Case study: Progettazione di tubazioni per le strutture Lng – Calcoli e standard

Le strutture a gas naturale liquefatto (LNG) rappresentano alcuni degli ambienti più complessi e impegnativi del settore energetico, che richiedono una meticolosa attenzione al design delle tubazioni, ai calcoli ingegneristici e alla rigorosa osservanza degli standard industriali.

Comprendere LNG e le sue sfide uniche

Il gas naturale è liquefatto abbassando la temperatura dell'idrocarburo a circa -260°F, rendendo possibile il trasporto a pressione atmosferica sotto forma di LNG. Questa temperatura estrema crea sfide uniche per la progettazione del sistema di tubazioni che differiscono significativamente dalle applicazioni di tubazioni di processo convenzionali.

La liquefazione del gas naturale viene effettuata in impianti denominati treni LNG che hanno una complessa rete di tubazioni che funzionano tra diverse sezioni all'interno del treno. Questi sistemi di tubazioni devono mantenere l'integrità strutturale durante la movimentazione di fluidi criogenici, ospitare una significativa espansione termica e contrazione, e prevenire qualsiasi rilascio di idrocarburi durante il normale funzionamento dell'impianto.

Le temperature criogeniche sono definite come -150°C (-238°F), e i liquidi criogenici sono quelli che hanno punti di ebollizione a pressione atmosferica sopra questo limite di temperatura. I liquidi criogenici comuni includono argon (-186°F), elio (-452°F), idrogeno (-423°F), azoto (-321°F), ossigeno (-297°F), e metano (-256°F).

Calcolazioni critiche nel design del tubazioni LNG

La progettazione di sistemi di tubazioni per impianti LNG comporta diversi calcoli di ingegneria critica che costituiscono la base di operazioni sicure ed efficienti, che devono essere in considerazione delle proprietà uniche dei fluidi criogenici e delle condizioni operative estreme.

Analisi della caduta di pressione

I calcoli di pressione sono fondamentali per garantire un'adeguata portata e prestazioni del sistema nelle reti di tubazioni LNG. I calcoli idraulici richiedono una caduta di pressione sotto 0.86 MPa a 740 m3/h di portata per le applicazioni LNG tipiche. Questi calcoli devono considerare le proprietà dei fluidi a temperature criogeniche, la rugosità dei tubi, i raccordi, le valvole e altri componenti che contribuiscono alla resistenza del sistema generale.

I principi del flusso fluido non sono semplici a causa dell'interdipendenza della caduta della pressione e dell'attrito, e questa linea guida del design copre gli elementi fondamentali nel campo della selezione e dimensionamento dei materiali di flusso del fluido di tubazione. Gli ingegneri devono utilizzare software specializzati e correlazioni empiriche per prevedere con precisione le perdite di pressione durante il sistema, assicurando che le pompe e i compressori siano dimensionati correttamente e che i requisiti di flusso sono soddisfatti in tutte le condizioni operative.

Determinazione della spessore della parete

Calcolare lo spessore della parete richiesta per la tubazione LNG è fondamentale per garantire che il sistema possa sopportare in modo sicuro le pressioni interne mantenendo l'integrità strutturale alle temperature criogeniche. Lo spessore della parete di tubazione dovrebbe superare i 7,08 mm in base alle valutazioni di pressione interne per le condizioni tipiche del servizio LNG.

I requisiti di progettazione e i criteri di accettazione dei sistemi di tubazione LNG si basano su codici riconosciuti come ASME B31.3 e ASME BPVC, che delineano le specifiche necessarie per garantire sicurezza, efficienza e conformità in termini di gestione della pressione, standard di materiale e analisi della flessibilità, con particolare attenzione ai calcoli di progettazione relativi allo spessore della parete, alla caduta della pressione e alla flessibilità.

Calcolazioni di espansione termica e di contrazione

L'espansione termica rappresenta una delle considerazioni di progettazione più critiche per i sistemi di tubazione LNG a causa dei differenziali di temperatura estremi tra condizioni ambientali e temperature operative. Il design del sistema di tubazioni deve considerare l'espansione termica perché le variazioni di temperatura causano l'espansione dei materiali di tubazione e il contratto, e se questo cambiamento di dimensione non è rappresentato dal design, il sistema può essere danneggiato dalle normali condizioni di lavoro, che possono portare a perdite e anche guasto.

