低溫軟管在海上LNG輸送領域的應用研究

徐岸南，宋麗君，錢 強

（滬東中華造船集團有限公司，上海 200129）

0 引 言

世界上第一艘LNG FPSO船順利地開工建造表明，LNG海上運輸技術已取得突破[1]。海上LNG輸送應用的低溫軟管主要包括懸浮式和漂浮式兩種形式。盡管目前LNG FPSO所處的環(huán)境只能是在“良好”海況下，采用的LNG外輸方式只局限于旁靠式剛性裝卸臂輸送[2]。但是，隨著技術進步，潛在資源需求的增加，LNG FPSO所處的區(qū)域或?qū)⒃絹碓竭h離“良好”海況的區(qū)域。此時，傳統(tǒng)的剛性裝卸臂已無法滿足卸載條件。要適應惡劣海況下進行連續(xù)地外輸作業(yè)，采用低溫軟管將是一個可選的方式。

目前的低溫軟管技術能使外輸作業(yè)的 FLNG/LNG穿梭船（以下簡稱 LNGC）保持一個安全的距離，且不會因為波浪、FLNG/LNGC吃水變化造成的位移等因素頻繁地中斷卸載進程，再加上相對簡單和可靠的操作，將促進低溫軟管在海上LNG輸送領域的應用。

1 懸浮式低溫軟管

懸浮式低溫軟管，一般應用于旁靠式的LNG卸載方式（見圖1）。當穿梭LNG船與LNG FSRU采用旁靠式（SBS）卸載方式時，兩船間距較小，一般不超過10m。LNG FSRU停泊于近海區(qū)域，海況相對較好。

通過分析懸浮式低溫軟管的資料，荷蘭Gutteling公司已經(jīng)成功地開發(fā)了一款懸浮式低溫軟管，其主要技術參數(shù)為：

a. 最大工作壓力：1.4MPa

b. 最大流量：1250m3/h

c. 爆破壓力：7MPa

d. 工作溫度范圍：-196 ～ +50℃

e. 管徑：12英寸

f. 最小彎曲半徑：1860mm

g. 設計工作壽命：重要元件5a

h. 連接方式：多種標準的法蘭、多種標準的螺紋接頭，快速接頭等

i. 無低溫絕緣層

其內(nèi)部結構組成（圖2）由內(nèi)到外：最內(nèi)層為螺旋形內(nèi)金屬圈（不銹鋼316）；內(nèi)二層為內(nèi)襯套（聚酰胺/Hostaflon）；內(nèi)三層為復合骨架網(wǎng)（聚酰胺纖維布）；內(nèi)四層為復合編織網(wǎng)（聚酯纖維布）；最外層為外螺旋金屬圈（不銹鋼316）。由于最內(nèi)層和最外層都是螺旋形金屬圈，當軟管破損時，由于應力的變化而直接導致軟管變形，工作人員可以及時發(fā)現(xiàn)，并切斷LNG的輸送。

圖1 旁靠式LNG輸送

圖2 Gutteling懸浮式低溫軟管結構

當懸浮式低溫軟管兩端的法蘭分別與穿梭LNG船和LNG-FSRU的通岸接頭連接后，就可以進行LNG的輸送。通岸接頭與低溫軟管對接時中間需有快速連接/斷開裝置。一旦發(fā)生緊急情況可以快速切斷 LNG的輸送，保證LNG的泄漏量在安全范圍內(nèi)。

低溫懸浮軟管已成功應用于近海的LNG輸送作業(yè)中。2007年2月，Excelerate和Exmar公司在世界上首次采用了荷蘭Gutteling 公司的低溫軟管，成功地完成了海上LNG的輸送作業(yè)。

2 漂浮式低溫軟管

漂浮式低溫軟管，一般用于串聯(lián)式（TANDEM）LNG卸載方式。由于LNG FPSO停泊于深海區(qū)域，海況相對較差，H1/3>2.5m，屬于“惡劣”海況。旁靠式卸載方式幾乎無法滿足兩船間縱向、橫向及垂向距離補償，這就需要穿梭LNG船與LNG FPSO采用串聯(lián)式卸載方式（見圖3）。

