Table of Contents

De installaties voor vloeibaar aardgas (LNG) vormen een van de meest complexe en veeleisende omgevingen in de energiesector, waarvoor nauwgezette aandacht moet worden besteed aan het ontwerp van leidingen, engineering berekeningen en strikte naleving van de industrienormen. Deze uitgebreide casestudy onderzoekt de kritische aspecten van het leidingontwerp voor LNG-installaties, waarbij de essentiële berekeningen, materiaalselecties, nalevingsvoorschriften en veiligheidsoverwegingen worden onderzocht die ervoor zorgen dat deze systemen veilig en efficiënt functioneren onder extreme cryogene omstandigheden.

LNG en de unieke uitdagingen ervan begrijpen

Aardgas wordt vloeibaar gemaakt door de temperatuur van de koolwaterstof te verlagen tot ongeveer -260°F, waardoor transport mogelijk is bij atmosferische druk in de vorm van LNG. Deze extreme temperatuur zorgt voor unieke uitdagingen voor het ontwerp van leidingen die aanzienlijk verschillen van conventionele procesleidingentoepassingen.

De vloeibaarmaking van aardgas wordt uitgevoerd in installaties die LNG-treinen worden genoemd en die een complex netwerk van pijpleidingen tussen verschillende delen van de trein hebben. Deze leidingen moeten de structurele integriteit behouden bij het hanteren van cryogene vloeistoffen, een aanzienlijke thermische expansie en samentrekking mogelijk maken en bij normale bedrijfsuitoefening elke uitstoot van koolwaterstoffen voorkomen.

Cryogene temperaturen worden gedefinieerd als -150°C (-238°F), en cryogene vloeistoffen zijn die met kookpunten bij atmosferische druk boven deze temperatuurgrens. Gemeenschappelijke cryogene vloeistoffen omvatten argon (-186°F), helium (-452°F), waterstof (-423°F), stikstof (-321°F), zuurstof (-297°F), en methaan (-256°F). De extreem lage temperaturen van LNG plaatsen buitengewone eisen aan leidingen materialen, die een zorgvuldige selectie vereisen om te voorkomen dat broze breuken en de ductiliteit te behouden.

Kritische berekeningen in LNG-pipingontwerp

Bij het ontwerpen van leidingen voor LNG-installaties zijn verschillende kritische engineering berekeningen nodig die de basis vormen voor veilige en efficiënte werkingen. Deze berekeningen moeten rekening houden met de unieke eigenschappen van cryogene vloeistoffen en de extreme bedrijfsomstandigheden.

Drukdruppelanalyse

Voor het waarborgen van een adequate stroomsnelheid en systeemprestaties in LNG-leidingen zijn berekeningen van fundamenteel belang. Hydraulische berekeningen vereisen een drukdaling onder 0,86 MPa bij 740 m3/h stroomsnelheid voor typische LNG-toepassingen. Deze berekeningen moeten rekening houden met vloeistofeigenschappen bij cryogene temperaturen, ruwheid van leidingen, hulpstukken, kleppen en andere componenten die bijdragen aan de algemene systeemweerstand.

De principes van de vloeistofstroom zijn niet eenvoudig vanwege de onderlinge afhankelijkheid van drukval en wrijving, en dit ontwerp richtlijn bestrijkt de basiselementen op het gebied van de leiding vloeistofstroom materiaal selectie en lijn grootte. Ingenieurs moeten gebruik maken van gespecialiseerde software en empirische correlaties om nauwkeurig te voorspellen druk verliezen in het systeem, ervoor te zorgen dat pompen en compressoren zijn goed grootte en dat stroomvereisten worden voldaan aan alle bedrijfsomstandigheden.

Bepaling van de dikte van de wand

Het berekenen van de vereiste wanddikte voor LNG-leidingen is van cruciaal belang om ervoor te zorgen dat het systeem veilig bestand is tegen interne druk en tegelijkertijd de structurele integriteit bij cryogene temperaturen behoudt. De wanddikte van het systeem moet op basis van interne drukbeoordelingen voor typische LNG-dienstomstandigheden meer dan 7,08 mm bedragen.

De ontwerpvereisten en de acceptatiecriteria voor LNG-leidingen zijn gebaseerd op erkende codes zoals ASME B31.3 en ASME BPVC, waarin de nodige specificaties worden beschreven om de veiligheid, efficiëntie en naleving van de eisen op het gebied van drukbehandeling, materiaalnormen en flexibiliteitsanalyse te waarborgen, met de nadruk op ontwerpberekeningen met betrekking tot wanddikte, drukdaling en flexibiliteitsproblemen. De berekening van de wanddikte moet rekening houden met ontwerpdruk, toegestane belasting bij bedrijfstemperatuur, corrosie-emissie en fabricagetoleranties.

Berekeningen voor thermische expansie en contractie

Thermische expansie is een van de meest kritische ontwerpoverwegingen voor LNG-leidingen als gevolg van de extreme temperatuurverschillen tussen omgevingsomstandigheden en bedrijfstemperaturen. Het ontwerp van het pipingsysteem moet rekening houden met thermische expansie omdat temperatuurveranderingen leiden tot uitdijing en contractering van leidingmaterialen, en als deze verandering in grootte niet wordt verantwoord in het ontwerp, kan het systeem beschadigd worden door normale werkomstandigheden, die kunnen leiden tot lekken en zelfs uitval.