Se una corsa di tubo è costretta a entrambe le estremità, in quanto riscalda l'espansione lineare causerà lo stress di compressione sul materiale, e quando questa forza indebita supera lo stress consentibile sul materiale, si tradurrà in danni al tubo e potenzialmente staffe, raccordi e valvole. Il calcolo di espansione termica deve considerare il coefficiente di espansione termica per il materiale di tubazione, la lunghezza delle tubazioni e la temperatura differenziale tra installazione e condizioni operative.

I vasi e i tubi riempiti di fluidi richiedono un sollievo dalla pressione per proteggere dalla perdita di contenimento causata dall'espansione termica fluida, che si verifica quando il fluido viene riscaldato a causa del tracciamento a vapore, della radiazione solare, del fuoco esterno, ecc. Questo è particolarmente importante nei sistemi LNG in cui le sezioni bloccate di tubazioni possono sperimentare un rapido aumento della pressione se riscaldate.

Analisi della flessibilità e Calcolazioni di stress

Gli obiettivi principali dell'analisi dello stress del tubo sono quello di garantire la capacità strutturale contro la pressione, vari carichi nel ciclo di vita, diversi scenari operativi e carichi sulle strutture di supporto.

Lo stress valutato è confrontato con lo stress ammissibile definito dalla American Society of Mechanical Engineers (ASME). Gli ingegneri utilizzano in genere software specializzato come CAESAR II per eseguire analisi di stress complete che rappresentano carichi sostenuti (pressione e peso), carichi di spostamento (espansione termica), e carichi occasionali (fine, sismica, scarico valvola di rilievo).

Comprendere la distinzione tra carichi sostenuti e carichi dislocamento (termali) è fondamentale per l'analisi della flessibilità di tubazione, e quando un sistema di tubazioni si riscalda prima, le sollecitazioni termiche possono superare la resistenza di resa dei materiali nei punti localizzati (bows, connessioni di ramo), causando deformazione plastica che crea tensioni residue.

Supporta le Calcolazioni Span

Le campate di supporto devono evitare il sagging, consentendo una deviazione massima di 12 mm. La corretta spaziatura di supporto è essenziale per evitare una eccessiva deflezione del tubo, minimizzare le concentrazioni di stress e garantire che il sistema di tubazione mantiene il suo allineamento durante la sua vita operativa.

Standard di settore e conformità regolamentare

La conformità con gli standard riconosciuti a livello internazionale non è facoltativa nel design di tubazioni LNG: è un requisito fondamentale che garantisce sicurezza, affidabilità e conformità giuridica.

ASME B31.3 Codice di tubazione del processo

ASME B31.3 contiene requisiti per la tubazione tipicamente presenti nelle raffinerie petrolifere; chimico, farmaceutico, idrogeno, tessile, carta e polpa, generazione di energia, semiconduttore e impianti criogenici; e relativi impianti di lavorazione e terminali.

I sistemi di tubazioni devono rispettare ASME B31.3 e resistere efficacemente alle pressioni di progettazione. Il codice fornisce requisiti completi per i materiali, la progettazione, la fabbricazione, l'assemblaggio, l'erezione, l'esame, l'ispezione e il test dei sistemi di tubazione. L'applicazione attenta di questi codici B31 aiuterà gli utenti a rispettare le normative applicabili all'interno delle loro giurisdizioni, mentre il raggiungimento dei benefici operativi, costi e sicurezza da ottenere dai molti migliori pratiche del settore dettagliati all'interno di questi volumi.

Il codice più comune per la progettazione e la costruzione del sistema di tubazioni è ASME B31.3, e dalla sua introduzione nel 1935, ha guidato il Nord America e la maggior parte del mondo nella produzione sicura e l'uso di tubazioni di processo in aziende di ingegneria, produttori di attrezzature, energia, aerospaziale e molte altre industrie, e ASME B31.3 è utilizzato quotidianamente, spesso citato, e ben compreso.

ASME B31.12 Piping idrogeno e tubature

Per alcune applicazioni LNG, in particolare quelle che coinvolgono l'idrogeno o che richiedono misure di sicurezza migliorate, ASME B31.12 può essere applicabile. B31.12 condivide somiglianze con il più noto codice ASME B31.3, con una breve panoramica delle somiglianze e delle differenze tra ASME B31.3 e B31.12, concentrandosi sulla loro applicazione nel servizio criogenico.

