高压LNG法兰泄漏处理经验

    黄惠龙 李峰

    

    

    

    【摘? 要】新建高压泵出口汇管高压法兰泄漏处理，管道本身没有排空阀，若排空汇管，需要对扩建的两台高压泵整个系统排空、惰化和重新冷却管道和设备，不仅经济损失较大，而且重新冷却管道和高压泵，需要2天左右时间并面临试车风险。笔者通过多次观察法兰的泄漏量，计算法兰的紧固力矩，通过HYSYS模拟液化的方法确认高压LNG法兰泄漏的决策技术依据。

    【关键词】高压LNG;HYSYS模拟;力矩;应力分析;法兰泄露

    【Abstract】The high-pressure flange at the outlet of the new high-pressure pump leaks. There is no vent valve in the pipeline itself. If the manifold is emptied， the whole system of the expanded two high-pressure pumps needs to be emptied， inerted and the pipes and equipment need to be re cooled. Not only the economic loss is large， but also the pipeline and high-pressure pump need to be re cooled for about 2 days and face the risk of test run. Through observing the leakage of flange for many times， the author calculates the tightening torque of flange， confirms the decision-making technical basis of high pressure LNG flange leakage by HYSYS simulation liquefaction method.

    【Keywords】high pressure LNG; HYSYS simulation; moment; stress analysis; flange leakage

    1引言

    廣东大鹏液化天然气有限公司的接收站是国内首个LNG接收站，自2006年6月投用以来，至今已扩建多次，其中2009年开始进行了解瓶颈项目的扩建，增加了两台高压输出泵（下称高压泵），两台海水气化器、两台海水泵、一台浸没式气化器及配套设施。本文主要阐述的是调试期间碰到的高压法兰泄露处理的过程及经验。

    2011年6月上旬，扩建高压外输总管汇管管道末端法兰泄漏在运行时发现泄漏，操作人员随即将运行压力从85barg降至8barg左右，管内温度为-110OC左右。

    在接到通知处理此事故后，项目管理人员和生产人员紧密配合，即刻调配有经验的管工准备好力矩扳手。

    经查询施工图和设计规范，泄漏的法兰规格为DN450对焊高颈900#磅凸面法兰，材料为A182-F304L，按 ASME B16.5 制造，凸面加工线粗糙度为RA 125-250，对焊处材料厚度为S-100;垫片规格为DN450，900磅级带内外加强环石墨缠绕垫，加强环材料为316不锈钢，按照ASME B16.20 制造;螺栓规格为17/8inch直径的全通丝粗牙螺杆，材料为A320-B8M CL2，长度为470MM，制造标准为ASME B18.2.1，螺母为外六角重型螺母，材料为A194-8MA，制造标准为ASME B18.2.2。根据管道法兰紧固程序，17/8INCH螺栓紧固力矩为2850N.M;经检查法兰、螺栓螺母表面无变形、顺坏等明显缺陷，仍可使用;垫片外加强圈无明显缺陷，是否可以使用未知。

    法兰正面和侧面照片如图1。

    2 高压LNG法兰泄漏的研究目标

    本研究目的是帮助项目团队进行安全有效的技术决策，避免排放全部高压泵出口管线内的LNG、引起管道和设备升至常温及重新试车，保证扩建两台高压泵一直备用，保证接收站外输的可靠性。

    3 高压LNG法兰泄漏处理的主要研究内容

    法兰紧固力矩值的验算、HYSYS模拟液化。

    4 研究成果介绍

    4.1 力矩值的验算

    4.1.1 法兰泄漏校核

    为确认法兰紧固力矩是否满足设计要求，对管系的法兰泄漏进行校核，校核有两种方法：

    第一，Kellogg当量压力法。此法相当保守，一般满足以下公式，法兰不会泄漏。

    Peq= 当量压力 （用于校核法兰泄漏）

    M =作用在法兰上的弯矩

    G =法兰垫片上的有效直径

    F = 作用在法兰上的轴向力 （取绝对值）

    PD=设计压力

    第二，ASME NC-3658法。通常工程计算都采用这个方法，精确而且可以通过Caesar II 的flange计算模块进行。

    Mfs=由于持续机械荷载而产生的弯矩或扭矩 （法兰中弯矩较大一侧，不包含任何偶然工况）

    Mfd=由于持续机械荷载及动态荷载而产生的较大的弯矩或扭矩 （法兰中弯矩较大一侧，包含偶然工况）

    Sy=法兰材料在设计温度下的屈服强度 （一般不超过36，000psi）

    C= 螺栓环直径

    Ab= 所有螺栓横截面积之和

    经校核，在ASME NC-3658方法下，该法兰密封不会失效。

    校核结果如下图2：

    螺栓（A320-B8M CL2）的许用强度取值为130MPA，根据上图可知，目前的力矩可以提高20%，最终决定力矩增加10%，即按照3100N.M进行紧固。

    4.1.2 法兰紧固后的情况描述及讨论

    紧固后，在法兰密封的两个位置（大致3点和9点位置）近距离观看到1～2mm气泡，如图3。

    当时部分工程师认为紧固后，随着管道压力从目前的8barg升压到操作压力，法兰必然泄漏，因此他们认为只有更换垫片才能保证密封，这就意味这把高压泵进出口管道排空，升温，在法兰的垫片更换后再用2～3天时间对管道和高压泵进行冷却降温，这对公司的运营安全和经济都将产生不利影响。

    4.2 HYSYS模拟液化

    由于管内存在低温的天然气，在管道升压后，将发生相变，NG被液化。该相变过程可以利用HYSYS软件进行模拟（表 1为模拟基础组分表）。

    HYSYS分析（图4）如下：

    ①管线降压至8barg并升温至-110℃后，管内LNG发生相变，出现气液两相，符合实际操作中的情况。

    ②针对上述情况，如果管线开始升压，从模拟可以看出，当管线压力升至18barg左右（温度不变），管内气相消失，全部转为液相。

    ③同样地，如果管线保持压力不变，单纯降温，从模拟可以看出，当管线温度降至-128oC左右（压力不变），管内同样气相消失，全部转为液相。

    基于上述模拟，现场人员决定采用升压方式，解决现场问题，之后工艺操作正常，法兰密封面气泡消失。

    4.3 总结

    因此高压低温法兰的泄漏可以按照以下步骤进行：确认法兰和螺栓是否损坏，垫片可见部分是否破裂等;校核法兰密封的设计力矩值是否满足法兰的密封要求;在适当情况下，可以升高一定压力进行在线观察，观察务必注意安全，使用检查镜等。

    5 经济效益和社会效益

    处理高压法兰泄漏可以根据工艺系统的特点，高压低温将低温天然气吸收液化，这次泄漏的处理方式可以给日后接收站的应急措施提供一定的借鉴，节约因LNG排放产生的费用和重新试车需要的宝贵时间，从而最大程度保证接收站外输的可靠性，对公司的社会责任实现具有重大意义。