Als een leidingloop aan beide uiteinden wordt beperkt, omdat deze lineaire expansie opwarmt, zal druk op het materiaal veroorzaken en wanneer deze onnodige kracht de toegestane belasting op het materiaal overschrijdt, zal dit leiden tot schade aan de pijp en potentieel beugels, hulpstukken en kleppen. Bij de berekening van de thermische expansie moet rekening worden gehouden met de thermische expansiecoëfficiënt voor het leidingmateriaal, de lengte van de leidingloop en het temperatuurverschil tussen installatie en bedrijfsomstandigheden.

Schepen en leidingen gevuld met vloeistoffen vereisen drukverlichting om te beschermen tegen verlies van insluiting veroorzaakt door thermische uitzetting van vloeistof, die optreedt wanneer de vloeistof wordt verhit als gevolg van stoom tracing, zonnestraling, externe brand, enz. Dit is met name belangrijk in LNG-systemen waar geblokkeerde delen van leidingen kunnen ervaren snelle drukstijging als warm.

Flexibiliteitsanalyse en stressberekeningen

De belangrijkste doelstellingen van de analyse van de leidingspanning zijn het waarborgen van de structurele capaciteit tegen de druk, verschillende belastingen in de levenscyclus, verschillende operationele scenario's en belastingen op de ondersteunende structuren. Voor LNG-leidingen wordt deze analyse bijzonder complex door de extreme temperatuurveranderingen en de daaruit voortvloeiende thermische belasting.

De geëvalueerde stress wordt vergeleken met de door de American Society of Mechanical Engineers (ASME) gedefinieerde toegestane stress. Ingenieurs gebruiken doorgaans gespecialiseerde software zoals CAESAR II om uitgebreide stressanalyse uit te voeren die rekening houdt met aanhoudende belastingen (druk en gewicht), verplaatsingsbelastingen (thermische expansie), en incidentele belastingen (wind, seismische, ontluchtingsklepontlading).

Het begrijpen van het onderscheid tussen aanhoudende belasting en verplaatsing (thermische) belastingen is van fundamenteel belang voor de analyse van de flexibiliteit van de leidingen, en wanneer een leidingsysteem eerst opwarmt, kan thermische belasting de opbrengststerkte van het materiaal op gelokaliseerde punten (ellebogen, vertakkingen) overschrijden, waardoor plastic vervorming ontstaat die restspanningen veroorzaakt. Dit verschijnsel, bekend als afschudden, moet goed worden begrepen en verantwoord in het ontwerpproces.

Berekeningen voor ondersteuning van de spanwijdte

De draagspanwijdten moeten voorkomen dat de leidingen verzakkingen vertonen, waardoor een maximale doorbuiging van 12 mm mogelijk is. De juiste steunafstand is essentieel om te voorkomen dat de leidingen zich door de doorbuiging heen bewegen, de stressconcentraties te minimaliseren en ervoor te zorgen dat het leidingsysteem gedurende de gehele levensduur van de leiding blijft uitlijnen. De ondersteuningsberekeningen moeten rekening houden met het gewicht van de buis, de isolatie, de vloeistofinhoud en eventuele extra belastingen zoals ijsophoping of de toegang tot onderhoud.

Industrienormen en naleving van de regelgeving

Naleving van internationaal erkende normen is niet facultatief in LNG-leidingontwerpen.Het is een fundamentele eis die veiligheid, betrouwbaarheid en wettelijke naleving garandeert. Meerdere normen regelen verschillende aspecten van LNG-installatieontwerp en -exploitatie.

ASME B31.3 Code voor procesafsnijding

ASME B31.3 bevat eisen voor leidingen die gewoonlijk in aardolieraffinaderijen worden aangetroffen; chemische, farmaceutische, waterstof, textiel, papier en pulp, elektriciteitsproductie, halfgeleider- en cryogene installaties; en aanverwante verwerkingsfabrieken en terminals. Deze code dient als de primaire ontwerpstandaard voor LNG-procesleidingen in de meeste jurisdicties.

De systemen moeten voldoen aan ASME B31.3 en bestand zijn tegen ontwerpdruk. De code bevat uitgebreide eisen voor materialen, ontwerp, fabricage, montage, erectie, onderzoek, inspectie en testen van leidingensystemen. Zorgvuldige toepassing van deze B31 codes zal gebruikers helpen om te voldoen aan de toepasselijke regelgeving binnen hun rechtsgebieden, terwijl het bereiken van de operationele, kosten- en veiligheidsvoordelen die worden verkregen uit de vele beste praktijken in de industrie die binnen deze volumes worden gedetailleerd.

De meest voorkomende code voor het ontwerp en de bouw van leidingen is ASME B31.3, en sinds de introductie in 1935 heeft het Noord-Amerika en het grootste deel van de wereld geleid in de veilige productie en het gebruik van procesleidingen in ingenieursbedrijven, apparatuurfabrikanten, energie, lucht- en ruimtevaart, en vele andere industrieën, en ASME B31.3 wordt dagelijks gebruikt, vaak genoemd, en goed begrepen.