ASME B31.3 non ha alcun requisito di serie per un sistema di qualità indicato nel codice, mentre al contrario ASME B31.12 richiede un sistema di qualità e dettagli i requisiti all'interno del codice, e per essere conforme ai requisiti in questa sezione, è una migliore pratica del settore per ogni organizzazione di avere un programma di gestione della qualità ISO 9001 certificata in atto.

API Standards per applicazioni LNG

L'American Petroleum Institute (API) pubblica diversi standard relativi alle strutture LNG, tra cui API 620 per grandi serbatoi di stoccaggio a bassa pressione saldati e API 625 per sistemi di serbatoi per stoccaggio a gas refrigerato liquefatto.

L'Istituto e l'API idraulici pubblicano standard per carichi di ugelli a pompa consentita e i produttori di altre apparecchiature avranno limiti sui carichi di connettore, garantendo che i sistemi di tubazione siano progettati per essere compatibili con le apparecchiature connesse e non impongono carichi eccessivi che potrebbero portare a guasti di apparecchiature.

Standard internazionali e regionali

Oltre alle norme nordamericane, le strutture LNG possono essere conformi alle norme internazionali come EN 13480 per la tubazione industriale metallica nelle applicazioni europee. La tubazione può essere conforme ai codici di progettazione EN13480 e ASME B31.3, consentendo la flessibilità nel soddisfare le esigenze normative regionali, mantenendo standard di sicurezza costanti.

Selezione dei materiali per il servizio criogenico

La scelta dei materiali rappresenta una delle decisioni più critiche nel design del piping LNG. Le temperature estreme del servizio LNG eliminano molti materiali comunemente utilizzati nelle applicazioni di tubazioni convenzionali a causa del rischio di frattura fragile.

Acciaio inossidabile austenitico

I materiali più comuni utilizzati nella tubazione della pressione criogenica sono l'acciaio inossidabile austenitico (304/304L e 316/316L) e l'alluminio. Gli acciai inossidabili austenitici mantengono la loro duttilità e resistenza alle temperature criogeniche, rendendoli ideali per il servizio LNG.

La soluzione S304/L o S316/L può essere utilizzata fino a –425°F senza test di impatto, purché il materiale sia in condizione di ricotto della soluzione, rendendo questi materiali particolarmente attraenti per le applicazioni LNG, dove la temperatura di esercizio è tipicamente intorno a -260°F. La tabella 323.2.2 ha restrizioni che includono il contenuto di carbonio inferiore allo 0,1% e il materiale deve essere ricotto soluzione, e nessuna di queste restrizioni sono problemi, il primo ci limita alla bassa qualità di grado 304L

Lega di alluminio

Le leghe di alluminio offrono eccellenti proprietà criogeniche e sono comunemente utilizzate nel servizio LNG, in particolare per alcune applicazioni in cui il peso è una considerazione. Nel caso di alluminio la temperatura minima consentita per l'uso senza prova di durezza è –452°F, e quindi, per i materiali di alluminio elencati nella tabella A-1 utilizzato a temperature criogeniche non sono necessari test di resistenza per temperature a o superiori –452°F.

Questa eccezionale capacità di bassa temperatura rende l'alluminio un'opzione attraente per la tubazione LNG, anche se i progettisti devono considerare attentamente altri fattori come la compatibilità con le apparecchiature connesse, le caratteristiche di espansione termica e i requisiti di resistenza meccanica.

Acciaio al nichel

Per LNG, la temperatura criogenica può essere -165°C così materiali come A304L, 316, 321 e 347 e anche 9% acciaio nichel o 7% può essere utilizzato.

Requisiti di tracebilità dei materiali

ASME B31.3 non ha alcun requisito esplicito per la tracciabilità dei materiali, mentre ASME B31.12 richiede la tracciabilità del Material Test Report (MTR) al singolo componente.Per applicazioni LNG critiche, l'implementazione della tracciabilità dei materiali anche quando non esplicitamente richiesto dal codice rappresenta una migliore pratica che migliora la qualità di garanzia e facilita la manutenzione e le modifiche future.

Sistemi di isolamento termico

L'efficace isolamento termico è essenziale per i sistemi di tubazioni LNG per ridurre al minimo il guadagno di calore, prevenire la formazione di ghiaccio su superfici esterne, mantenere le temperature di processo e proteggere il personale da ustioni criogeniche.

Piping isolato sottovuoto

La tubazione a pressione isolata a vuoto è stata sviluppata per il trasporto di LIN, LOX, LAR, GNL, LHe, LH2 e LNG. La tubazione isolata a vuoto (VIP) fornisce prestazioni termiche superiori eliminando il trasferimento termico convettivo e conduttivo attraverso lo spazio anulare tra il tubo di processo interno e la giacca esterna.

