏罕眉叭細(xì)忾y組單元（Gas Valve Train，GVT）等部分組成，為便于后期安裝，均采用模塊化設(shè)計(jì)。各艙室的設(shè)備布置情況如下所示：

1）LNG罐艙布置有C型LNG儲(chǔ)罐。

2）供氣設(shè)備間布置有FGSS、主機(jī)GVT和發(fā)電機(jī)GVT。

3）機(jī)艙布置有主機(jī)、發(fā)電機(jī)、鍋爐以及鍋爐GVT。

4）供氣設(shè)備間與機(jī)艙之間設(shè)置隔離空艙。

LNG供給系統(tǒng)示意圖見圖1，加注站將 LNG注入 LNG儲(chǔ)罐，管道采用單壁管，并包覆保冷絕緣。儲(chǔ)罐中的 LNG經(jīng)過儲(chǔ)罐連接站（Tank Connection Space，TCS）向FGSS輸送，再經(jīng)由GVT調(diào)節(jié)流量后向燃?xì)庥脩艄猓挥诟綦x空艙及機(jī)艙區(qū)域的燃?xì)夤苈沸璨捎秒p壁管。值得注意的是，用于主機(jī)的高壓燃?xì)庑杞?jīng)燃?xì)飧邏罕迷鰤汉笫褂谩?/p>

圖1 LNG供給系統(tǒng)示意

3 LNG雙壁管設(shè)計(jì)

LNG供給管系主要依據(jù)-（IGF Code）和船級(jí)社相關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。為避免因管路缺陷造成的泄漏危險(xiǎn)，機(jī)器處所在任何情況下均要處于氣體安全狀態(tài)，故需對(duì)機(jī)器處所的燃?xì)夤苈肥┘颖Ｗo(hù)措施。在本項(xiàng)目中，采用雙壁管作為LNG輸送管路以增加安全性。

雙壁管采用大管套小管的形式，內(nèi)管為 LNG管路，危險(xiǎn)區(qū)域等級(jí)定義為ZONE 0。外管與內(nèi)管間的空腔可用于通風(fēng)或填充氮?dú)?，危險(xiǎn)區(qū)域等級(jí)定義為ZONE 1。外管與內(nèi)管之間通過滑動(dòng)式彈性支撐和焊接式固定支撐進(jìn)行固定，彈性支撐橫向與豎向交錯(cuò)布置，使各方向受力平衡、變形均勻分布。根據(jù)應(yīng)力計(jì)算的結(jié)果確定固定支撐的位置，將內(nèi)管與外管通過套管和固定板進(jìn)行焊接，限制相對(duì)位移。雙壁管彈性支撐和固定支撐布置示意圖見圖 2，彈性支撐和固定支撐截面圖見圖3。

圖2 雙壁管彈性支撐和固定支撐布置示意

圖3 彈性支撐和固定支撐截面圖

3.1 雙壁管的選型

若設(shè)備廠家對(duì)雙壁管有明確的要求和推薦的型號(hào)，則參照其要求和推薦進(jìn)行選型；若設(shè)備廠家沒有給出要求和推薦信息，則需遵循以下原則對(duì)雙壁管進(jìn)行選型。

3.1.1 管徑

1）內(nèi)管

在對(duì)內(nèi)管管徑進(jìn)行選擇時(shí)，需要考慮供氣量多少，并對(duì)用氣設(shè)備滿負(fù)荷運(yùn)行的工況進(jìn)行核算。合適的管徑可在提供穩(wěn)定流量的同時(shí)有效降低壓力損失。

2）外管

在對(duì)外管管徑進(jìn)行選擇時(shí)，主要考慮彈性支撐安裝空間和變形量的需求。若外管管徑太大，不僅浪費(fèi)材料還不利于船舶重量的控制；若外管管徑太小，則不利于彈性支撐的安裝和吸收變形。此外，還需考慮雙壁管空腔的通風(fēng)需求。

3.1.2 材質(zhì)

在對(duì)雙壁管材質(zhì)進(jìn)行選擇時(shí)，需選擇耐腐蝕、耐高壓的材料，還需考慮焊接要求，盡量與廠家接口相匹配。通常情況下，低壓管可選用304不銹鋼或316不銹鋼，高壓管可選用雙相不銹鋼或超級(jí)雙相不銹鋼。

3.1.3 壁厚

根據(jù)IGF Code相關(guān)要求，壁厚計(jì)算公式為

式中：為負(fù)公差與公稱壁厚之比；為彎曲余量；為腐蝕余量；為實(shí)際壁厚；為理論壁厚，計(jì)算公式為

式中：為設(shè)計(jì)壓力；為管子外徑；為許用應(yīng)力；為焊接有效系數(shù)，對(duì)于無縫管=1。

3.2 雙壁管的布置

一般情況下，在對(duì)雙壁管進(jìn)行布置時(shí)，需考慮先確定走向，再確定外管支架，最后確定內(nèi)管支架。盡量減少雙壁管與其余管路或舾裝件之間的布置空間協(xié)調(diào)。雙壁管的合理布置可提高安全性，在船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)時(shí)需滿足如下5點(diǎn)要求。