ASME B31.12 Waterstofafzuiging en pijpleidingen

Voor bepaalde LNG-toepassingen, met name die waarbij waterstof betrokken is of waarvoor strengere veiligheidsmaatregelen nodig zijn, kan ASME B31.12 van toepassing zijn. B31.12 deelt overeenkomsten met de meer bekende ASME-code B31.3, met een kort overzicht van de overeenkomsten en verschillen tussen ASME B31.3 en B31.12, waarbij de nadruk ligt op de toepassing ervan in cryogene service.

ASME B31.3 heeft geen vaste eis voor een kwaliteitssysteem dat binnen de code wordt vermeld, terwijl ASME B31.12 daarentegen een kwaliteitssysteem vereist en de eisen binnen de code beschrijft, en om te voldoen aan de eisen in dit deel, is het een beste praktijk voor elke organisatie om een gecertificeerd ISO 9001 kwaliteit management programma in te voeren.

API-normen voor LNG-toepassingen

Het American Petroleum Institute (API) publiceert verschillende normen die relevant zijn voor LNG-installaties, waaronder API 620 voor grote gelaste lagedrukopslagtanks en API 625 voor tanksystemen voor gekoeld vloeibaar gasopslag. Deze normen vullen ASME-codes aan door specifieke eisen te stellen aan opslag- en behandelingsapparatuur die verband houdt met LNG-leidingen.

Het Hydraulisch Instituut en API publiceren normen voor toegestane nozzleladingen van pompen, en fabrikanten van andere apparatuur zullen beperkingen hebben aan de belasting van de connector. Deze normen zorgen ervoor dat leidingen ontworpen zijn om compatibel te zijn met aangesloten apparatuur en geen buitensporige lasten opleggen die kunnen leiden tot een storing van de apparatuur.

Internationale en regionale normen

Naast Noord-Amerikaanse normen moeten LNG-installaties wellicht voldoen aan internationale normen zoals EN 13480 voor metalen industriële leidingen in Europese toepassingen. Piping kan voldoen aan de EN13480 en ASME B31.3 ontwerpcodes, wat flexibiliteit biedt bij het voldoen aan regionale regelgeving en tegelijkertijd consistente veiligheidsnormen handhaaft.

Materiaalselectie voor Cryogene dienst

Materiaalselectie is een van de meest kritische beslissingen in het ontwerp van LNG-leidingen. De extreme lage temperaturen van LNG-service elimineren veel materialen die veel gebruikt worden in conventionele leidingentoepassingen vanwege het risico op een broze breuk.

Austenitische roestvrij staal

De meest voorkomende materialen die worden gebruikt in cryogene drukleidingen zijn austenitische roestvrij staal (304/304L en 316/316L) en aluminium. Austenitische roestvrij staal behouden hun ductiviteit en taaiheid bij cryogene temperaturen, waardoor ze ideaal voor LNG-service.

S304/L of S316/L kan worden gebruikt tot op

Aluminiumlegeringen

Aluminiumlegeringen bieden uitstekende cryogene eigenschappen en worden vaak gebruikt in LNG-service, met name voor bepaalde toepassingen waar gewicht een overweging is. Bij aluminium is de minimumtemperatuur die zonder taaiheidstest mag worden gebruikt .452°F, en dus voor de aluminiummaterialen in tabel A-1 die bij cryogene temperaturen worden gebruikt, zijn geen taaiheidstests vereist voor temperaturen bij of boven .452°F.

Deze uitzonderlijke lagetemperatuurcapaciteit maakt aluminium een aantrekkelijke optie voor LNG-leidingen, hoewel ontwerpers andere factoren zoals compatibiliteit met aangesloten apparatuur, thermische uitzettingskenmerken en mechanische sterktevereisten zorgvuldig moeten overwegen.

nikkelstaal

Voor LNG kan de cryogene temperatuur -165°C zijn, zodat materialen als A304L, 316, 321 en 347 en ook 9% nikkelstaal of 7% kunnen worden gebruikt. Negen procent nikkelstaal is veel gebruikt in LNG-opslagtanks en leidingen vanwege zijn uitstekende taaiheid bij cryogene temperaturen en gunstige kosten in vergelijking met roestvrij staal voor toepassingen met een grote diameter.

Vereisten inzake materiaaltraceerbaarheid

ASME B31.3 heeft geen expliciete eis voor de traceerbaarheid van materiaal, terwijl ASME B31.12 de traceerbaarheid van materiaaltestverslagen (MTR) naar de afzonderlijke component vereist. Voor kritische LNG-toepassingen is de implementatie van de traceerbaarheid van materiaal, zelfs wanneer deze niet expliciet door code vereist is, een beste praktijk die de kwaliteitsborging verbetert en toekomstige onderhoud en wijzigingen vergemakkelijkt.

Thermische isolatiesystemen

Effectieve thermische isolatie is essentieel voor LNG-leidingen om warmtewinst te minimaliseren, ijsvorming op externe oppervlakken te voorkomen, procestemperaturen te handhaven en personeel te beschermen tegen cryogene brandwonden. Het isolatiesysteemontwerp moet thermische prestaties, mechanische duurzaamheid en kostenoverwegingen in evenwicht brengen.