Questo offre una soluzione ottimale per l'isolamento dei materiali criogenici e il loro trasporto, garantendo qualità grazie alla verifica in conformità con il codice ASME B31 e altri, come le direttive 2014/68/EU e TR CU 032/2013. I sistemi VIP sono particolarmente vantaggiosi per le lunghe tubazioni, linee di processo critiche e applicazioni in cui minimizzare la perdita di calore è essenziale per l'efficienza del processo.

Sistemi di isolamento convenzionali

Per applicazioni in cui il tubo isolato a vuoto non è economicamente giustificato, i sistemi di isolamento convenzionali che utilizzano materiali come schiuma poliuretanica, perlite o vetro cellulare possono fornire prestazioni termiche adeguate. Questi sistemi devono essere progettati con barriere di vapore adeguate per prevenire l'ingresso di umidità e la formazione di ghiaccio all'interno dell'isolamento, che degradano le prestazioni termiche e potenzialmente danneggiano il sistema di tubazioni.

La procedura di modellazione del tubazioni include l'assegnazione della pressione e dello spessore e della densità dello strato di isolamento, in quanto questi parametri influiscono sul peso complessivo del sistema di tubazioni e devono essere considerati nella progettazione di supporto e nell'analisi dello stress.

Progettazione di giunzione di espansione e flessibilità

L'espansione termica e la contrazione sono uno degli aspetti più impegnativi del design del tubazioni LNG a causa dei differenziali di temperatura estremi coinvolti.

Applique di espansione

Il modello U è la configurazione più comune per tubazioni e tubazioni di processo, fornisce la massima flessibilità per unità di lunghezza del tubo sviluppata, e il loop si estende perpendicolare al tubo di corsa, assorbendo la crescita termica assiale attraverso la flessione delle gambe di offset.

Il loop di espansione si trova solitamente sul lato della linea più calda, il loop di espansione, di regola, dovrebbe essere situato al centro della distanza tra due ancoraggi, e l'altezza del loop di espansione è normalmente due volte la larghezza. Queste linee guida di progettazione aiutano a garantire che i loop di espansione funzionino efficacemente, riducendo al minimo i requisiti di spazio e i costi di materiale.

Giunti di espansione meccanica

Nei casi in cui non si può ottenere una flessibilità naturale, sono necessari giunti di espansione e le giunture di espansione possono impiegare soffietti, tubi e treccia, giunti a sfera, accoppiamenti flessibili o meccanismi scorrevoli, e tutte hanno le loro proprietà uniche che sono appropriate per un determinato sistema.

L'Appendice B31.3 X include regole per le giunzioni di espansione, fornendo indicazioni su selezione, installazione e manutenzione di questi componenti critici.Per il servizio LNG, i giunti di espansione devono essere accuratamente selezionati per garantire la compatibilità con le temperature criogeniche e devono essere progettati per ospitare i movimenti previsti senza superare i limiti di stress consentiti.

Flessibilità naturale attraverso il Routing

La migliore configurazione di tubazioni è il meno costoso a lungo termine, che richiede una considerazione dei costi di installazione, dell'effetto di perdita di pressione sulla produzione, della preoccupazione di livello di stress, dell'insufficienza di fatica, dell'appoggio e dell'ancoraggio, della stabilità, della facilità di manutenzione, della capacità di espansione parallela e di altri.

Sicurezza dei sistemi di protezione della pressione

I sistemi di sicurezza sono fondamentali per proteggere il tubazioni LNG da condizioni di sovrapressione che potrebbero derivare dall'espansione termica di liquidi intrappolati, disturbi di processo, esposizione esterna al fuoco, o malfunzionamenti delle apparecchiature.

Valvola di scorrimento per la dimensionamento e la selezione

Le valvole di rilievi per il servizio LNG devono essere dimensionate per gestire lo scenario di massima affidabilità di rilievo mantenendo la backpressure entro limiti accettabili. Il calcolo di dimensionamento deve considerare le proprietà di LNG in condizioni di rilievo, tra cui densità, viscosità e pressione del vapore.

Le valvole di rilievi devono essere costruite con materiali adatti al servizio criogenico e devono essere progettate per operare in modo affidabile alle temperature estremamente basse che si incontrano nelle applicazioni LNG. La scarica della valvola deve essere indirizzata in una posizione sicura, in genere un sistema di flare o uno stack di sfiato, dove il gas rilasciato può essere disperso o combustibile in modo sicuro.

