摘要：甲烷气体检测是LNG站场试产试车中重要的一项工作，因缺乏一种便捷实用的检测工具，在通常的检测中都是人工手持操作，这样操作效率较低又易出错。文章设计了一种便携式的甲烷气体检测工具，可以多方位调节以满足甲烷气体的实际检测需要，并且方便携带，操作简单。

　　关键词：试产试车,便携式,甲烷含量,检测工具

　　Design of A Portable Methane Gas Detection Tool

　　ZHANG Qiuhua,WEI Chengge*,CHEN Rui,ZHANG Hao,LI Zuowei,MA Qingjun

　　(Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China)

　　Abstract:Methane gas detection is an important work in the trial production of LNG stations.Due to the lack of a convenient and practical detection tool,manual handheld operation is commonly used in the detection,which has low efficiency and is prone to errors.A portable methane gas detection tool has been designed,which can be adjusted in multiple directions to meet the actual methane gas detection needs,and is easy to carry and operate.

　　Keywords:trial production;portable;methane content;detection tool;folding rod;deflection

　　0引言

　　随着我国天然气需求的快速增长，LNG站场也在逐年持续增加，这些LNG站场包含接收站、调峰站、加注站等，由于运营的为LNG介质，对试产试车有着更加严格的要求。

　　LNG站场常见典型生产设施有储罐、管线等，这些生产设施在试产试车阶段都需要先预冷再填充，并且会产生一定量的BOG气体，因而检测其中的甲烷含量是必不可少的一项调试工作。目前，在测量甲烷含量时，都是由现场人员拿着检测仪在检测口站立测试。由于一方面甲烷含量要进行频繁测试，另一方面测试时人为操作会因手持不稳或放置位置不准确等产生一定的误差，且时间较长、风险性较大，有必要设计一种便携式的操作性强的检测工具。

　　1 LNG站场管线及储罐试产试车流程

　　1.1 LNG站场管线试产试车的一般流程

　　LNG站场管线需先进行预冷，预冷可采用低温氮气，液氮通过槽车进入低温氮气橇，经气化调温后，从预冷管口注入低温氮气至需预冷管线，通过管线上放空阀排放预冷后的氮气来维持压力，当需预冷管线上表面温度计达-120℃时，表示预冷完成。

　　预冷完成后，关闭氮气排放口，从相连接管线或相关设备引入LNG，进行填充，其间产生的BOG进入LNG储罐或BOG总管，并对其中的甲烷气体含量进行实时监测。当管线表面温度计达到-150℃时，表明管线已开始填充，并通过压力表判定管线填充完成的高度，当压力表达到设定值时，管线填充完成。

　　管线的预冷接口连接液氮气化器的出口短管，当一区域的管线预冷填充时。相邻区域的注氮和填充口用盲法兰盲死。

　　管线预冷填充试产的流程示意图如图1所示。

　　1.2 LNG站场管线试产试车注意事项

　　(1)预冷及填充LNG作业前，管线及相应储罐氮气置换吹扫工作完成，且露点、氧含量合格(露点<-40℃,氧含量<2%)。另外，管线上各处插环插板状态正确，预冷用临时短管已完成就位安装；阀门状态设置正确。

　　(2)相关管线预冷流程已设置完成，压力液位联锁已确认正常，需屏蔽处已屏蔽。确认工作环境安全后才可开始用气化后的低温氮气预冷及进行之后的填充。

　　(3)预冷时，需监控管道顶底部的温差小于50℃,温降速度小于8～10℃/h。

　　(4)预冷中，应监控储罐气相压力在5～8 kPa；低温氮气进入储罐，应保证储罐温度控制在3～5℃/h。

　　(5)预冷及填充时，应记录管道位移，不能大于设计值，否则应停止作业并采取措施。

　　(6)管道温度预冷至-70℃时，需冷紧法兰面；管线温度达到-150℃时，需对法兰二次冷紧。

　　(7)LNG填充期间，管线温度计低于-150℃时，逐渐加大开启阀门，直至管线充满(管线上下温度计均达到-150℃时，表明管线已填满)。

　　(8)介质从0℃开始每降低30℃对管线上阀门进行一次开关测试。

　　(9)检测管线位移量，如超出设计范围，发现泄漏等严重故障时应及时停止作业。

　　(10)填充LNG时，应密切监控管线的表面温度计，防止填充过程中LNG流速失控。

　　(11)管线预冷完成后，在填充LNG前，应确保阀门的开关，防止上下游的LNG流动超速。

　　(12)预冷及填充管线时，应注意监控泄漏情况，发现泄漏时及时停止作业。

　　(13)预冷管线与不参与预冷的管线应采用界区隔离阀及插板做好隔离。

　　(14)如管线预冷时，有可以引出的LNG作为管线BOG预冷及LNG填充的来源，也可以采用控制LNG流量产生低温BOG的方法来预冷管线。

　　1.3 LNG站场储罐试产试车一般流程

　　储罐试产试车第一步也是预冷，可采用LNG来预冷。当无卸料作业时，可通过储罐相连接管线如码头保冷循环管线等引入LNG至储罐的预冷管线；当有卸料作业时，保冷循环等压力会存在不足，此时可通过低压泵出口预冷管线在卸船时提供预冷所需LNG。

　　储罐预冷及试产的总体流程一般如下：组件打开预冷管线上气动阀，进一步填充储罐的预冷管线，预冷管线的上下表面温度计显示均达到-160～-150℃时，开始预冷喷淋，同时将氮气置换。控制喷淋LNG量来控制储罐预冷温降速率在3～5℃/h，当储罐内各测点温度均显示在-150℃(±5℃)时，储罐预冷结束。逐步全开预冷阀门及上进液旁通阀，至储罐建立50 mm液位；然后关闭上面的阀门，打开下进液主管阀门至5%开度，通过监控液位计逐步填充建立储罐液位至500 mm，完成低液位建立；上述完成后，视LNG船期进一步卸料填充LNG入罐至500 mm后静置12 h以上。