Vacuüm-isoleermachine

De vacuüm-isoleerde Cryoline drukleidingen zijn ontwikkeld voor het transport van LIN, LOX, LAR, GNL, LHe, LH2 en LNG. Vacuüm-isoleerde leidingen (VIP) zorgen voor superieure thermische prestaties door convectieve en geleidende warmteoverdracht door de annulaire ruimte tussen de binnenste procesleiding en de buitenste jas te elimineren.

Dit biedt een optimale oplossing voor de isolatie van cryogene materialen en het transport daarvan, waardoor kwaliteit gegarandeerd wordt dankzij verificatie conform de ASME B31 Code en andere richtlijnen 2014/68/EU en TR CU 032/2013. VIP-systemen zijn bijzonder voordelig voor lange leidingloop, kritische proceslijnen en toepassingen waarbij warmtelekken tot een minimum beperkt blijven, is essentieel voor de efficiëntie van processen.

Conventionele isolatiesystemen

Voor toepassingen waar vacuümisolatieleidingen economisch niet gerechtvaardigd zijn, kunnen conventionele isolatiesystemen die gebruik maken van materialen zoals polyurethaanschuim, perliet of celglas, een adequate thermische prestatie leveren. Deze systemen moeten zijn ontworpen met geschikte dampbarrières om vochtintresten en ijsvorming binnen de isolatie te voorkomen, waardoor thermische prestaties zouden worden afgebroken en het leidingsysteem mogelijk zou worden beschadigd.

De modeleringsprocedure van de leidingen omvat het toewijzen van de druk en de dikte en dichtheid van de isolatielaag, aangezien deze parameters het totale gewicht van het leidingsysteem beïnvloeden en bij de ondersteuningsontwerp- en stressanalyse moeten worden overwogen.

Uitbreiding Gezamenlijke en flexibele opzet

De thermale expansie en krimping zijn een van de meest uitdagende aspecten van het LNG-leidingontwerp vanwege de extreme temperatuurverschillen. Ontwerpers hebben verschillende opties om de nodige flexibiliteit te bieden.

Uitbreidingslussen

De U-loop is de meest voorkomende configuratie voor pijpleidingen en procesleidingen, biedt maximale flexibiliteit per eenheid ontwikkelde buislengte, en de lus breidt loodrecht op de leidingrun, absorberende axiale thermische groei door buigen van de offset benen.

De expansielus bevindt zich meestal aan de zijkant van de warmste lijn, de expansielus, als regel, moet zich in het midden van de afstand tussen twee ankers, en de hoogte van de expansielus is normaal tweemaal de breedte. Deze ontwerprichtlijnen helpen ervoor te zorgen dat uitbreiding loops effectief functioneren terwijl het minimaliseren van de ruimte-eisen en materiaalkosten.

Mechanische expansie-gewrichten

In gevallen waarin natuurlijke flexibiliteit niet kan worden bereikt, zijn pijpuitbreidingsverbindingen noodzakelijk, en expansieverbindingen kunnen balgen, slang en vlecht, kogelverbindingen, flexibele koppelingen of schuifmechanismen gebruiken, en hebben zij allemaal hun unieke eigenschappen die geschikt zijn voor een bepaald systeem.

Aanhangsel B31.3 X bevat regels voor uitzettingsverbindingen, die een leidraad bieden voor de selectie, installatie en onderhoud van deze kritieke onderdelen. Voor LNG-service moeten expansieverbindingen zorgvuldig worden geselecteerd om compatibiliteit met cryogene temperaturen te waarborgen en moeten zij zijn ontworpen om de verwachte bewegingen te kunnen opvangen zonder de toegestane belastingslimieten te overschrijden.

Natuurlijke flexibiliteit door Routing

De beste configuratie van leidingen is de minst dure op lange termijn, waarbij rekening moet worden gehouden met de installatiekosten, drukverlies-effect op de productie, stressniveau, vermoeidheid, ondersteuning en ankereffecten, stabiliteit, eenvoudig onderhoud, parallelle uitbreidingscapaciteit en anderen. Waar mogelijk, moeten ontwerpers gebruik maken van veranderingen van richting in de leiding route om natuurlijke flexibiliteit te bieden, het verminderen of elimineren van de noodzaak van speciale expansielussen of mechanische expansieverbindingen.

Veiligheidsbescherming en beveiligingssystemen tegen druk

Veiligheidsreliëfsystemen zijn van cruciaal belang om LNG-leidingen te beschermen tegen overdrukomstandigheden die kunnen voortvloeien uit thermische expansie van vastgelopen vloeistof, procesoverlast, externe brandblootstelling of storingen in apparatuur.

Afzuigen van de ventiel en selectie

Relief kleppen voor LNG-service moeten zodanig zijn ontworpen dat ze het maximale geloofwaardige reliëfscenario kunnen hanteren en de tegendruk binnen aanvaardbare grenzen kunnen houden. Bij de berekening van de grootte moeten de eigenschappen van LNG in reliëfomstandigheden, waaronder dichtheid, viscositeit en dampdruk, in aanmerking worden genomen. Er moet bijzondere aandacht worden besteed aan tweefasenstroomomstandigheden die kunnen optreden bij het verlichten van cryogene vloeistoffen.