Requisiti di sicurezza termica

Oltre a stabilire i requisiti di rilievo termico richiesti, è anche utile stabilire la pressione massima che può essere raggiunta durante il riscaldamento limitato per i sistemi riempiti di fluidi non inventati o parzialmente sfiato, e per ottenere migliori stime della pressione massima raggiunta, l'elasticità del tubazioni/vessel deve essere considerata.

Anche piccole quantità di calore in ingresso possono causare un aumento significativo della pressione in un sistema a pieno liquido. Ogni sezione di tubazioni che può essere isolata dalle valvole deve essere protetta da un dispositivo di rilievo di dimensioni adeguate o deve essere progettata per resistere alla pressione massima che potrebbe svilupparsi.

Requisiti di saldatura e fabbricazione

La saldatura di tubazioni LNG richiede procedure specializzate, saldatrici qualificate e controllo di qualità rigoroso per garantire giunti a tenuta stagna che mantengono la loro integrità a temperature criogeniche.

Procedure di saldatura e qualifiche

Le specifiche della procedura di saldatura (WPS) devono essere sviluppate e qualificate specificamente per i materiali e gli spessori utilizzati nel servizio LNG, con particolare attenzione al mantenimento di un adeguato input termico, temperatura interpass e requisiti di trattamento termico post-saldatura.

Sia B31.3 che B31.12 richiedono test di resistenza/rischio di impatto sui campioni di saldatura dei materiali P8 (Esempio: S304/L e 316/L), e comportano un'espansione minima laterale superiore a 0,015 pollici (0,38 mm).

Esame non distruttivo

Sia B31.3 che B31.12 richiedono un esame non distruttivo (NDE) delle saldature di limite di pressione finite. I criteri di accettazione e di estensione per NDE possono variare a seconda dei requisiti specifici del codice e della criticità del servizio. I metodi comuni NDE per la tubazione LNG includono test radiografici, test ultrasonici, test di penetrazione liquida e test di particelle magnetiche per i materiali ferritici.

Mentre ASME B31.12 e ASME B31.3 condividono le comunitÃ, essi presentano ancora differenze nei loro requisiti, in particolare nei sistemi di qualitÃ, nella misura dei criteri di accettazione e di accettazione NDE richiesti per il NDE eseguito, e alcune delle differenze che sono rilevanti per i prodotti sono state illustrate.

Test di pressione e Commissioning

Le procedure di test e messa in servizio sono essenziali per verificare l'integrità dei sistemi di tubazioni LNG prima che vengano messi in servizio.

Testi idrostatici e pneumatici

Il test di pressione è un metodo utilizzato per eseguire prove di resistenza e di fuga di una pipeline coinvolta nel trasporto di idrocarburi, e questo articolo si concentra sull'importanza del test di pressione pneumatica del sistema di tubazioni che trasporta gli idrocarburi (in particolare il gas naturale) come metodo pulito e sicuro che garantisce il sistema è costruito stretto.

Le giunzioni filettate e le articolazioni di tubazione non sono più necessarie per essere testate in conformità con il test di perdita ASME B31.3 e il test di perdita di vuoto è stato incluso come alternativa al metodo di pressione interna.

Fresco e funzionamento iniziale

Il raffreddamento iniziale dei sistemi di tubazioni LNG deve essere controllato con attenzione per prevenire gli shock termici e le eccessive sollecitazioni termiche. Le procedure di raffreddamento graduale permettono al sistema di tubazioni di contrarsi uniformemente e consentire ai supporti e alle giunzioni di espansione di funzionare come progettato.

Durante il funzionamento iniziale, un attento monitoraggio delle prestazioni del sistema, comprese le gocce di pressione, le temperature, i livelli di vibrazioni e i carichi di supporto, aiuta a identificare qualsiasi problema che richiede la correzione prima che l'operazione su larga scala inizi.

Prevenzione della corrosione e compatibilità dei materiali

Mentre le temperature criogeniche riducono generalmente i tassi di corrosione, i sistemi di tubazioni LNG richiedono ancora un'attenta attenzione alla compatibilità dei materiali e alla prevenzione della corrosione per garantire affidabilità a lungo termine.