　　BOG处理流程如下：储罐预冷前，通过放空管线放空至3 kPa。预冷开始时打开就地放空阀门以监控甲烷浓度。当甲烷浓度≤5%时，罐顶放空；当甲烷浓度＞5%时，关闭放空阀，将储罐憋压超过能导通BOG的压力后，将BOG通过BOG总管送至火炬或进行回收。

　　储罐预冷填充试产的流程示意图如图2所示。

　　1.4 LNG站场储罐试产试车注意事项

　　(1)储罐预冷前，应检查相关尾项已全部处理完成；储罐氮气置换已完成，露点及含氧量合格，处于氮气保压状态；卸料管、预冷管等相关管线预冷填充已完成，预冷用就地排放管线已现场安装完成；仪表、阀门已测试合格，功能正常；DCS控制系统已联调合格；罐表系统已联调完成并正常投用。(2)试产试车前需对阀门状态进行检查，并确认流程设置正确。(3)预冷时，控制储罐平均温降速率3～5℃/h。(4)储罐液位的建立需与LNG运输船提前做好协调。(5)储罐预冷初期产生的BOG通过就地放空点放空，并检测甲烷含量。

　　2便携式甲烷气体检测工具的设计

　　由上述管线和储罐试产试车的流程可见，甲烷含量测试是重要的一个步骤，涉及BOG回收处理及后续LNG站场BOG系统的生产运行。甲烷含量在试产试车过程中需要频繁测试，有必要设计一种用于测试甲烷含量的便捷工具。

　　在现场实际进行甲烷气体含量检测时，检测处的基面是多种多样的，有斜坡面、楼梯形面、格栅面等等，所以检测工具底座需适应各样的现场基面。另外，甲烷气体检测口的高度及位置也是不尽相同的，检测工具也应很好地保证这种需求。

　　鉴于以上要求，便携式甲烷检测工具在底部基座4个支腿采用了角度可调节的结构，并且支腿的高度均可以调节，检测工具的主支杆采用可折叠杆，并且在主支杆下部设置了1个可调节角度的装置，顶部检测仪固定端设置销轴可实现旋转，检测仪夹紧固定于支撑板上。

　　3检测工具结构及使用方法

　　便携式甲烷气体含量检测工具主要由检测仪固定装置、可折叠杆、底板、支座等四大部分组成。支座设置4个，均布固定于底板上，其构成主要有带齿牙扁钢、碟形螺栓、角度调节弧板、橡胶垫等。该检测工具的结构示意图如图3所示。

　　使用时，将支座放置于甲烷检测口下方位置，根据基础的实际情况，调节4个支腿的高度后，拧紧蝶形固定螺栓卡住支腿扁钢的齿牙，固定好支座后，操作可折叠杆，至甲烷检测口高度的位置，其间可采用角度调节卡具调整可折叠杆的角度，使检测仪更好地靠近检测口。若检测仪的方位角度不合适，还可以调整支撑板进行调节。通过以上几项调节调整方式，即可使检测仪可靠且精确地放置于想要的位置处。

　　在实际项目调试期间，采用这种检测工具，一方面避免了现场操作人员长时间频繁站立操作位置手持检测仪的繁重检测工作，另一方面可以使检测仪及时测出更加准确的数据。

　　4检测仪折叠杆强度校核

　　本检测工具需要对折叠杆受力强度进行校核，以确认折叠杆在实际操作中不会折断。

　　折叠杆的材质选用Q235B，其力学性能参数如下：

　　许用应力：[δ]=235 MPa(1)

　　弹性模量：E=20 600 N/m2(2)

　　高度：H=2 500 mm(3)

　　小径：d=21.3 mm(4)

　　大径D=26.7 mm(5)

　　小径管厚度：t=1.65 mm(6)

　　大径管厚度：T=2.11 mm(7)

　　设计最大风速：u=38 m/s(8)

　　挠度计算，将折叠杆等效为：De=(d+D)/2=24 mm的等径管。(8)

　　风压：P=u2/16=884 N/m2(9)

　　迎风面积：S折叠杆=(D+d)×H/2=0.06 m2(10)

　　S座=0.015 m2(11)

　　S支撑板=0.02 m2(12)

　　折叠杆根部所受最大力矩：

　　折叠杆根部的力矩，可以等效为集中风力作用在主杆重心处对主折叠杆根部的力矩。

　　折叠杆重心高度：H=(D2-(D-2T)2)×0.625+(d2-(d-2t)2)×1.875/(D2-(D-2T)2+(d2-(d-2t)2))=1.11 m(13)
       风力影响：M折叠杆=P×S折叠杆×H=58.87 N·m(14)

　　M支撑板=P×S支撑板×2.5=44.2 N·m(15)

　　4.1强度校核

　　折叠杆的危险截面处于根部，根部的抗弯截面系数：

　　4.2挠度计算

　　5结语

　　本文分析介绍了LNG站场管线及储罐试产试车的一般流程及注意事项，在提出试产试车中对甲烷含量检测要求的基础上，提出了一种便携式甲烷气体检测工具的设计。通过相关计算及分析，这种便携式工具可以较好地满足现场的实际操作需求。

　　这种形式的便携式工具，不仅可以用于甲烷含量的检测，也可以用于其他相类似的检测作业。

      参考文献：

　　[1]刘鸿文.材料力学I[M].北京：高等教育出版社，2017.

　　[2]成大先.机械设计手册[M].北京：高化学工业出版社，2007.