De ontluchtingskleppen moeten zijn vervaardigd uit materialen die geschikt zijn voor cryogene bediening en moeten zijn ontworpen om betrouwbaar te werken bij de extreem lage temperaturen die bij LNG-toepassingen worden aangetroffen. De klepontlading moet worden geleid naar een veilige locatie, meestal een vlamsysteem of ventilatiestack, waar het vrijkomende gas veilig kan worden verspreid of verbrand.

Eisen inzake thermische hulp

Naast de vereiste eisen inzake thermische ontluchting is het ook nuttig om de maximale druk vast te stellen die kan worden bereikt bij beperkte verhitting voor systemen met een niet-geventileerde of gedeeltelijk geventileerde vloeistof gevuld, en om betere schattingen te krijgen van de bereikte maximale druk, moet de elasticiteit van de leidingen/schepen worden overwogen.

Geblokkeerde LNG-leidingen zijn bijzonder kwetsbaar voor overdruk door thermische expansie. Zelfs kleine hoeveelheden warmte kunnen een aanzienlijke drukstijging veroorzaken in een vloeistof-vol systeem. Elk deel van leidingen dat door kleppen kan worden geïsoleerd, moet worden beschermd door een passende overdrukinrichting of moet worden ontworpen om de maximale druk te kunnen weerstaan die zich kan ontwikkelen.

Voorschriften inzake las- en Fabricagewerkzaamheden

LNG-leidingen moeten worden gelast voor gespecialiseerde procedures, gekwalificeerde lassers en een strenge kwaliteitscontrole om lekdichte verbindingen te garanderen die hun integriteit behouden bij cryogene temperaturen.

Lasprocedures en kwalificaties voor lasserijen

Beide codes verwijzen naar ASME Sec. IX lascode en gebruiken dezelfde procedures voor de vloeistofservice. De specificaties van de lasprocedure (WPS) moeten specifiek worden ontwikkeld en gekwalificeerd voor de materialen en diktes die worden gebruikt in LNG-service, met bijzondere aandacht voor het behoud van een goede warmtetoevoer, interpass temperatuur en warmtebehandeling na het lassen.

Zowel B31.3 als B31.12 vereisen een taaiheidstest/charpy-botstest op lasmonsters van P8-materialen (Voorbeeld: S304/L en 316/L) en een minimale zijdelingse uitzetting groter dan 0,015 inch (0,38 mm). Deze test zorgt ervoor dat lassen voldoende taai blijven bij cryogene bedrijfstemperaturen.

Niet-destructief onderzoek

Zowel B31.3 als B31.12 vereisen een niet-destructief onderzoek (NDE) van afgewerkte drukgrenslassen. De mate en acceptatiecriteria voor NDE kunnen variëren afhankelijk van de specifieke codevereisten en de kritische waarde van de service. Gemeenschappelijke NDE-methoden voor LNG-leidingen omvatten radiografische testen, ultrasone testen, vloeistofdoorntesting en magnetische deeltjestesten voor ferritische materialen.

Terwijl ASME B31.12 en ASME B31.3 dezelfde kenmerken hebben, vertonen zij nog steeds verschillen in hun eisen, met name wat betreft kwaliteitssystemen, de omvang van de vereiste NDE en de aanvaardingscriteria voor de uitgevoerde NDE, en zijn enkele verschillen die relevant zijn voor producten geïllustreerd. Ontwerpers moeten de toepasselijke codevereisten zorgvuldig herzien om volledige naleving te garanderen.

Druktest en inbedrijfstelling

De procedures voor het testen en in bedrijf nemen van de LNG-leidingen zijn essentieel om de integriteit van de systemen te verifiëren voordat zij in gebruik worden genomen.

Hydrostatische en pneumatische testen

Druktests zijn een methode die wordt gebruikt om kracht- en lektests uit te voeren van een pijpleiding die betrokken is bij het transport van koolwaterstoffen, en dit artikel richt zich op het belang van pneumatische druktests van leidingsystemen die koolwaterstoffen vervoeren (met name natuurlijk gas) als een schone en veiligere methode om ervoor te zorgen dat het systeem strak wordt gebouwd.

De draadverbindingen en slangenverbindingen hoeven niet langer te worden getest op lekkage overeenkomstig de ASME B31.3 lektest, en vacuümlekkentest werd opgenomen als alternatief voor de interne drukmethode. Deze updates van de code bieden extra flexibiliteit in testmethoden met behoud van veiligheidsnormen.

Afkoelen en eerste bewerking

De eerste afkoeling van LNG-leidingen moet zorgvuldig worden gecontroleerd om thermische schokken en overmatige thermische spanningen te voorkomen. Geleidelijke afkoelingsprocedures stellen het leidingsysteem in staat om gelijkmatig te contracteren en ondersteunen en uitzettingsverbindingen te laten functioneren zoals ontworpen. Temperatuurbewaking op kritieke locaties zorgt ervoor dat de afkoelingssnelheden binnen aanvaardbare grenzen blijven.