Protezione contro la corrosione esterna

Le superfici esterne della tubazione LNG, in particolare nelle aree in cui l'isolamento è danneggiato o l'umidità può accumularsi, possono essere soggette a corrosione. I sistemi di rivestimento adeguati, le barriere di umidità e l'ispezione regolare aiutano a prevenire la corrosione esterna.

Compatibilità interna

Il GNL è generalmente non corrosivo per materiali selezionati, ma le impurità nel flusso di gas naturale, come il solfuro di idrogeno, l'anidride carbonica o l'acqua, possono causare corrosione o altri meccanismi di degradazione.

Prevenzione di Cremita di Corrosione di Stress

Gli acciai inossidabili austenitici possono essere suscettibili di stress incrinatura della corrosione in determinati ambienti, in particolare in presenza di cloruri. Mentre le temperature criogeniche generalmente inibiscono la rottura della corrosione dello stress, le aree in cui la tubazione opera a temperature intermedie o in cui la contaminazione esterna è possibile richiedono un'attenta selezione e progettazione del materiale per prevenire questo meccanismo di guasto.

Sistemi di sostegno e considerazioni strutturali

Il corretto design del supporto è essenziale per mantenere l'allineamento delle tubazioni, controllare gli stress e garantire un funzionamento sicuro durante la vita della struttura LNG.

Supporti e Selezione

I sistemi di tubazioni LNG utilizzano vari tipi di supporto, inclusi i supporti rigidi, i ganci a molla, i supporti di sforzo costanti e i supporti scorrevoli. La selezione dipende dalle specifiche esigenze di ogni posizione, considerando fattori come il movimento termico, la magnitudine di carico e la necessità di controllare l'elevazione o l'allineamento della tubazione.

I supporti per tubazioni criogeniche devono essere progettati per ridurre al minimo il trasferimento di calore dalla struttura di supporto al tubo freddo, tipicamente utilizzando materiali isolanti o scarpe di supporto estese che permettono al punto di supporto di rimanere a una temperatura compatibile con il materiale della struttura di supporto.

Progettazione di ancora e guida

Gli effetti dell'espansione termica possono essere adattati con un'attenta disposizione degli ancoraggi e la corretta scelta delle giunture di espansione.Le ancoraggi devono essere progettati per resistere alle forze imposte dall'espansione termica mentre le guide consentono il movimento controllato in direzioni specifiche. La posizione e il design di ancoraggi e guide influenzano significativamente la distribuzione dello stress durante il sistema di tubazioni.

Considerazioni sismiche

Le strutture GNL nelle regioni sesticamente attive richiedono sistemi di tubazioni progettati per resistere ai carichi di terremoti. L'analisi sismica considera la risposta dinamica del sistema di tubazioni al movimento terra, assicurando che gli stress rimangano entro limiti accettabili e che i componenti critici mantengano la loro integrità durante e dopo un evento sismico.

Considerazioni operative e manutenzione

L'affidabilità a lungo termine dei sistemi di tubazioni LNG dipende da pratiche operative e da attività di manutenzione regolari.

Programmi di ispezione e monitoraggio

I programmi di ispezione regolari aiutano a identificare le potenziali problematiche prima di provocare guasti. Le attività di ispezione possono includere l'esame visivo delle superfici esterne e l'isolamento, le misurazioni di spessore ultrasonico per rilevare la corrosione o l'erosione, il monitoraggio delle vibrazioni per identificare i problemi di vibrazione indotti dal flusso e l'imaging termico per rilevare il degrado dell'isolamento o le fonti di calore inattese.

Migliori pratiche di manutenzione

Le attività di manutenzione dei sistemi di tubazioni LNG devono essere accuratamente pianificate ed eseguite per mantenere l'integrità del sistema, che comprendono l'ispezione e il test regolari delle valvole di rilievi, la manutenzione dei sistemi di isolamento, la verifica della funzionalità di supporto e la verifica periodica delle perdite di giunti e connessioni critiche.

Registrazione e documentazione

La documentazione completa dei calcoli di progettazione, delle certificazioni materiali, dei record di saldatura, dei risultati dei test e delle attività di manutenzione fornisce informazioni essenziali per il funzionamento in corso e per le modifiche future.

Considerazioni di progettazione avanzate

Le moderne strutture LNG incorporano caratteristiche e tecnologie di design avanzate per migliorare la sicurezza, l'efficienza e l'affidabilità.