圖3 串聯(lián)式LNG輸送

采用串聯(lián)式低溫軟管卸載方式，允許兩船間距為30～100m，適應了惡劣海況下操作，當然LNG FPSO安裝了一些特殊裝置，如動力定位（DP2）、艏部載裝置（Bow Loading System）等。

2009年，瑞典Trelleborg公司與意大利Saipem公司合作開發(fā)了串聯(lián)裝卸式低溫漂浮軟管技術。該軟管擁有：熱損率低、連接方式簡潔、安全可靠及使用壽命長等優(yōu)點，滿足 LNG輸送操作者在裝、卸載時安全、流量及操作簡單且可靠的要求。該軟管的相關技術參數(shù)如下：

內(nèi)徑： 20英寸

最大允許工作壓力： 1.5MPa

工作溫度范圍： -196 ～ +40℃

最小彎曲半徑： 3m

工作壽命： 5a

最大操作次數(shù)： 500次（按每周作業(yè)2次計算）

Trelleborg低溫漂浮軟管的設計是基于一個“管中管”的概念。它由外管和內(nèi)管組成：外管是一個業(yè)內(nèi)認可的適宜海上使用的橡膠軟管；內(nèi)管是 LNG低溫復合軟管。該低溫漂浮軟管專門用于“船對船”的LNG輸送。Trelleborg公司在橡膠軟管和復合軟管的制造方面已有多年的經(jīng)驗，在業(yè)界認可成熟技術產(chǎn)品的設計改進方面，Trelleborg公司有著很多成功的經(jīng)驗和很高的技術水平。

2.1 結構組成

圖4為Trelleborg低溫漂浮軟管的組成示意圖。該低溫漂浮軟管的主要元件為：

1) 內(nèi)管：內(nèi)管為低溫復合軟管，擁有良好的靈活性，已經(jīng)成功應用于旁靠式“船對船”的 LNG輸送領域。該復合軟管通常由非粘合式、多層聚合薄膜和纖維織品層以及內(nèi)外兩層不銹鋼螺旋金屬圈組成。內(nèi)外兩層螺旋金屬圈將聚合薄膜和纖維織品層夾住，起塑型作用。聚合薄膜層起流體密封作用，防止管內(nèi)液體泄漏；而纖維織品層可以增強軟管的機械強度。聚合薄膜和纖維織品的層數(shù)由管徑以及輸送產(chǎn)品的種類決定。聚合薄膜和纖維織品的材料則根據(jù)輸送產(chǎn)品的極端溫度來選擇。該復合軟管已通過靜態(tài)、動態(tài)試驗和大量海上“船對船”的LNG輸送實際應用證明其在LNG輸送過程的安全性和可靠性。

圖4 Trelleborg低溫漂浮軟管結構

2) 外管：外管為橡膠軟管，擁有良好的抗疲勞和抗惡劣環(huán)境能力。橡膠軟管通常由橡膠、金屬環(huán)、鋼絲加強層和端部裝置組成。

3) 絕緣層：內(nèi)管與外管間的環(huán)形部分為絕緣材料層。絕緣材料層可以減少管內(nèi)外的熱量交換，有效防止外管結冰，同時還可以保證軟管漂浮在海面上。此外，它還有良好的抗動態(tài)疲勞能力。

4) 氣體泄露監(jiān)控系統(tǒng)：內(nèi)管與外管間的環(huán)形部分有一套完整的、基于光纖技術的氣體泄露監(jiān)測系統(tǒng)。兩條裝備著分布式布拉格光柵傳感器的光纖纏繞在復合軟管上以監(jiān)測溫度的變化，防止在卸貨時發(fā)生異常狀況。操作者可以通過這套快速、高效、可靠的控制系統(tǒng)監(jiān)控整個卸貨過程。