Tijdens de eerste werking, zorgvuldige monitoring van de prestaties van het systeem, met inbegrip van drukdalingen, temperaturen, trillingen, en ondersteuning van belastingen, helpt identificeren alle problemen die correctie nodig zijn voordat volledige werking begint.

Corrosiepreventie en materiaalcompatibiliteit

Hoewel cryogene temperaturen over het algemeen de corrosiesnelheid verminderen, moeten LNG-leidingen nog steeds zorgvuldig aandacht besteden aan materiaalcompatibiliteit en corrosiepreventie om de betrouwbaarheid op lange termijn te garanderen.

Bescherming van externe corrosie

Externe oppervlakken van LNG-leidingen, met name in gebieden waar isolatie beschadigd is of vocht kan zich ophopen, kunnen onderhevig zijn aan corrosie. Juiste coatingsystemen, vochtbarrières en regelmatige inspectie helpen externe corrosie te voorkomen. Roestvrijstalen leidingen bieden over het algemeen uitstekende corrosiebestendigheid, maar koolstofstaalcomponenten zoals steunstukken en constructieelementen vereisen passende beschermende coatings.

Interne verenigbaarheid

LNG is over het algemeen niet corrosief voor goed geselecteerde materialen, maar onzuiverheden in de aardgasstroom, zoals waterstofsulfide, kooldioxide of water, kunnen corrosie- of andere afbraakmechanismen veroorzaken. Gasbehandelingsprocessen vóór vloeibaarmaking verwijderen de meeste verontreinigingen, maar leidingmaterialen moeten nog steeds worden geselecteerd met inachtneming van mogelijke blootstelling aan sporenverontreinigingen.

Preventie van stress-Corrosie-kraken

Austenitische roestvrij staal kan gevoelig zijn voor stress corrosie kraken in bepaalde omgevingen, met name in de aanwezigheid van chloriden. Hoewel cryogene temperaturen over het algemeen remmen stress corrosie kraken, gebieden waar leidingen werken bij middelhoge temperaturen of waar externe verontreiniging mogelijk is vereisen zorgvuldig materiaal selectie en ontwerp om dit falen mechanisme te voorkomen.

Steunsystemen en structurele overwegingen

Een goed draagconstructie is essentieel voor het handhaven van de uitlijning van leidingen, het beheersen van de belasting en het waarborgen van een veilige werking gedurende de hele levensduur van de LNG-installatie.

Ondersteuningstypen en selectie

LNG-leidingen maken gebruik van verschillende ondersteuningstypen, waaronder stijve steunbalken, veerhangers, constante inspanningsondersteuningen en schuifsteunen. De selectie is afhankelijk van de specifieke eisen van elke locatie, rekening houdend met factoren zoals thermische beweging, belastingsomvang en de noodzaak om leidinghoogte of uitlijning te regelen.

De steun voor cryogene leidingen moet zodanig zijn ontworpen dat de warmteoverdracht van de steunstructuur naar de koudepijp zo klein mogelijk wordt, waarbij gewoonlijk gebruik wordt gemaakt van isolerende materialen of verlengde steunschoenen die het steunpunt mogelijk maken om op een temperatuur te blijven die verenigbaar is met het steunmateriaal.

Ontwerp van anker en gids

De effecten van thermische expansie kunnen worden opgevangen door zorgvuldige opstelling van ankers en de juiste keuze van uitbreidingsverbindingen. Ankeren moeten worden ontworpen om de krachten die worden opgelegd door thermische expansie te weerstaan, terwijl geleiders gecontroleerde beweging in specifieke richtingen mogelijk maken. De locatie en het ontwerp van ankers en gidsen aanzienlijk invloed op de spanningsverdeling over het leidingsysteem.

Seismische overwegingen

LNG-installaties in seismisch actieve regio's vereisen leidingsystemen die ontworpen zijn om aardbevingsbelastingen te weerstaan. Seismische analyse houdt rekening met de dynamische reactie van het leidingsysteem op grondbeweging, zodat stress binnen aanvaardbare grenzen blijft en kritieke componenten hun integriteit behouden tijdens en na een seismische gebeurtenis. Seismische ondersteuning, snubbers en andere boeien kunnen nodig zijn om de beweging van leidingen te beperken en apparatuurverbindingen te beschermen.

Operationele overwegingen en onderhoud

De betrouwbaarheid op lange termijn van LNG-leidingen hangt af van de juiste operationele praktijken en regelmatige onderhoudsactiviteiten.

Inspectie- en bewakingsprogramma's

Regelmatige inspectieprogramma's helpen bij het identificeren van mogelijke problemen voordat ze resulteren in storingen. Inspectieactiviteiten kunnen omvatten visueel onderzoek van externe oppervlakken en isolatie, ultrasone diktemetingen om corrosie of erosie te detecteren, trillingsbewaking om stroom-geïnduceerde vibratieproblemen te identificeren, en thermische beeldvorming om isolatiedegradatie of onverwachte warmtebronnen te detecteren.

Beste praktijken voor onderhoud

Onderhoudsactiviteiten voor LNG-leidingen moeten zorgvuldig worden gepland en uitgevoerd om de systeemintegriteit te behouden. Dit omvat regelmatige inspectie en beproeving van ontlastkleppen, onderhoud van isolatiesystemen, verificatie van de ondersteuningsfunctionaliteit en periodieke lektests van kritieke verbindingen en verbindingen. Wijzigingen of reparaties moeten worden uitgevoerd volgens de geldende codes en normen, met een passende technische beoordeling en documentatie.