Analisi computazionale delle dinamiche fluide

L'analisi delle dinamiche di fluido computazionali (CFD) può fornire informazioni dettagliate sui modelli di flusso, sulle distribuzioni di pressione e sul comportamento termico nelle configurazioni di tubazioni complesse. Questa analisi aiuta a ottimizzare i layout di tubazioni, identificare potenziali aree di problema come le vibrazioni o l'erosione indotte dal flusso e verificare che le ipotesi di progettazione siano valide.

Analisi degli elementi finiti

CAESAR-II, a commercial software is used for finite element analysis of piping systems. Advanced finite element analysis enables detailed evaluation of stress distributions, support loads, and equipment nozzle loads under various operating conditions. This analysis capability allows designers to optimize piping configurations and support arrangements while ensuring compliance with code requirements.

Ispezione basata sul rischio e gestione dell'integrità

Per i sistemi di tubazioni LNG, RBI aiuta a focalizzare le risorse sui componenti più critici mantenendo l'integrità del sistema generale. I programmi di gestione dell'integrità integrano i dati di ispezione, la storia operativa e l'analisi ingegneristica per prendere decisioni informate sul funzionamento, la riparazione o la sostituzione dei componenti di tubazione.

Caso studio: applicazione pratica dei principi di progettazione

Per illustrare l'applicazione di questi principi di progettazione, si consideri una linea di trasferimento LNG tipica che collega un serbatoio di stoccaggio ad un'unità di vaporizzazione. Questa linea opera a circa -260°F e deve gestire i tassi di flusso fino a 1000 m3/h a pressioni fino a 10 bar.

Selezione dei materiali

Per questa applicazione, l'acciaio inossidabile 316L è stato selezionato in base alle sue eccellenti proprietà criogeniche, resistenza alla corrosione e disponibilità. Il materiale soddisfa i requisiti ASME B31.3 per il servizio criogenico senza test di impatto, a condizione che sia nella soluzione condizione ricotta con il contenuto di carbonio inferiore allo 0,10%.

Goccia di dimensionamento e pressione

I calcoli idraulici determinano che un tubo nominale di diametro da 12 pollici fornisce una capacità di flusso adeguata mantenendo la pressione scendendo al di sotto del limite specificato. Il calcolo dello spessore della parete, basato sulla pressione di progettazione, lo stress consentibile e l'indennità di corrosione, ha portato ad uno spessore minimo richiesto di 8,2 mm, portando alla selezione del tubo di pianificazione 20S con uno spessore nominale di 8,38 mm.

Analisi della flessibilità

Analisi di stress utilizzando il software CAESAR II ha valutato il sistema di tubazioni in vari casi di carico, inclusi carichi sostenuti (pressione e peso), l'espansione termica da ambiente a temperatura di esercizio, e carichi occasionali (vento e sismico). L'analisi ha identificato le posizioni che richiedono i loop di espansione per mantenere gli stress entro limiti consentiti dal codice e determinate posizioni di supporto e tipi per controllare il movimento tubazioni, riducendo al minimo i carichi di supporto.

Progettazione dell'isolamento

Il sistema VIP è costituito da un tubo di processo in acciaio inox 316L interno, un vuoto nullo con isolamento multistrato e una giacca esterna in acciaio al carbonio con rivestimento protettivo. Questo design fornisce prestazioni termiche superiori con requisiti minimi di manutenzione.

Tendenze e tecnologie emergenti

L'industria LNG continua ad evolversi, con nuove tecnologie e approcci che migliorano la progettazione e il funzionamento dei sistemi di tubazioni.

Materiali avanzati

Continua la ricerca su nuovi materiali per il servizio criogenico, con sviluppi in acciai inossidabili ad alta resistenza, leghe di alluminio avanzate e materiali compositi che offrono potenziali miglioramenti nelle prestazioni, riduzione del peso o costo. Questi materiali devono dimostrare affidabilità a lungo termine e soddisfare requisiti di codice rigorosi prima di un'adozione diffusa.

Tecnologia digitale Twin

La tecnologia digitale gemella crea repliche virtuali di sistemi di tubazioni fisiche, integrando dati operativi in tempo reale con modelli di ingegneria. Questa tecnologia consente la manutenzione predittiva, l'ottimizzazione delle condizioni operative e la rapida valutazione delle modifiche proposte.

Approcci di costruzione modulari

Tecniche modulari di costruzione, dove i sistemi di tubazioni sono fabbricati e testati in ambienti di negozio controllati prima del trasporto al sito, offrono potenziali miglioramenti nella qualità, nel programma e nei costi. Questi approcci richiedono un'attenta pianificazione e coordinamento, ma possono ridurre significativamente i tempi di costruzione del campo e migliorare l'esecuzione del progetto generale.