3.2.1 規(guī)范要求

根據(jù)IGF Code相關(guān)要求，燃?xì)夤芎屯笟夤苄杈嚯x舷側(cè)外板800 mm以上，燃?xì)夤懿粦?yīng)直接穿過居住區(qū)、服務(wù)區(qū)、電氣設(shè)備間和控制站等處所。

3.2.2 膨脹要求

考慮到消除應(yīng)力的需求，直管長度一般不得超過10 m，確需超過10 m的管道應(yīng)設(shè)置膨脹彎。在水密艙壁、防火艙壁和甲板外的其他處所，應(yīng)盡可能少設(shè)置通艙管件，以設(shè)置自由孔貫穿為宜。外管支架的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮管路膨脹方向和大小，組合使用滑動(dòng)支架和固定支架。

3.2.3 裝配要求

雙壁管在裝配時(shí)采用定型彎頭而非機(jī)械彎管的形式。一般情況下，內(nèi)管彎頭的彎曲直徑為 1.5，外管彎頭的彎曲直徑為。當(dāng)內(nèi)管和外管的管徑差異較大時(shí)，內(nèi)管彎頭應(yīng)選擇曲率直徑更大的彎頭。本船的雙壁管彎頭選型共有3種方案（見圖4），為避免內(nèi)、外管彎頭變形時(shí)相碰撞，選擇內(nèi)、外管彎頭間距最大的方案3。

圖4 雙壁管彎頭選型方案

3.2.4 焊接要求

根據(jù)IGF Code相關(guān)要求，LNG管路均采用對(duì)接焊。為便于安裝，LNG雙壁管一般布置在所有管路和電纜的最外層，對(duì)接焊縫的數(shù)量應(yīng)控制在最少。

3.2.5 檢驗(yàn)要求

雙壁管的安裝精度要求較高，為了檢查外管焊接質(zhì)量及內(nèi)管彈性支架安裝位置的準(zhǔn)確性，在外管合適位置設(shè)置檢查孔，用于插入內(nèi)窺鏡檢查，內(nèi)管及外管的對(duì)接焊縫需做無損探傷并預(yù)留拍片空間。

4 LNG雙壁管布置合理性檢驗(yàn)

LNG雙壁管支架布置及管路走向關(guān)乎船舶安全，對(duì)于雙壁管的設(shè)計(jì)要充分驗(yàn)證，確保萬無一失。

4.1 雙壁管應(yīng)力分析

根據(jù)IGF Code相關(guān)要求，對(duì)于內(nèi)部流體溫度低于-110 ℃或壓力高于1 MPa的管道，應(yīng)保證在環(huán)境溫度變化、船體變形和流體溫度變化的影響下不出現(xiàn)過大的應(yīng)力或疲勞損傷，這需要通過應(yīng)力分析進(jìn)行驗(yàn)證。本船依據(jù)ASME B31.3-2016的要求，基于CAESARⅡ軟件進(jìn)行應(yīng)力分析，分析過程主要考慮以下3點(diǎn)因素：

1）各工況下船體變形量和加速度，這是雙壁管應(yīng)力分析的基礎(chǔ)。

2）雙壁管1階固有頻率應(yīng)大于主機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的激振頻率，通常設(shè)置20%安全裕度，以免發(fā)生共振，激振頻率計(jì)算公式為

式中：為激振頻率；為主機(jī)轉(zhuǎn)速；為主機(jī)缸數(shù)或螺旋槳的槳葉數(shù)；為主機(jī)或螺旋槳的固有頻率。

3）彈性支撐的徑向變形量不得超過廠家推薦值，彈性支撐的徑向變形示意圖見圖5，計(jì)算公式為

圖5 彈性支撐徑向變形示意

式中：為彈性支撐的徑向變形量；為外管豎向位移；為外管橫向位移；為內(nèi)管豎向位移；為內(nèi)管橫向位移。

若局部應(yīng)力超出許可值，則需消除應(yīng)力。消除應(yīng)力以調(diào)整支架位置、形式及數(shù)量為首選方案，盡量避免大幅調(diào)整管道走向。

4.2 壓降計(jì)算

需根據(jù)管道的實(shí)際布置，對(duì)內(nèi)管進(jìn)行 LNG供給壓降計(jì)算，以核查供氣壓力是否滿足設(shè)備的使用需求。壓降計(jì)算除考慮管路本身產(chǎn)生的壓損外，還要考慮沿程設(shè)備、閥件和附件所產(chǎn)生的壓降。