Bijhouden en documentatie van gegevens

Uitgebreide documentatie van ontwerpberekeningen, materiaalcertificeringen, lasgegevens, testresultaten en onderhoudsactiviteiten biedt essentiële informatie voor de lopende werking en toekomstige wijzigingen. Deze documentatie ondersteunt naleving van de regelgeving, vergemakkelijkt het oplossen van problemen en maakt een geïnformeerde besluitvorming mogelijk met betrekking tot systeemupgrades of levensduurverlenging.

Geavanceerde ontwerpoverwegingen

Moderne LNG-installaties bevatten geavanceerde ontwerpfuncties en technologieën om de veiligheid, efficiëntie en betrouwbaarheid te verbeteren.

Computational Fluid Dynamics Analysis

De analyse van de computational fluid dynamics (CFD) kan gedetailleerde inzichten geven in stroompatronen, drukverdelingen en thermisch gedrag in complexe leidingconfiguraties. Deze analyse helpt bij het optimaliseren van de leidinglay-outs, het identificeren van potentiële probleemgebieden zoals stroom-geïnduceerde trillingen of erosie, en het verifiëren of de ontwerphypothesen geldig zijn.

Finite Element Analysis

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.

Risicogebaseerde inspectie en integriteitsbeheer

Risicogebaseerde inspectieprogramma's (RBI) geven prioriteit aan inspectie- en onderhoudsactiviteiten op basis van de waarschijnlijkheid en het gevolg van een storing. Voor LNG-leidingen helpt RBI middelen te concentreren op de meest kritieke componenten, terwijl ze de algehele systeemintegriteit behouden. Integriteitsbeheersprogramma's integreren inspectiegegevens, operationele geschiedenis en engineeringanalyse om geïnformeerde beslissingen te nemen over de voortzetting van de werking, reparatie of vervanging van leidingcomponenten.

Casestudy: Praktische toepassing van ontwerpbeginselen

Om de toepassing van deze ontwerpprincipes te illustreren, moet u een typische LNG-overdrachtslijn overwegen die een opslagtank met een verdampingsunit verbindt. Deze lijn werkt bij ongeveer -260°F en moet stroomsnelheden tot 1000 m3/h hanteren bij druk tot 10 bar.

Materiaalselectie

Voor deze toepassing werd 316L roestvrij staal geselecteerd op basis van de uitstekende cryogene eigenschappen, corrosiebestendigheid en beschikbaarheid. Het materiaal voldoet aan de ASME B31.3 eisen voor cryogene service zonder impacttesten, mits het in de oplossing gegloeid staat met koolstofgehalte onder 0,10%.

Afmeting en drukdaling

Hydraulische berekeningen bepaalden dat een 12 inch nominale diameter buis voldoende debiet biedt en de druk onder de opgegeven limiet houdt. De berekening van de wanddikte, gebaseerd op ontwerpdruk, toegestane spanning en corrosie-uitlaat, resulteerde in een vereiste minimale dikte van 8,2 mm, wat leidde tot de selectie van de Schedule 20S pijp met een nominale dikte van 8,38 mm.

Flexibiliteitsanalyse

Stressanalyse met behulp van CAESAR II-software heeft het leidingsysteem geëvalueerd in verschillende belastingsgevallen, waaronder langdurige belastingen (druk en gewicht), thermische expansie van omgevings- naar bedrijfstemperatuur, en incidentele belastingen (wind en seismisch). De analyse identificeerde locaties die uitbreidingslussen nodig hebben om spanningen binnen de code toegestane grenzen te houden en bepaalde steunlocaties en types om de beweging van leidingen te regelen en ondersteuningslasten te minimaliseren.

Isolatieontwerp

Voor deze kritische transferlijn zijn vacuümgeïsoleerde leidingen geselecteerd om warmtewinst te minimaliseren en de procesefficiëntie te behouden. Het VIP-systeem bestaat uit een binnenste 316L RVS procespijp, vacuüm-annulus met meerlaags isolatie, en een buitenkoraalstalen jas met beschermende coating. Dit ontwerp biedt superieure thermische prestaties met minimale onderhoudseisen.

De LNG-industrie blijft zich ontwikkelen, met nieuwe technologieën en benaderingen die het ontwerp en de werking van leidingsystemen verbeteren.

Geavanceerde materialen

Onderzoek naar nieuwe materialen voor cryogene dienst blijft, met ontwikkelingen in hoge sterkte roestvrij staal, geavanceerde aluminiumlegeringen en composietmaterialen die potentiële verbeteringen in prestaties, gewichtsvermindering of kosten bieden. Deze materialen moeten aantonen op lange termijn betrouwbaarheid en voldoen aan strenge code eisen voordat wijdverspreide goedkeuring.