Lista di controllo per sistemi di tubazioni LNG

Per garantire una completa considerazione di tutti gli aspetti critici, i progettisti devono verificare i seguenti elementi:

• Selezione dei materiali appropriata per il servizio criogenico con conformità documentata a ASME B31.3 o altri codici applicabili
• Calcoli di spessore della parete che rappresentano la pressione di progettazione, la temperatura, l'indennità di corrosione e le tolleranze di fabbricazione
• Analisi completa dello stress, inclusi carichi sostenuti, dislocati e occasionali con risultati entro limiti consentiti dal codice
• Sistemazione di espansione termica attraverso loop di espansione, giunti di espansione meccanica, o flessibilità naturale nel routing di tubazioni
• Progettazione del sistema di supporto con spaziatura appropriata, tipi e isolamento termico per controllare il movimento di tubazioni e sollecitazioni
• Progettazione del sistema di isolamento che fornisce prestazioni termiche adeguate proteggendo contro l'ingresso di umidità e danni esterni
• Protezione antirilievo per tutte le sezioni che possono essere isolate, con dispositivi di rilievo dimensionati per scenari credibili, tra cui l'espansione termica
• Procedure di saldatura qualificate per materiali e condizioni di servizio con i requisiti NDE appropriati
• Le procedure di test di pressione sono conformi ai requisiti di codice e appropriate per l'applicazione specifica
• Verifica della compatibilità dei materiali per tutti i componenti a contatto con LNG o con l'ambiente esterno
• Misure di prevenzione della corrosione, compresi i rivestimenti protettivi, la protezione catodica, ove applicabile, e la selezione dei materiali
• Considerazioni di progettazione sismica per le strutture nelle regioni sesticamente attive
• Documentazione di tutti i calcoli di progettazione, certificazioni materiali e risultati di test per riferimento futuro
• Verifica della conformità con tutti i codici e gli standard locali, nazionali e internazionali applicabili
• Procedure operative e di manutenzione sviluppate per supportare l'integrità del sistema a lungo termine

Conclusioni

La progettazione di sistemi di tubazioni per impianti LNG richiede una comprensione completa delle proprietà del liquido criogenico, una rigorosa applicazione dei calcoli di ingegneria, una rigorosa osservanza degli standard del settore, e un'attenta attenzione alla selezione dei materiali e alla qualità della fabbricazione. Le condizioni operative estreme del servizio LNG richiedono l'eccellenza in ogni aspetto del design, dal concetto iniziale all'ingegneria dettagliata, alla fabbricazione, alla prova e alla messa in servizio.

I progettisti dovrebbero aderire ai codici per evitare guasti costosi e garantire la sicurezza. Il successo nel design del piping di LNG proviene da analisi approfondite, approcci di progettazione conservatrice, se del caso, la fabbricazione di qualità e pratiche di costruzione, e programmi di test e di ispezione completi. L'investimento nella progettazione corretta e ingegneria paga dividendi attraverso un funzionamento sicuro e affidabile durante la vita della struttura.

Man mano che la domanda globale di LNG continua a crescere, spinta dal suo ruolo di combustibile a combustione più pulita e dalla sua importanza nella sicurezza energetica, l'importanza del design robusto delle tubazioni diventa sempre più critica. Gli ingegneri e i progettisti che lavorano in questo campo devono rimanere attuali con codici e standard in evoluzione, tecnologie emergenti e best practice del settore per fornire strutture che soddisfano i più elevati standard di sicurezza, affidabilità ed efficienza.

Per ulteriori informazioni sugli standard di progettazione di tubazioni di processo, visitare il Sito web di codici e standard di ASME[. Ulteriori risorse sull'ingegneria criogenica possono essere trovate attraverso il ]Cryogenic Society of America. Il American Petroleum Institute fornisce standard completi e le strutture LNG].

Seguendo i principi e le pratiche delineate in questo caso di studio, gli ingegneri possono progettare sistemi di tubazioni LNG che servono in modo sicuro ed efficiente il loro scopo previsto, soddisfando tutti i requisiti normativi e gli standard del settore. La complessità di questi sistemi richiede competenze, attenzione ai dettagli e impegno costante per la qualità—la caratteristiche che definiscono l'eccellenza nella progettazione di impianti LNG.