5) 簡單、專用的連接系統(tǒng)：這是一套為海上LNG輸送專門設計的應用系統(tǒng)。Trelleborg公司開發(fā)了一款全新概念的端部裝置以確保貨物輸送的密閉性，并減少卸貨管路的熱量損失。這套連接裝置的設計擁有專門的低溫應用密封件。該密封件為單向密封，材料為聚四氟乙烯（PTFE）的膨脹密封圈。聚四氟乙烯是一種常用于靜態(tài)和動態(tài)的氣體、液體密封應用的材料，可以承受溫度的快速變化。端部裝置設計的每個階段首先都應有限元分析計算熱量以及機械負荷。然后，這些計算結果都要通過專門的整套實驗，驗證連接系統(tǒng)設計的可行性，驗證室溫以及低溫下接頭的密閉性，認可這項低溫密封技術的選擇。

2.2 軟管接頭

對于該串聯(lián)低溫漂浮軟管式輸送系統(tǒng)，低溫漂浮軟管的端頭將連接到一個單向接頭（見圖5）。該單向接頭有三個閥，每個閥控制一根低溫軟管。每兩條 LNG管路間都接有一個旁通閥。這些旁通閥使管路形成一個循環(huán)，當這些單向接頭沒有與穿梭LNG船對接時，接通一條液貨管路可以沖洗其他兩條液貨管路。軟管接頭連接著浮動模塊，以保證LNG船與LNG FSRU或LNG FPSO進行裝卸貨時軟管接頭一直處于漂浮狀態(tài)。

2.3 軟管盤管存儲系統(tǒng)

軟管存儲系統(tǒng)（見圖 6）安裝于船尾，是一個簡單的三層同軸盤管結構。每根軟管都獨立存儲于其所在的那層盤管上，基于這種結構，當某根軟管因維修等原因不能操作時，不影響其他兩根軟管的正常操作。不過若是兩根軟管進行卸貨操作，需要降低 LNG的流速。水平的盤管結構，使得系統(tǒng)在緊急情況下可以允許 LNG通過重力進行泄放以保證安全。每層盤管上的軟管都通過液壓馬達控制收放。為了保護盤管上的元件，每層盤管都需連接到LNG溢流艙。

圖5 接頭示意圖

圖6 軟管存儲系統(tǒng)及接頭維護與存儲平臺

LNG FPSO的艉部安裝有一個存儲及維護平臺。每次LNG轉運操作結束后，在平臺上檢查軟管接頭，以及泄放軟管沖洗后仍殘余的LNG。

基于Trelleborg公司現(xiàn)有已經(jīng)認可的技術，該LNG低溫漂浮軟管將成為將來海上LNG輸送領域應用中一個關鍵設備。它使惡劣海況下LNG的轉運更加安全，保障LNG連續(xù)輸送。

雖然低溫漂浮軟管在2012年底就已經(jīng)獲得國際認證，可以應用到深海LNG輸送的業(yè)務中，但是由于目前世界上的LNG FPSO還沒有交付使用，低溫漂浮軟管的實際使用還需要一段時間[3]。

3 結 語

LNG外輸系統(tǒng)是LNG海工裝置極其重要的系統(tǒng)之一，低溫軟管因柔軟性好、重量輕、耐腐蝕、操作簡單安全、通用性好、兩船間運動補償高等優(yōu)點，在旁靠和串聯(lián)兩種方式中都得到業(yè)界的高度關注, 尤其是在惡劣海況只能選擇串聯(lián)作業(yè)時更具優(yōu)勢。總之，懸浮式低溫軟管適用于海況較好的近海進行 LNG的輸送；而漂浮式低溫軟管使用于海況惡劣的深海進行LNG的輸送。

[1] 童 波. 深水浮式生產(chǎn)儲油裝置（FPSO）外輸油浮筒系統(tǒng)研究[J]. 船舶與海洋工程，2012, (1): 21-25.

[2] 敬加強，梁光川，蔣宏業(yè). 液化天然氣技術問答[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2007.

[3] 喻慧敏. GDF SUEZ的浮式技術革新[J]. CHINA LNG. 2013, (12).