Digitale Twin Technologie

Digitale tweelingtechnologie creëert virtuele replica's van fysieke leidingen, waarbij real-time operationele gegevens worden geïntegreerd met engineeringmodellen. Deze technologie maakt voorspellend onderhoud, optimalisatie van de bedrijfsomstandigheden en snelle evaluatie van voorgestelde wijzigingen mogelijk. Als sensortechnologie en data-analysecapaciteiten vooruitgaan, spelen digitale tweelingen een steeds belangrijkere rol in het beheer van LNG-installaties.

Modulair ontwerpbenaderingen

Modulaire constructietechnieken, waarbij leidingen worden vervaardigd en getest in gecontroleerde winkelomgevingen voordat ze naar de locatie worden vervoerd, bieden potentiële verbeteringen in kwaliteit, schema en kosten. Deze benaderingen vereisen zorgvuldige planning en coördinatie, maar kunnen de tijd voor de bouw van het terrein aanzienlijk verminderen en de uitvoering van het project verbeteren.

Checklist voor sleutelontwerp voor LNG-pipingsystemen

Om alle kritische aspecten volledig te kunnen beoordelen, moeten ontwerpers de volgende elementen verifiëren:

  • Materiaalselectie geschikt voor cryogene dienst met gedocumenteerde overeenstemming met ASME B31.3 of andere toepasselijke codes
  • Wanddikteberekeningen die rekening houden met ontwerpdruk, temperatuur, corrosie-emissie en fabricagetoleranties
  • Uitgebreide stressanalyse, inclusief aanhoudende, verplaatsing en incidentele belastingen, met resultaten binnen de code toegestane grenzen
  • Thermische expansie accommodatie door expansielussen, mechanische expansieverbindingen of natuurlijke flexibiliteit in leidingleiding
  • Design van het ondersteuningssysteem met passende afstand, types en thermische isolatie om de beweging van leidingen en spanningen te regelen
  • Isolatiesysteemontwerp dat voldoende thermische prestaties biedt en tegelijkertijd bescherming biedt tegen vochtinval en externe schade
  • Bescherming tegen overdruk voor alle geïsoleerde secties, met een reliëfvoorziening die geschikt is voor geloofwaardige scenario's, inclusief thermische uitzetting
  • Lasprocedures die geschikt zijn voor materialen en servicevoorwaarden met passende NDE-eisen
  • Druktests die voldoen aan de codevoorschriften en geschikt zijn voor de specifieke toepassing
  • Controle van de materiaalcompatibiliteit voor alle onderdelen die in contact komen met LNG of externe omgeving
  • Corrosiepreventiemaatregelen, waaronder beschermende coatings, indien van toepassing kathodische bescherming en materiaalselectie
  • Seismische ontwerpoverwegingen voor faciliteiten in seismisch actieve regio's
  • Documentatie van alle ontwerpberekeningen, materiaalcertificeringen en testresultaten voor toekomstige referentie
  • Controle op de naleving van alle toepasselijke lokale, nationale en internationale codes en normen
  • Operationele en onderhoudsprocedures ontwikkeld ter ondersteuning van de integriteit van het systeem op lange termijn

Conclusie

Het ontwerpen van leidingen voor LNG-installaties vereist een uitgebreid inzicht in cryogene vloeistofeigenschappen, strikte toepassing van engineering berekeningen, strikte naleving van de industrienormen, en zorgvuldige aandacht voor materiaalselectie en fabricagekwaliteit. De extreme bedrijfsomstandigheden van LNG-service vereisen uitmuntendheid in elk aspect van het ontwerp, van het eerste concept tot gedetailleerde engineering, fabricage, testen en inbedrijfstelling.

Ontwerpers moeten zich aan codes houden om dure storingen te voorkomen en veiligheid te garanderen. Succes in LNG-leidingenontwerp komt voort uit grondige analyse, conservatieve ontwerpbenaderingen waar nodig, kwaliteitsproductie en bouwpraktijken, en uitgebreide test- en inspectieprogramma's. De investering in een goed ontwerp en engineering betaalt dividenden door middel van een veilige, betrouwbare werking gedurende de levensduur van de faciliteit.

Naarmate de wereldwijde vraag naar LNG blijft toenemen, gedreven door zijn rol als schonere brandstof en het belang ervan voor energiezekerheid, wordt het belang van robuuste leidingontwerp steeds kritischer. Ingenieurs en ontwerpers die op dit gebied werken, moeten actueel blijven met veranderende codes en normen, opkomende technologieën en beste praktijken in de industrie om faciliteiten te leveren die voldoen aan de hoogste normen op het gebied van veiligheid, betrouwbaarheid en efficiëntie.

Voor meer informatie over de normen voor het ontwerp van procesleidingen, bezoekt u de website ASME-codes en -normen. Aanvullende bronnen over cryogene engineering zijn te vinden via de Cryogene Society of America. Het American Petroleum Institute biedt uitgebreide normen voor LNG-installaties en -apparatuur.

Door de in deze casestudy beschreven principes en praktijken te volgen, kunnen ingenieurs LNG-leidingen ontwerpen die veilig en efficiënt hun beoogde doel dienen en voldoen aan alle regelgevingseisen en industrienormen. De complexiteit van deze systemen vraagt om expertise, aandacht voor detail en een niet aflatende inzet voor kwaliteit karakteristieken die excellentie in LNG-installatieontwerp definiëren.