4.3 雙壁管通風(fēng)風(fēng)阻計(jì)算

雙壁管的內(nèi)管用于燃?xì)廨斔?，而外管起到隔離保護(hù)的作用。利用風(fēng)機(jī)不間斷抽風(fēng)在內(nèi)管和外管之間形成負(fù)壓，可將泄漏的燃?xì)饧皶r(shí)抽出并排放到安全區(qū)域，以控制火災(zāi)及爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)IGF Code相關(guān)要求，外管與內(nèi)管之間的空腔需進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)，換風(fēng)頻率不低于30次/時(shí)。為達(dá)到良好的通風(fēng)效果，應(yīng)進(jìn)行風(fēng)阻計(jì)算。風(fēng)阻是由空氣的黏滯性以及空氣和管壁間的摩擦產(chǎn)生的，與管道的直徑、長度、管壁摩擦阻力系數(shù)、風(fēng)速和流體密度等因素息息相關(guān)。計(jì)算風(fēng)阻值并據(jù)此選擇合適的風(fēng)機(jī)容量及靜壓值。在風(fēng)機(jī)選型時(shí)要預(yù)留合理裕度：若風(fēng)機(jī)容量太大，則換風(fēng)過快，噪聲較大，會(huì)導(dǎo)致可燃?xì)怏w探頭失效；若風(fēng)機(jī)容量太小，則換風(fēng)不足，無法滿足基本要求。

當(dāng)內(nèi)管和外管之間填充有氮?dú)鈺r(shí)，不需要通風(fēng)，但雙壁管腔體內(nèi)的氮?dú)鈮毫?yīng)大于內(nèi)管壓力。此外，應(yīng)設(shè)置壓力開關(guān)，在內(nèi)管發(fā)生泄漏或外管損壞時(shí)，可實(shí)現(xiàn)報(bào)警并停機(jī)保護(hù)。

在對(duì)LNG雙壁管的設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，要綜合考慮應(yīng)力分析、壓降計(jì)算和風(fēng)阻計(jì)算，流程圖見圖6。

圖6 LNG雙壁管設(shè)計(jì)驗(yàn)證流程圖

5 LNG雙壁管的制作和安裝

5.1 制作

LNG雙壁管的制作應(yīng)滿足以下5點(diǎn)要求：

1）雙壁管應(yīng)選用不銹鋼材質(zhì)，不銹鋼管加工過程應(yīng)具備獨(dú)立的車間，不可與鋼管共用加工車間。此外，切割片和鋼絲刷等輔助工具也要采用不銹鋼材質(zhì)，以免鐵屑依附在不銹鋼管表面造成腐蝕。

2）雙壁管采用對(duì)接焊，需具備船級(jí)社認(rèn)可的焊接工藝規(guī)程。

3）焊接人員要持有船級(jí)社頒發(fā)的資質(zhì)認(rèn)證，要對(duì)施工人員、焊接時(shí)間和焊縫信息做詳盡的記錄，確保可追溯性。

4）雙壁管制作完成后，需進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)。對(duì)于低壓管路，可采用特殊工裝將管段連接試壓；對(duì)于高壓管路，采用焊接盲板的方式將端口封死，再進(jìn)行試壓。

5）需做好雙壁管的清潔和干燥工作，密封管道的端口，利用帆布等材料包裹管道的外表面。

5.2 安裝

1）對(duì)中要求

雙壁管的對(duì)中安裝精度要求極高，若安裝精度不符合要求，內(nèi)管無法得到很好的支撐，易造成管路損傷。

2）安裝順序

雙壁管需按同一個(gè)方向進(jìn)行順序安裝，在內(nèi)管安裝完成且無損探傷及試壓檢驗(yàn)合格后再安裝外管。

3）外管支撐

一般情況下，雙壁管的外管支撐在機(jī)艙所有分段搭載完成后一次性安裝到位，這種方式可有效避免因分段制作及合龍誤差導(dǎo)致的定位偏差。

4）內(nèi)管支撐

雙壁管內(nèi)管支撐在車間安裝，管路整體安裝后，通過內(nèi)窺鏡檢查內(nèi)管支撐安裝位置是否發(fā)生變化、是否產(chǎn)生明顯變形。

6 LNG雙壁管的驗(yàn)收

1）無損探傷

雙壁管的內(nèi)管和外管均為全焊透對(duì)接焊，對(duì)接焊縫需要無損探傷。

2）串洗

為了清除固體顆粒物以及附著在管壁的污漬，需對(duì)雙壁管內(nèi)管進(jìn)行串洗。使用清潔淡水對(duì)內(nèi)管進(jìn)行串洗，結(jié)束后用氮?dú)獯蹈伞?/p>

3）試壓

內(nèi)管需要在車間完成壓力試驗(yàn)，實(shí)船安裝后需進(jìn)行密性試驗(yàn)；外管在安裝后需進(jìn)行密性試驗(yàn)。壓力試驗(yàn)的介質(zhì)為蒸餾水。試驗(yàn)結(jié)束后，需對(duì)整個(gè)管路進(jìn)行通風(fēng)，要確保所有的水分能夠從管道中吹出。

7 結(jié)論

本文以 7 500車雙燃料汽車滾裝船為例，對(duì)LNG供給系統(tǒng)雙壁管的設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)、制作、安裝和驗(yàn)收方法進(jìn)行了介紹和分析。實(shí)船試驗(yàn)證明了雙壁管應(yīng)用于液化天然氣供給系統(tǒng)的可靠性。值得注意的是，由于不同設(shè)備供貨商、船東和船級(jí)社對(duì)應(yīng)力計(jì)算和無損探傷等的要求不盡相同，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。本文的研究成果可為船舶液化天然氣供給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定參考。